雙包層光纖打造的模式選擇型光子燈籠

核心概念

本文介紹了一種利用雙包層光纖設計和製造模式選擇型光子燈籠 (MSPL) 的新方法，該方法能夠實現高模態隔離、低額外損耗，並與單模光纖完全相容。

摘要

文章概要

本文介紹了一種利用雙包層光纖 (DCF) 設計和製造模式選擇型光子燈籠 (MSPL) 的新方法。MSPL 是一種光纖器件，可以選擇性地將多模光纖中的不同空間模式耦合到不同的單模光纖中。

設計與製造

傳統的 MSPL 使用單模光纖束，通過熔接和錐形化形成少模或多模波導結構。然而，這種方法的模態隔離度和額外損耗較大。

本文提出的新方法使用 DCF 來代替單模光纖。DCF 的結構特點是在單模纤芯外還有一層包層，可以有效地限制光在纤芯中的傳輸。通過改變 DCF 的第一包層直徑，可以打破光纖束的對稱性，從而實現模式選擇。

在製造過程中，研究人員使用低折射率的毛細管來固定光纖束的形狀，並在熔接和錐形化過程中提供額外的限制。通過實時監控輸出光功率，可以精確地控制錐形化的過程，並獲得最佳的性能。

結果與討論

實驗結果表明，使用 DCF 製造的 MSPL 具有以下優點：

• 高模態隔離度： 實驗中測得的模態隔離度超過 20 dB，在使用氟摻雜毛細管的情況下甚至超過 60 dB。
• 低額外損耗： 使用氟摻雜毛細管的 MSPL 額外損耗小於 1 dB，而使用合成熔融石英毛細管的 MSPL 額外損耗小於 2 dB。
• 寬帶運行： 由於 MSPL 不依賴於模式耦合，因此其運行帶寬理論上僅受限於光纖的波導特性。實驗中測得的帶寬至少為 250 nm。
• 偏振无关性： 實驗結果表明，MSPL 的性能不受輸入光偏振態的影響。

此外，使用 DCF 還可以縮短 MSPL 的長度，提高其堅固性。實驗中製造的 MSPL 長度約為 2.5 cm。

總結

本文提出的基於 DCF 的 MSPL 製造方法具有高模態隔離度、低額外損耗、寬帶運行、偏振无关性以及結構緊湊等優點，在光通信、生物光子學和量子光學等領域具有廣闊的應用前景。

統計資料

模態隔離度：> 20 dB（使用合成熔融石英毛細管），> 60 dB（使用氟摻雜毛細管）
額外損耗：< 2 dB（使用合成熔融石英毛細管），< 1 dB（使用氟摻雜毛細管）
運行帶寬：> 250 nm
器件長度：約 2.5 cm

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Mode-Selective Photonic Lanterns with Double-Clad Fibers

by Rodr... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23403.pdf

深入探究

基於雙包層光纖的 MSPL 技術如何應用於下一代光通信系統？

基於雙包層光纖的 MSPL（模式選擇型光子燈籠）技術在下一代光通信系統中具有巨大的應用潛力，尤其是在以下幾個方面：

空間分波多工 (SDM)：MSPL 可以作為高效的模式复用器和解复用器，實現 SDM 技術，從而大幅提升光纖的傳輸容量。雙包層光纖與單模光纖的兼容性，使得 MSPL 能夠更容易地與現有光通信系統集成。
光纖到芯片耦合: MSPL 可以將光信号高效地耦合到硅光芯片上，反之亦然。這對於發展高速、小型化、低功耗的光互連技術至關重要。
光纖傳感: MSPL 可以用於構建高靈敏度、多參數的光纖傳感器，例如用于溫度、壓力、應變等物理量的測量。
自由空間光通信: MSPL 可以與自由空間光通信系統结合，實現高效率的光束整形和耦合，提高通信質量和距離。
然而，要將 MSPL 技術廣泛應用於下一代光通信系統，還需要克服一些挑戰，例如：

成本: MSPL 的制造成本相對較高，需要進一步降低以滿足大規模應用的需求。
可靠性: MSPL 的長期可靠性需要進一步驗證，以確保其在惡劣環境下的穩定工作。
集成度: 需要開發更高集成度的 MSPL 器件，以滿足光通信系統小型化和低功耗的需求。

如何克服基於雙包層光纖的 MSPL 製造過程中可能出現的挑戰，例如光纖的精確對準和熔接？

基於雙包層光纖的 MSPL 製造過程中的確存在一些挑戰，特別是光纖的精確對準和熔接。以下是一些克服這些挑戰的方案：

高精度對準:

利用高分辨率显微镜和精密位移平台，实现亚微米级别的光纤对准精度。
采用光纤夹持装置，例如 V 型槽或微通道，将光纤固定在特定位置，提高对准稳定性。
使用光纤熔接机自带的摄像头和图像识别算法，辅助进行光纤的自动对准。

熔接参数优化:

根据双包层光纤的特性，优化熔接机的放电参数，例如放电电流、时间和次数，以确保熔接点的质量和一致性。
采用低熔点玻璃管或熔接胶，降低熔接温度，减少对光纤的热损伤。

实时监控:

在熔接过程中，利用光功率计或光谱分析仪实时监测光信号的传输特性，例如插入损耗和模式隔离度，及时调整熔接参数。
使用光纤显微镜观察熔接点的形貌，判断熔接质量。
此外，还可以通过以下方法提高 MSPL 的制造效率和良率：

自动化: 采用自动化设备进行光纤的剥 cladding、切割、对准和熔接，减少人工操作误差。
批量生产: 开发批量生产工艺，例如使用多通道熔接机，提高 MSPL 的生产效率。

從更廣泛的意義上來說，光子學的進步如何推動其他科學領域的發展？

光子學的進步不僅推動了光通信領域的發展，也為其他科學領域带来了革命性的變化，例如：

生命科學:

光遗传学：利用光控制细胞和生物体的活动，为研究神经科学、细胞生物学等提供了强大的工具。
光学显微镜：超分辨荧光显微镜、光片显微镜等新型光学显微镜的出现，突破了传统光学显微镜的极限，可以观察到更微小的结构和更快速的生物过程。
光学诊断和治疗：光动力疗法、光热疗法等新兴的光学治疗方法，为癌症、眼科疾病等提供了新的治疗手段。

材料科學:

光催化：利用光催化剂加速化学反应，可以用于环境净化、能源转换等领域。
光刻技术：利用光刻技术制造微纳米结构，是制造芯片、传感器等微电子器件的核心技术。

能源領域:

太阳能电池：光伏技术的进步，使得太阳能发电成本不断降低，成为未来清洁能源的重要发展方向。
光纤激光器：高功率光纤激光器在工业加工、医疗美容等领域有着广泛的应用。
总而言之，光子學作为一门研究光 generation、传输、操控和探测的学科，其进步对推动其他科学领域的发展起着至关重要的作用，并将继续为人类社会带来更多福祉。