面向1–2 μm波段超快脉冲控制-信号切换的全固态双芯光纤设计与优化

《Optical Fiber Technology》：All-solid dual-core fiber design for dual-wavelength 1–2 μm control-signal switching of ultrafast pulses

本文报道了一种针对1030 nm/2000 nm双波长飞秒脉冲全光切换应用优化的全固态双芯光纤(DCF)设计。研究团队通过优化纤芯直径(2.4 μm)和间距(3.9 μm)，在1 cm紧凑长度内实现了控制脉冲(CP)与信号脉冲(SP)的群速度同步，解决了传统DCF存在的双芯不对称、脉冲失真和走离问题。创新的制备方法有效保持了纤芯圆形度，±0.2 μm椭圆度变形分析表明对群速度和耦合长度影响微弱。该研究为太比特级全光信号处理提供了新方案，在通信、成像和传感领域具有应用前景。

　　

在人工智能、云计算和物联网技术飞速发展的今天，全球数据流量呈指数级增长，对超高速通信系统的需求达到了前所未有的高度。全光信号处理技术因其能够克服电子处理的固有速度限制，成为现代信息技术的关键领域。通过完全在光域处理信号，全光器件消除了光电转换需求，从而显著提高了数据传输速率，降低了延迟、功耗和系统复杂性。作为该领域的核心器件，全光开关、复用器和路由器能够实现太比特每秒级别的数字操作，在数据中心网络、高性能计算和波分复用互联中扮演着重要角色。

然而，实现高效的全光切换面临诸多挑战。在众多实现平台中，双芯光纤因其结构简单、成本低廉和可小型化优势而备受关注。DCF基于非线性定向耦合器原理工作，根据输入信号强度实现光在两个耦合纤芯间的切换。这种非线性行为源于纤芯材料的强度依赖性折射率，使DCF成为光学信号处理的通用解决方案。尽管DCF最初为电信应用开发，但近年来其在参量放大、空间光聚焦和偏振控制等方面的应用潜力也逐渐被发掘。

当前研究的关键问题在于如何实现控制脉冲和信号脉冲的高效同步，同时最小化信号失真。特别是在双波长切换方案中，结构不对称性这一常见的制备引起的问题会导致两个纤芯的有效折射率差异，通常限制定向耦合器中的高对比度性能。此外，脉冲间走离引起的信号变形也成为多级全光处理路径中的累积失真问题。

针对这些挑战，发表在《Optical Fiber Technology》上的研究提出了一种优化的全固态双芯光纤设计，专门用于1030 nm控制脉冲和2000 nm信号脉冲的双波长飞秒非线性切换应用。该研究在先前C波段工作的基础上，重点解决了CP-SP时间同步、制备挑战和功能增强等关键问题。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先通过数值模拟优化了光纤结构参数，包括纤芯直径和间距对群速度、色散和耦合特性的影响；其次开发了创新的制备工艺，将PBG-08铅硅酸盐玻璃棒嵌入UV-710硼硅酸盐玻璃毛细管中以更好地保持纤芯圆形度；最后系统分析了±0.2 μm纤芯椭圆度变形对光学特性的影响，评估了制备公差。研究还基于耦合模式理论分析了超模传播特性，并利用软玻璃材料体系的高折射率对比度增强非线性相互作用。

线性特性

研究团队首先分析了光纤的线性特性，重点关注群速度和色散特性。通过模拟2.2-2.6 μm范围内不同纤芯直径的单芯光纤群速度光谱特性，发现当纤芯直径为2.4 μm时，1030 nm和2000 nm波长的群速度实现同步，达到152.8 m/μs的同步值。对DCF的分析表明，在2000 nm以下波长范围内，群速度对纤芯间距变化不敏感，因此Λ的选择可主要基于耦合需求。

耦合特性分析显示，双波长切换机制基于耦合长度随波长减小而显著延长的固有特性。在1030 nm波长，L_c值介于400-4000 cm之间，而在2000 nm波长显著降低，为0.4-2 cm。以2000 nm波长处1 cm耦合长度为目标，优化确定纤芯间距为3.9 μm（L_c,X=1.07 cm，L_c,Y=0.97 cm）。

新型制备方法

针对先前堆叠拉丝方法导致的纤芯星形变形和结构不对称问题，研究提出了改进的制备技术。新方法将PBG-08玻璃棒嵌入UV-710毛细管中定义纤芯，实现了对d/Λ比率的灵活调节，同时保持了纤芯圆形度。这种技术保留了紧密堆积六边形结构的优势，即使使用不同直径的玻璃棒也能确保几何稳定性。

纤芯椭圆度对群速度和耦合特性的影响

研究系统分析了纤芯椭圆度变形对光学性能的影响。通过将纤芯轴线长度从最优的2.4 μm变化±0.2 μm，发现适度的椭圆变形会引起群速度峰值和耦合长度曲线的微小偏移，但脉冲传播特性和纤芯间的有效功率传递潜力基本保持不变。分析表明，在1030 nm控制波长，水平轴(d_X)的变化导致L_c显著变化，从d_X=2.6 μm时的544.2 cm到d_X=2.2 μm时的3544.8 cm。而在2000 nm信号波长，L_c变化较小，为0.76-1.4 cm，确保在1 cm光纤长度附近保持高效切换。

研究结论表明，优化的DCF设计在紧凑的1 cm长度内实现了控制脉冲和信号脉冲的增强时间同步，基于定制的色散和耦合特性。与先前模型相比，该设计在切换对比度和减少信号脉冲失真方面有显著改进。圆形纤芯形状还预期能降低耦合和传播损耗。详细的理論分析表明，适度的纤芯椭圆变形不会显著降低性能，通过成熟的制备工艺可以有效管理这些几何不规则性。

这项研究的重要意义在于为双波长全光切换系统设立了新基准，同时为光学通信和时间分辨光谱学领域的创新开辟了有前景的途径。研究结果强调了光纤基光学信号处理的潜力，最终为提升光学系统在科学和工业应用中的效率、可小型化和多功能性铺平了道路。特别值得关注的是，该设计将操作波长扩展至2000 nm波段，为激光手术、光谱学和电信应用提供了新的可能性，其中2000 nm波长因其在水中高吸收特性而成为微创手术的理想选择，同时在光谱学中针对特征分子振动波段增强了材料分析精度。