《Optical Materials》：Design and fabrication of ultra-compact and low-loss fan-in/fan-out devices based on adiabatic and mode-field manipulation fibers
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光纤渐缩技术中，三步折射率结构光纤通过优化折射率分布显著放宽绝热条件，使单模光纤与四芯光纤的FI/FO设备过渡长度缩短至1.8mm，插入损耗最大0.32dB，为紧凑型空间复用器提供新方案。
张婷玉|陈伟|张俊豪|王飞|马晓宇|耿辉|张小北|庞福飞|王婷云
特种光纤与光接入网络重点实验室，特种光纤与先进通信联合国际研究实验室，中国上海
摘要
在光纤的锥形加工过程中，绝热锥角和模式场的变化会导致熔锥型Fan In/Fan Out（FI/FO）器件的插入损耗（IL）增加。本文提出了一种具有三阶折射率结构的光纤。通过调整光纤的折射率分布，显著放宽了绝热准则，实现了单模光纤（SMF）与多芯光纤（MCF）之间的模式场匹配。实验表明，FI/FO器件的最小理论绝热锥角可增大到3.23°，实际过渡长度大幅缩短至1.8毫米，比以往的研究结果短5倍以上；在1550纳米波长下，该器件的最大插入损耗为0.32分贝。实验验证了我们模型和发现的正确性。这项工作为超紧凑型空间复用器提供了一种可行的解决方案，并具有巨大的应用潜力。
引言
近年来，数据服务需求的指数级增长推动了光学研究社区探索基于少模光纤[[1]]、[2]]、[3]]和多芯光纤（MCF）[[4]]、[5]]、[6]]、[7]]的空间分复用（SDM）技术。Fan-In/Fan-Out（FI/FO）器件是MCF传输系统中的关键组件。目前FI/FO器件的主流制造技术包括熔锥型、光纤束型、飞秒激光写入波导型和自由空间耦合型。
飞秒激光直接写入波导型的制造过程相对复杂，且该波导本身的传输损耗较高[[8]]、[9]]、[10]]、[11]]、[12]]、[13]]。为了避免过大的弯曲损耗，对器件尺寸也有严格的要求。据报道，使用12.7 × 20 × 1毫米3的波导可以实现0.7分贝的平均插入损耗[[10]]。自由空间耦合型的体积较大，容易受到外部干扰[[14,15]]。据报道，φ10 × 100毫米的体积可以实现0.14分贝的平均插入损耗[[11]]。光纤束型需要刻蚀光纤束的包层以匹配MCF的芯间距，然后物理连接MCF和光纤束[[16]]、[17]]、[18]]。在此过程中会使用氧化锆接头、光纤适配器或玻璃管，这些限制了器件的最小尺寸。长度为35–40毫米的光纤束可以实现0.23分贝的平均插入损耗[[16]]。熔锥型以其高可靠性、低损耗和低串扰[[19]]、[20]]、[21]]、[22]]而闻名。然而，这种类型的器件最小尺寸受到绝热准则的限制，锥形过渡区域通常超过15毫米，平均损耗为0.5分贝[[20]]。尽管通过3D打印制造的分束器和模式复用器/解复用器可以实现极小的尺寸，但3D打印成本较高，且采用该方法制造的光学器件传输损耗相对较高[[13,23]]。由于现有的FI/FO器件类型受到尺寸限制，因此需要找到一种低损耗和超紧凑型器件的可行解决方案。
在本文中，我们提出了一种用于制造熔锥型FI/FO器件的绝热光纤（AF）。通过调整我们发现的折射率模型，显著放宽了绝热准则，从而大幅减小了器件尺寸。该光纤在锥形加工前后实现了与单模光纤（SMF）和MCF的模式场匹配，从而大幅降低了插入损耗。通过对绝热性能的分析，我们证明在绝热锥形加工下，锥形光纤束（TFB）的最小过渡长度可缩短至1.8毫米。这种低损耗且紧凑的四芯光纤FI/FO（4CF-FI/FO）器件的实现，证明了我们模型的正确性，并为小型化和高性能SDM器件提供了可行的解决方案。
部分摘录
AF和FI/FO器件的设计与制造
图1展示了使用熔锥法制造4CF-FI/FO器件的示意图。单模光纤（SMF）和四芯光纤（4CF）在结构和光学性能上存在显著差异。因此，需要一种在标准包层直径下具有与单模光纤相似性能的光纤，以实现低损耗的对接耦合。通过常规的光纤束合、锥形加工、切割和熔接，锥形光纤束可以具有相同的芯排列
FI/FO器件的制造与测试
图8展示了FI/FO器件的制造过程示意图。使用光纤预制棒拉拔塔拉出了内径与外径比为0.7的玻璃管。这一比例确保了锥形加工后的腰部直径与4CF的直径紧密匹配，同时防止了锥形加工过程中因壁厚过薄而导致的塌陷。拉拔出的玻璃管随后被切割成100毫米长的段，以便后续组装。
结论
在本文中，我们提出并制造了一种具有三阶折射率结构的绝热光纤（AF），用于制造熔锥型FI/FO器件。与常用的光纤结构和传统的VCF相比，其绝热锥角显著增大，从而缩短了锥形过渡长度。通过调整光纤的结构并分析其绝热性能，该光纤实现了与不同直径的单模光纤（SMF）和四芯光纤（4CF）的模式场匹配，从而大幅降低了插入损耗。
作者贡献声明
张婷玉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理。陈伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金获取，概念构思。张俊豪：可视化处理，数据调查，形式化分析。王飞：数据调查，形式化分析。马晓宇：数据调查。耿辉：数据调查。张小北：资源协调。庞福飞：资源协调。王婷云：资源协调。
研究资助
作者感谢以下机构的资助：江苏省产业前瞻与关键技术重点项目（BE2022055-4）、国家重点研发计划项目（2023YFB3610703）、国家自然科学基金一般项目（编号62275148）、中国船舶工业集团有限公司海洋导航与控制科学技术实验室开放基金（2023010102）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
