Two-photon direct laser writing of beam expansion tapers on single-mode optical fibers

——||| 背景介绍 |||——

单模光纤具有高容量，低损耗的特性，是光学通信系统尤其是长距离链路的最佳选择。但在光纤连接时会遇到很高的损耗，使用透镜来扩展光束可以部分减轻严重的对准公差和高污垢敏感性的问题。基于透镜的连接器最大的缺点在于自由空间连接很容易在透镜表面发生冷凝，这使得其不适合外部的部署。为避免基于透镜连接的缺点，一种方法是利用锥形光纤，通过拉伸减小光纤直径来实现。二是直接扩展光纤直径来实现光束扩展。三是微型燃烧器或电弧防电局部加热光纤使其逐渐变细。但这些方法或多或少都存在一些问题或缺点。

——||| 创新点与结论 |||——

该论文中提出一种空气包层锥形结构，可以将单模光纤的基模无损的传输到物理连接扩展光束连接器3倍大的模场面积，从而放宽了标准单模小尺寸特征所带来的严格对准公差要求。锥形结构本身是利用双光子聚合的直接激光写入技术在切割的光纤端面上制造。两个锥形之间连接的未对准测量显示与模拟结果非常一致，同时测量插入损耗低至0.76 dB表明在未对准公差放宽和可实现的插入损耗之间存在折衷。

——||| 图文一览 |||——

图1：物理接触扩展了两个锥形光纤的光束连接图

小结：箭头表示光束在锥形区域内扩展的原理，图中尺寸不按比例，就目前而言，仅能够制造锥形芯包层为空气的结构。

图2：测量通信波长下光刻胶折射率的实验装置图

小结：该原理是基于光纤端面的菲涅尔反射。利用2x2的SMF耦合器，输入激光为1310nm和1530nm，反射光利用光功率计测量。

图3：IP-DIP光刻胶进行单光子聚合时RI测量

上图：在IP-DIP光刻胶的UV固化期间测量的折射率。

底部：UV固化期间光刻胶内部的温度变化。

（1）区域给出液体光刻胶的测量值；（2）显示UV照射期间的测量；（3）关闭UV后测量。

小结：利用紫外光进行曝光，期间利用热电偶以及上述装置分别测量温度和折射率，测量结果如表1所示。

表1：室温下IP-DIP的折射率的测量平均值和标准偏差

小结：实验重复了三次，测量材料的平均值和测量不确定度。

图4：对1550nm处的光纤锥形结构的模拟仿真结果图

小结：光纤中基模的传输是锥形长度的函数。可以看出在241.4um时为96.5%基模的理论传输上限。

图5：光纤端面制造的锥形结构的尺寸图。

小结：该基板结构（虚线轮廓）被加入来增加锥形结构在光纤端面的粘附性。

图6：模拟1550nm从光纤锥形输入输出的模式。

小结：显示了锥形的输入和输出的模式场，其中的模场面积有效的实现了3倍的宽展。模拟中没有考虑材料的吸收，

图7：双光子聚合直接激光写入浸入结构中光纤端面上的示意图。

小结：飞秒脉冲光纤激光器输出780nm激光，重复频率80MHz，脉冲持续时间100fs。通过63X显微物镜聚焦到光刻胶材料中，NA=1.4。

图8：光纤端面锥形结构的SEM图

图9：8个相同的锥形结构在8光纤阵列V型槽上的SEM图

小结：将这种制造工艺扩展到多光纤阵列，设计专门的V型槽来固定光纤。

图10：使用六轴定位系统对准两个锥形单模光纤。

小结：利用该装置来测量锥形连接的总插入损耗为0.76dB。

图11：非锥形SMF-SMF连接和锥形-锥形连接，光传输的测量和模拟作为横向未对准的函数的比较图

小结：通过横线向移动一端光纤来测量传输功率，同时测量横向为对准公差。测量结果和仿真一致，说明光束放大3倍的目标得到实现。

——||| 点评 |||——

该研究实现展示了3D打印锥形结构的设计和激光直写的制造，实现了将模式轮廓扩展了3倍，从而放宽了由于光纤小尺寸特征所带来的严格对准公差。双光子直接激光写入技术允许在亚微米分辨率下的完全设计自由度。在光纤尖端上制造折射，衍射和波导结构的能力可以为数据通信和电信应用以及用于研究和工业中的特定目的的特种光纤带来更多机会。

K. Vanmol et al., "Two-photon direct laser writing of beam expansion tapers on single-mode optical fibers," Optics and Laser Technology 112(292-298 (2019).

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.11.028

翻译作者：秦燕亮