翻譯自Yongmin Jung, Jing Meng, Kerrianne Harrington, Hesham Sakr等人的文章

空芯光纖（HCF）與激光二極管或光電二極管的直接互連，是充分發(fā)揮空芯光纖獨特特性的關(guān)鍵 —— 這類互連（即空芯光纖的耦合）是成像等場景中特定模式光耦合的兩種常用方法之一。本文研究了工作波長 850 nm 的單模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）與空芯光纖的互連。研究結(jié)果表明：直接（無透鏡）耦合的效率極低（僅約 10%），這是因為空芯光纖的模場直徑（MFD）與波導(dǎo)光纖的模場直徑不匹配。不過，通過使用梯度折射率光纖模場直徑轉(zhuǎn)換器，耦合效率可顯著提升至約 69%；而采用雙透鏡系統(tǒng)，則能實現(xiàn)近 98% 的超高耦合效率。

1. 引言

近年來，空芯光纖（HCFs）[1-3]憑借其獨特的光學(xué)特性受到廣泛關(guān)注，這些特性包括：低光學(xué)損耗、低非線性效應(yīng)、低玻璃模式重疊、高光學(xué)損傷閾值，以及能夠覆蓋實心石英光纖難以觸及波段的寬傳輸帶寬。這些優(yōu)異特性使其適用于多種應(yīng)用場景，例如光通信、高功率激光束傳輸、高精度傳感器與拉曼光譜分析等[4-7]。尤其在通信領(lǐng)域，空芯光纖有望通過支持低延遲應(yīng)用、實現(xiàn)更寬帶寬、更低非線性與更低色散的光纖容量擴(kuò)展，推動通信行業(yè)變革。此外，空芯光纖可在寬波長范圍內(nèi)傳輸高功率激光束，近期研究已證實其能處理1.07 μm波段功率達(dá)9 kW的連續(xù)波激光器，以及2.94 μm波段脈沖能量達(dá)14 mJ的激光[8]。然而，要實現(xiàn)空芯光纖的實際應(yīng)用，需開發(fā)可靠的空芯光纖互連技術(shù)，以實現(xiàn)與固態(tài)元件的有效集成?？招竟饫w互連的主要挑戰(zhàn)包括：降低實心光纖與空芯光纖間的菲涅爾反射、確?？招竟饫w中的純模式激發(fā)，以及在不破壞光纖結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行密封，以維持互連處的低損耗。近期，微光學(xué)器件中的光纖 - 微光纖準(zhǔn)直器技術(shù)已解決部分此類挑戰(zhàn)：該技術(shù)在約10 mm的氣隙中實現(xiàn)了低至-1 dB的插入損耗，還基于此技術(shù)開發(fā)出封裝隔離器/濾波器器件陣列[9]。盡管這些進(jìn)展為空芯光纖互連帶來了顯著提升，但仍需進(jìn)一步研究以優(yōu)化空芯光纖在實際應(yīng)用中的集成效果。

要充分發(fā)揮空芯光纖（HCFs）的獨特特性，關(guān)鍵互連需求之一是實現(xiàn)空芯光纖與激光二極管或光電二極管的直接對接。盡管針對基于實心光纖的光纖耦合光器件已有大量研究，但關(guān)于激光二極管與空芯光纖耦合的報道卻十分有限。在某些應(yīng)用場景中，即使是短段的實心光纖也可能并非光譜兼容或成本高效的選擇——尤其是在紫外（UV）或中紅外（mid-IR）光譜區(qū)域，空芯光纖因低傳輸損耗和偏振穩(wěn)定性，在此類波段中愈發(fā)受到青睞?？招竟饫w的直接互連無需實心光纖的顯著過渡段，可提升傳輸穩(wěn)定性并保持光束質(zhì)量。例如，硅基量子級聯(lián)激光器（QCLs）與空芯光纖的直接耦合，可能是最大限度降低傳輸電纜成本、減少級聯(lián)損耗與反射的最簡途徑，同時可提升中紅外應(yīng)用的性能。此外，在延遲為關(guān)鍵參數(shù)的場景（如數(shù)據(jù)中心應(yīng)用）中，直接互連至關(guān)重要——空芯光纖在降低延遲與色散的同時，還能提升光譜帶寬與傳輸距離。

本文針對垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）與空芯光纖（HCFs）之間的光互連挑戰(zhàn)展開研究，重點關(guān)注兩種不同方法：直接對接耦合與簡易雙透鏡成像耦合。通過研究，我們深入掌握了VCSEL與HCF之間的耦合特性，并驗證了這兩種互連方案的有效性。本研究成果為開發(fā)高效、可靠且成本可控的空芯光纖互連技術(shù)這一持續(xù)研究方向，提供了重要貢獻(xiàn)。

2. 垂直腔面發(fā)射激光器與空芯光纖的直接光纖對接耦合

首先，我們將光纖對接耦合作為VCSEL與HCF互連的最簡方法開展研究：該方法需將HCF的端面緊鄰VCSEL的出光口放置，如圖1(a)所示。與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比，VCSEL具備多項優(yōu)勢：例如波長穩(wěn)定性優(yōu)異，對溫度變化相對不敏感；同時光束質(zhì)量出色，便于耦合入光纖。本研究中，我們選用單模850 nm VCSEL（LRC850SP2，Laser Components公司），其最大輸出功率為1.4 mW，光束輪廓為規(guī)整的高斯型——這一選擇不僅簡化了實驗裝置，也為與HCF的無縫耦合提供了便利。經(jīng)測定，該VCSEL的發(fā)散角為22°（對應(yīng)光強(qiáng)峰值點），數(shù)值孔徑約為0.19，光斑尺寸約為0.7 μm。圖1(b)為VCSEL的頂部顯微圖像，可清晰看到其出光口（垂直于芯片表面發(fā)光），而電連接點位于出光口外約75 μm處。需說明的是，該VCSEL初始封裝于密封TO-46金屬外殼中，但為滿足顯微成像與直接對接耦合實驗的需求，我們拆除了其保護(hù)玻璃窗口。本研究采用的是空芯光纖為最新型嵌套反諧振無節(jié)點光纖（NANF）：圖1(c)為該光纖的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其包層包含6個嵌套反諧振毛細(xì)管——這種嵌套/多環(huán)結(jié)構(gòu)相比單環(huán)結(jié)構(gòu)，可顯著增強(qiáng)光約束效果、降低損耗，從而實現(xiàn)高效光傳輸。該HCF的關(guān)鍵物理尺寸如下：空芯直徑27 μm，微結(jié)構(gòu)包層直徑75 μm，光纖總直徑204 μm。值得注意的是，這類NANF的纖芯直徑通常較大（約為工作光波長的30倍），導(dǎo)致模場直徑（MFD）也較大（約18.9 μm），相當(dāng)于纖芯直徑的70%。其纖芯處的玻璃膜厚度約為470 nm，接近工作光波長（850 nm）的一半，該厚度是850 nm波段高效導(dǎo)光的優(yōu)化設(shè)計。我們利用COMSOL軟件進(jìn)行了嚴(yán)格仿真，結(jié)果顯示：HCF的基模呈現(xiàn)近似高斯分布（如圖1(d)所示），且計算得到的光束輪廓與標(biāo)準(zhǔn)高斯光束高度吻合，重疊因子超過98%。在850 nm波段下，該光纖的實測損耗約為1.4 dB/km，低于商用實心單模光纖（如780HP在850 nm波段的損耗約為3.5 dB/km）。本實驗中使用的HCF總長為1.04 km。

我們將VCSEL固定安裝在溫控激光支架上，該支架由半導(dǎo)體制冷器（TEC）穩(wěn)定控溫，溫度設(shè)定為20℃左右。隨后，我們將HCF端面切割成傾角小于1?的平整切面，并將其放置在V型槽光纖夾具中——該夾具安裝在多軸精密光學(xué)對準(zhǔn)平臺上。借助顯微鏡，我們將VCSEL出光口與光纖端面精準(zhǔn)對準(zhǔn)，確保二者近距離靠近但無物理接觸。完成初步對準(zhǔn)后，我們通過光功率計微調(diào)對準(zhǔn)參數(shù)，直至輸出功率達(dá)到最大值，但最終耦合效率僅在最優(yōu)位置實現(xiàn)約10%。這一低效率主要源于VCSEL與HCF之間顯著的模場直徑（MFD）失配：VCSEL出光口尺寸通常為亞微米至微米級（處于有源區(qū)范圍內(nèi)），而HCF在850 nm波段的模場直徑約為18.9 μm，二者模場直徑相差一個數(shù)量級。此外，距離VCSEL出光口約75 μm處的鍵合線（如圖1(b)所示），因HCF外徑較大（204 μm），也阻礙了對出光口的近距離對準(zhǔn)操作。為評估軸向位移公差，我們將HCF置于VCSEL最大耦合效率的對準(zhǔn)點，再沿軸向調(diào)整位置：如圖3(a)所示，隨著HCF遠(yuǎn)離出光口，耦合損耗因模場失配加劇而增大；我們測得軸向位移公差為1 dB（對應(yīng)位移約200 μm）。有趣的是，在靠近VCSEL的距離范圍內(nèi)，耦合效率相對穩(wěn)定，我們認(rèn)為這與模場失配及光束發(fā)散特性相關(guān)，目前正通過仿真進(jìn)一步研究這一現(xiàn)象。為分析橫向偏移公差，我們在最優(yōu)對準(zhǔn)位置對HCF進(jìn)行二維掃描[14]：在50 μm×50 μm的區(qū)域內(nèi)，以100×100步長網(wǎng)格采樣。如圖2(b)所示，HCF的光束輪廓呈現(xiàn)六邊形形狀，這是VCSEL芯片與HCF之間光強(qiáng)重疊的結(jié)果。實測橫向公差約為13 μm——這表明HCF與VCSEL的對接耦合效率雖較低，但相比傳統(tǒng)實心單模光纖（SMFs），其對橫向與軸向位移的公差顯著更大。

3. 基于梯度折射率光纖透鏡的增強(qiáng)型光纖對接耦合

為提升光纖對接耦合的效率，我們在HCF的輸入端端面采用了梯度折射率光纖（GIF）透鏡元件，如圖3(a)所示。該技術(shù)通過單個透鏡實現(xiàn)成像，且可通過調(diào)整物的放大倍率來改變光束的模場直徑（MFD）。我們的設(shè)計方案是：將GIF作為緊湊型透鏡元件，與無芯光纖（CSF）段配合使用（CSF段起間隔作用）。通過選擇合適的兩種光纖長度，可快速構(gòu)建緊湊型全光纖模場直徑轉(zhuǎn)換器。這種基于GIF透鏡的全光纖結(jié)構(gòu)，此前已被用于：通過調(diào)整模場直徑失配，降低兩種不同單模光纖間的熔接損耗[15]；以及實現(xiàn)不同纖芯間距的多芯光纖間的低損耗光互連[16]。我們首先采用光束傳播法（BPM）對所提光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真：選用纖芯直徑50 μm的商用多模梯度折射率光纖作為GIF，結(jié)果顯示，使耦合效率最大化的GIF與CSF的最優(yōu)光纖段長度分別為240 μm和850 μm。如圖3(b)所示，VCSEL的發(fā)散光經(jīng)GIF后會被準(zhǔn)直，且耦合效率隨CSF長度的增加而逐漸提升——這一效率增強(qiáng)主要源于放大過程，該過程會增大像平面處的模場直徑。通過這種方法，我們的仿真結(jié)果顯示可實現(xiàn)約90%的耦合效率。

為驗證仿真結(jié)果，我們制備了全光纖模場直徑轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)VCSEL與HCF的高效光互連：該轉(zhuǎn)換器由230 μm長的GIF段與CSF段熔接而成，CSF端面與HCF對接。為保證精度與可靠性，我們借助高精度切割刀、平移臺與顯微鏡來操控光纖長度[17]。制備過程中，我們觀察到HCF的薄玻璃膜在熔接弧光下易發(fā)生變形，因此調(diào)整了方案：將原計劃的850 μm CSF段替換為700 μm的更短段（假設(shè)膜塌陷區(qū)域約為150 μm）。需說明的是，我們認(rèn)為該區(qū)域的管收縮可有效增加GIF與HCF間的間距，圖4(a)為所制備模場直徑轉(zhuǎn)換器的顯微圖像。實測得到的光纖段長度分別為250 μm（GIF）與710 μm（CSF），這表明我們的高精度切割刀定位精度可達(dá)約10 μm。利用該模場直徑轉(zhuǎn)換器對光纖耦合進(jìn)行測試，結(jié)果顯示耦合效率顯著提升，最高達(dá)到約69%（對應(yīng)損耗1 dB）——這一效率是HCF直接對接耦合的近7倍。不過，實測效率略低于仿真的理論值90%（相差0.45 dB損耗），這可能是由于GIF的摻雜擴(kuò)散、長度的不準(zhǔn)確假設(shè)，或是光纖熔接過程中微結(jié)構(gòu)塌陷所致。我們認(rèn)為，未來通過更好地控制光纖長度與熔接參數(shù)，這一性能可進(jìn)一步優(yōu)化。此外，我們測試了該全光纖模場直徑轉(zhuǎn)換器的軸向與橫向偏移公差，發(fā)現(xiàn)1 dB對準(zhǔn)公差分別降至5 μm與1.3 μm。這一公差的減小主要源于模場直徑的縮小，因此需要更精細(xì)地主動對準(zhǔn)HCF以降低耦合損耗。在圖4(c)的二維等高線圖中可觀察到一條明顯的條紋，這是出光口外約75 μm處電連接鍵合線的影響——當(dāng)光纖在出光口附近掃描時，該條紋會顯現(xiàn)出來。

4. 簡易雙透鏡系統(tǒng)

作為實現(xiàn)HCF與VCSEL芯片直接互連的替代方案，我們采用了簡易雙透鏡系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過集成兩個透鏡（圖5(a)中的L1與L2）有效控制模場直徑失配，以保障最優(yōu)性能。其中，短焦距的第一塊透鏡（L1）負(fù)責(zé)準(zhǔn)直VCSEL的光束，長焦距的第二塊透鏡（L2）則將光束聚焦入HCF——模場直徑的放大倍率由兩塊透鏡的焦距比決定。我們借助Zemax仿真工具輔助該雙透鏡系統(tǒng)的設(shè)計：仿真中，將HCF視為850 nm波段下具有相同模場直徑的簡單階躍折射率光纖，以簡化耦合效率的計算。選用短焦距（4.5 mm）的非球面透鏡作為準(zhǔn)直鏡，因此只需改變L2的焦距，即可在寬范圍內(nèi)靈活調(diào)整放大倍率，從而搜索L2的最優(yōu)參數(shù)。圖5(b)展示了L2焦距對應(yīng)的計算耦合效率（黑色曲線為模擬數(shù)據(jù)點）：仿真結(jié)果表明，L2焦距為26 mm時，耦合入HCF基模的效果最佳，最大耦合效率約為98%；即使L2焦距在23.7 mm至30.5 mm的小范圍內(nèi)波動，耦合效率仍保持在95%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。值得注意的是，相比長焦距透鏡，短焦距透鏡的耦合損耗增長更快。為驗證仿真結(jié)果，我們開展實驗測試了不同L2焦距下的性能，測量結(jié)果如圖5(b)中的紅色曲線所示：實驗與仿真的變化趨勢高度一致——當(dāng)L2焦距為18.4 mm時，耦合效率達(dá)到最大值約96%，與理論估算值接近。此外，光在1.04 km長的HCF中傳輸后，通過分析遠(yuǎn)場光束輪廓（圖5(b)的插圖所示），可確認(rèn)其仍處于基模模式。

5. 結(jié)論

本研究聚焦于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）與空芯光纖（HCF）之間的光互連，具體探究了兩種HCF互連方法：直接對接耦合與簡易雙透鏡成像。研究結(jié)果表明：由于顯著的模場直徑失配，簡易直接對接耦合（即無透鏡）的耦合效率較低（約10%）。不過，通過采用基于梯度折射率光纖透鏡的全光纖模場直徑轉(zhuǎn)換器，我們將耦合效率提升至約69%，這與仿真得到的90%耦合效率大致一致。我們還探索了雙透鏡系統(tǒng)的應(yīng)用：通過選用合適的透鏡組合，該系統(tǒng)表現(xiàn)出極高的有效性，實現(xiàn)了約96%的耦合效率。未來的研究將涉及不同波段下其他半導(dǎo)體激光器與HCF的耦合，尤其是中紅外量子級聯(lián)激光器（QCLs）及可見光/紫外激光二極管。

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)半導(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯誤，共同進(jìn)步。

天津見合八方光電科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家專注國產(chǎn)半導(dǎo)體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產(chǎn)品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬級超凈間實驗室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進(jìn)行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務(wù)。

審核編輯 黃宇