Laser Photonics Rev. 多芯光纤内光子器件的高一致性，快速，自适应并行刻写- 大数跨境

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Laser Photonics Rev. 多芯光纤内光子器件的高一致性，快速，自适应并行刻写

两江科技评论

2025-04-17

导读：近日，南京大学现代工学院徐飞教授团队提出了一种针对多芯光纤的自适应、高通量并行刻写策略

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导读

近日，南京大学现代工学院徐飞教授团队提出了一种针对多芯光纤的自适应、高通量并行刻写策略。研究者通过将在线图像识别算法和像差校正模型集成至全息多焦点算法中，可根据多芯光纤的侧面显微图像自适应更新全息图，进而调控飞秒激光产生强度均匀且与纤芯位置相匹配的三维多焦点阵列。研究者成功在七芯光纤中实现了布拉格光栅（FBG）阵列的高质量并行刻写，样品的平均反射率差异小于2 dB。该技术为新一代多芯光纤光子器件的高效制备奠定了基础。

该研究以“Adaptive Parallel Inscription in Multi-Core Fiber”为题发表在国际知名光学期刊Laser & Photonics Reviews上。南京大学徐飞教授为论文通讯作者，博士生刘瀚文为论文第一作者，博士生詹鎏玮、罗俊贤，硕士生陈茂杰亦有重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

研究背景

多芯光纤在光通信、光传感等领域的应用正在蓬勃发展。如何在多芯光纤内实现光子器件的高效率、高质量刻写成为了业内研究的热点。然而，由于每完成某一纤芯的刻写，都需要通过机械装置对光纤的角度和位置进行调节，因此制备效率受限。

为更好满足应用需求，全息多焦点技术成为一种富有潜力的解决方案。然而，要实现高质量并行刻写（图1）存在两方面难点。首先，多芯光纤固有的旋转与扭转将导致纤芯位置不断变化，因此需进行在线监测和焦点位置的动态调整；其次，多芯光纤的圆柱型结构与保护层会导致像差，使不同焦点发生不同程度的畸变，为实现强度均匀、位置准确的三维多焦点阵列造成严峻挑战

图1：多芯光纤中光子器件的自适应并行刻写

研究亮点

亮点1：全息图自适应生成与调用方法

全息图的生成由“计算-刻写-观察-调整”的闭环反馈流程构成。重复上述流程3~5次通常可得到符合要求的效果，最终将经优化的全息图编号并存储至数据集中。

全息图的调用由“角度识别-检索-加载”的流程组成。角度识别主要基于通过课题组先前开发的图像识别算法（Light: Advanced Manufacturing (2024)5:2）。

GSW算法的基本原理是在全息图平面和多个重构平面间反复进行“傅里叶变换-逆傅里叶变换”的迭代。本工作中研究者重点考虑了光纤圆柱形几何结构导致的像差，从而能够更好地适应在多芯光纤中并行刻写的复杂环境。

亮点2：针对光纤几何结构定制的像散校正模型

由于折射率失配，光纤的圆柱形几何结构将导致像散，即子午/弧矢焦面中激光的聚焦深度存在明显差别。此外，像散的严重程度与焦点纵向位置密切相关，越深的焦点受像散的影响越显著。若不加以校正，像散导致的多焦点强度极差将达到约20%，而在校正后各焦点的强度将基本相同。

亮点3：七芯光纤中FBG阵列的高质量并行刻写

研究者分别在普通七芯光纤（图2）和扭转七芯光纤（图3）中进行了FBG的并行刻写。图2 a, b 展示了样品的显微图。样品光谱如图2 c所示。图2 d、e分别展示了节点内反射率极差，芯内反射率极差，以及最小边模抑制比。结果显示，平均节点内反射率极差为1.73 dB，平均芯内反射率极差为1.14 dB。

图2：普通七芯光纤中实现FBG的高质量自适应并行刻写

针对扭转七芯光纤，需根据起始位置和终止位置的旋转角度的均值调用相应全息图，如图3 a, b所示。样品光谱，节点内/芯内反射率极差，以及节点内/芯内最小边模抑制比分别如图3 c-g所示。结果显示，平均节点内反射率极差为1.93 dB，平均芯内反射率极差为1.77 dB。

图3：扭转七芯光纤中实现FBG的高质量自适应并行刻写

总结与展望

通过将飞秒激光直写技术与全息光场调控技术相结合，本研究提出的多焦点并行刻写策略在不损失光谱质量和反射率均匀性的前提下，大幅提高了多芯光纤中光子器件刻写的效率，对推动基于多芯光纤的器件在光信息处理和传感领域的应用具有重要意义。该技术的通用性使其能够拓展至其他光纤内的刻写场景，为先进光纤器件的高通量制备提供了富有前景的解决方案。