《Optics & Laser Technology》：Fully-assembled low-loss fan-in/fan-out device by laser direct writing for coupled-core fiber
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采用飞秒激光直写技术制备三维光子互连芯片，成功实现低损耗（平均插入损耗0.63 dB）的19 μm芯距耦合多芯光纤Fan-in/Fan-out器件，尺寸紧凑，为空间复用技术发展提供新方案。
余风瑞|马琳|白琳斌|熊俊杰|徐明珠|陈晓科|何祖源
上海交通大学光子与通信国家重点实验室，中国上海200240
摘要
我们展示了通过飞秒激光直接写入（FLDW）三维光子互连芯片（3D-PIC）实现的全组装低损耗扇入/扇出（FI/FO）器件，用于耦合芯多芯光纤。采用多扫描方法，3D-PIC中制造的直波导在1550纳米波长下的传播损耗约为0.2 dB/cm，与单模光纤的耦合损耗为0.1 dB/面。对于19微米芯间距的耦合四芯光纤（CC-4CF），经过平面光波电路（PLC）常用的全组装工艺后，其平均插入损耗低至0.63 dB。3D-PIC及组装好的FI/FO器件的尺寸紧凑，分别为约10毫米×6.5毫米和27毫米×6.5毫米。我们的结果表明，FLDW技术能够制造出具有更复杂芯排列和更多芯数的低损耗FI/FO器件，这对空间分复用技术的发展具有重大潜力。
引言
近几十年来，空间分复用（SDM）技术[1]、[2]、[3]、[4]作为解决即将到来的“容量危机”的有希望的解决方案而被广泛研究。少模光纤（FMFs）和多芯光纤（MCFs）已成为SDM技术的关键传输介质[5]、[6]、[7]、[8]。MCFs在数据中心互连应用和长途海底电缆中的应用已成功验证[9]、[10]。MCFs通常分为弱耦合MCFs（WC-MCFs）和耦合MCFs（CC-MCFs）[11]。与WC-MCFs相比，CC-MCFs通常具有更小的芯间距，并在传播过程中表现出随机耦合，从而实现更高的SDM密度、降低的空间模式色散和减轻的非线性效应[2]，使其成为长途传输应用的有力候选者。
扇入/扇出（FI/FO）器件是将MCFs与传统的单模光纤（SMF）传输系统匹配不可或缺的组件。FI/FO器件促进了SMF和MCF之间的高效耦合。制造FI/FO器件主要有三种方法：自由空间光学[13]、[14]、[15]、全光纤型[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，以及飞秒激光直接写入技术（FLDW）[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。自由空间耦合方法具有较高的耦合效率。已证明自由空间FI/FO器件[14]可以连接弱耦合的四芯光纤，在1550纳米波长下实现平均插入损耗0.38 dB和串扰小于-46 dB。然而，其实际应用受到结构复杂性的限制。全光纤型器件可分为光纤束和光纤熔锥两种类型。光纤束FI/FO器件因低插入损耗、低串扰和与光纤通信系统的良好兼容性而被用于长途传输实验。光纤束[16]在连接WC-MCFs时表现出优异的性能，1550纳米波长下的最大和最小插入损耗分别小于0.4 dB和0.1 dB。然而，随着芯间距的减小，光纤束过于脆弱，无法进行刻蚀，因此仅适用于WC-MCF的FI/FO应用。光纤熔锥适用于WC-MCFs和CC-MCFs。一种用于弱耦合七芯光纤的光纤熔锥[19]在C波段实现了低于0.50 dB的插入损耗和小于-55.2 dB的串扰。全光纤熔锥[20]、[21]也被证明可以连接芯间距小于19微米的CC-4CF，在1550纳米波长下实现1.0 dB的插入损耗。然而，随着芯间距的减小和芯数的增加，制造过程变得非常具有挑战性。另一方面，FLDW提供了一种替代方案，可以实现更多通道和更小芯间距的FI/FO器件。此外，FLDW还具有真正的3D设计灵活性、高定位精度和紧凑性等优点。大多数基于FLDW的FI/FO器件都集中在WC-MCFs上[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。已展示了一种用于69.5微米芯间距的弱耦合三芯光纤的FI/FO器件，在组装前的平均插入损耗为1.33 dB，串扰小于-49 dB[27]。然而，关于基于FLDW的CC-MCF FI/FO器件的报道较少，且缺乏全面的研究。尽管已在传输系统中使用了平均插入损耗为0.8 dB的激光刻写耦合19芯光纤FI/FO器件，但关于其实现和测试方法的细节尚未公开[32]。对于基于FLDW的FI/FO器件，将SMF阵列和MCF组装到玻璃芯片上是关键步骤，这可能会因错位引入额外损耗。因此，只有完全组装好的FI/FO器件才能准确反映其特性（如插入损耗），而这在大多数研究中尚未讨论。
我们使用FLDW三维光子互连芯片（3D-PIC）制造了19微米芯间距CC-4CF的全组装低损耗紧凑型FI/FO器件。通过实施多扫描方法，成功制造了在1550纳米波长下具有约0.2 dB/cm传播损耗和0.1 dB/面的耦合损耗的直波导。经过平面光波电路（PLC）常用的组装工艺后，这些FI/FO器件的平均插入损耗为0.63 dB，最大错位损耗约为0.34 dB。据我们所知，这是使用FLDW制造的CC-MCF FI/FO器件中报告的最低插入损耗。3D-PIC的尺寸为10毫米×6.5毫米，而组装好的FI/FO器件的整体尺寸为27毫米×6.5毫米。这种方法可以进一步用于制造具有更多芯数和更复杂芯排列的MCFs的FI/FO器件。
实验部分
实验
FI/FO器件是使用图1所示的FLDW系统制造的。实验中的波导是在XYZ舞台上定位的硼铝硅酸盐玻璃中加工的。使用波长为1030纳米、重复率为300 kHz、脉冲持续时间为370 fs的飞秒激光。飞秒激光功率由两个偏振器控制。在制造过程中，能量为1-μJ/脉冲的飞秒脉冲聚焦在基板下方约100 μm的深度处
低损耗波导的制造与表征
飞秒激光以其超短脉冲持续时间和高峰值能量密度[33]、[34]而被广泛应用于包括低损耗波导直接写入[27]、[28]、纳米级图案化[35]、[36]、激光诱导周期性表面结构[37]、[38]和3D微结构加工[39]、[40]等应用中。为了最小化与高重复率相关的热积累效应，选择了低重复率的飞秒激光加工条件讨论与结论
在这项工作中，展示了使用FLDW制造的全组装低损耗紧凑型FI/FO器件。器件的插入损耗主要受两个因素影响：传播损耗和耦合损耗。通过使用相同坐标上的重写扫描技术，最小化了制造出的FI/FO器件的传播损耗，提高了波导的均匀性并减少了侧壁粗糙度。通过改变多扫描次数和间距，最小化了耦合损耗
CRediT作者贡献声明
余风瑞：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。马琳：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。白琳斌：资源获取、方法论。熊俊杰：验证、方法论、研究、正式分析。徐明珠：写作 – 审稿与编辑、验证、方法论、数据管理。陈晓科：写作 –
资助
中国国家自然科学基金，项目编号62275150。
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竞争性财务利益或个人关系。
