三层负曲率空芯反谐振光纤在S+C+L波段的低损耗、低色散与高工艺容差研究

《Ophthalmology Retina》：Three-layer negative curvature hollow core anti-resonant fiber with low-loss, low dispersion and high manufacturing tolerance in S + C + L band

本文报道了一种三层负曲率空芯反谐振光纤（HC-ARF），其在S+C+L波段（165 nm范围）实现≤0.135 dB/km的超低损耗传输，兼具低色散、大模场面积（1550 nm处达325.8 μm2）和高非线性阈值。通过系统分析弯曲耐受性、几何尺寸误差、嵌套管嵌入深度与错位等工艺缺陷对限制损耗（CL）的影响，证明该结构具备优异的工艺适应性和缺陷容限，为光纤通信、能量传输、光学传感和非线性光学等应用提供了高性能传输介质。

　　

Highlight

我们设计的低损耗三层负曲率空芯反谐振光纤（HC-ARF）在S+C+L全波段展现出卓越的宽带低损耗性能（≤0.135 dB/km），同时具备显著优化的色散与偏振模散特性。值得注意的是，其基模有效面积是传统单模光纤的三倍，这意味着更低的非线性系数和更高的功率阈值。此外，我们对光纤的制造容差进行了深入分析，包括抗弯曲性能、几何尺寸误差、嵌套管嵌入深度以及内管错位对限制损耗（CL）的影响。结果表明，该结构具有良好的工艺适应性和对实际拉丝过程中不可避免缺陷的高容限。

理论

空芯反谐振光纤（HC-ARF）的光导机理可通过反谐振反射光波导（ARROW）模型解释。如图1(a)所示，单个圆管厚度为d，石英管折射率为n₁，空气折射率n₂≈1，β_τ和β_z分别表示导模的横向和纵向传播常数。

光纤设计

传输损耗是限制HC-ARF发展的核心因素。由于光在空芯空气中传输，材料吸收与瑞利散射损耗可忽略，限制损耗（CL）成为主要优化目标。我们通过优化三层负曲率结构参数，实现了宽带低损耗特性。

模态特性

研究显示，所设计HC-ARF支持的基模能量集中于空芯区域，受五管结构约束呈五边形分布。在1550 nm波长下，基模有效面积达325.8 μm²，远超传统单模光纤，显著降低了非线性效应风险。

结论

我们提出的三层负曲率HC-ARF在S+C+L波段展现出持续低于0.135 dB/km的限制损耗，凸显其卓越的低损耗宽带传输能力。该光纤在色散控制、模场面积及工艺容差方面均优于传统光纤，为高功率传输、光纤通信和非线性光学应用提供了理想平台。