基于椭圆嵌套单元的超低损耗空芯反谐振光纤设计与性能研究

《IEEE Photonics Journal》：Ultralow loss hollow-core anti-resonant fiber with elliptical nested elements

本刊推荐：为解决空芯反谐振光纤（HC-ARF）的损耗抑制难题，研究人员开展了具有椭圆嵌套单元和三重复合包层结构的超低损耗光纤设计研究。通过有限元法优化结构参数，在1380-1700 nm波段实现4.63×10-5dB/km以下的限制损耗（CL），1550 nm波长处最低损耗达3.29×10-6dB/km，弯曲半径6 cm时弯曲损耗（BL）低于5.8×10-3dB/km。该结构为长距离通信和分布式传感系统提供了新型光子器件解决方案。

　　

在光通信技术飞速发展的今天，传统石英光纤的损耗已接近理论极限，而空芯反谐振光纤（Hollow-Core Anti-Resonant Fiber, HC-ARF）因其能将光场约束在空气中传输，展现出更低的非线性效应和更高的损伤阈值，成为突破传输瓶颈的新希望。然而，如何进一步降低限制损耗（Confinement Loss, CL）仍是该领域的研究难点。近年来，研究者通过引入嵌套结构、优化管壁形状等策略不断探索损耗抑制方案，但常规圆形嵌套结构在1550 nm通信波段的损耗仍维持在较高水平。

针对这一挑战，广西师范大学与深圳技术大学联合团队在《IEEE Photonics Journal》发表最新研究成果，提出了一种采用椭圆嵌套单元的三重复合包层空芯反谐振光纤新结构。该设计通过将传统圆形嵌套管替换为椭圆单元，结合六组辅助补偿管，实现了限制损耗的跨越式降低。

研究采用有限元法（Finite Element Method, FEM）进行全矢量仿真分析，通过完美匹配层（PML）厚度和网格尺寸的收敛性测试确保计算精度。系统优化了包层管直径（D_t）、反谐振管厚度（t）、椭圆管半短轴（R/2）、长短轴比（s/r）和小管半径（d/2）等关键参数，并利用等效直波导模型分析弯曲损耗特性。

参数优化分析

通过扫描各结构参数对限制损耗的影响规律，研究团队确定了最优参数组合：当包层管直径D_t=47.1 μm时，可平衡管间间隙与模式泄漏矛盾；反谐振管厚度t=510 nm时在1550 nm处获得最低损耗3.29×10^-6dB/km；椭圆管半短轴R/2=11 μm、长短轴比s/r=1.75时能有效抑制Fano共振；小管半径d/2=5.5 μm时间隙补偿效果最优。

弯曲损耗特性

弯曲性能测试表明，当弯曲半径R_b>6 cm时，弯曲损耗稳定在10^-5dB/km量级。在R_b=6 cm临界值时，损耗为5.8×10^-3dB/km，且每旋转60°呈现周期性变化规律，30°和90°方位角时损耗最低。该结构因包层区域更多空气分布而展现出优于传统结构的抗弯曲性能。

表面散射损耗评估

表面散射损耗（Surface Scattering Loss, SSL）分析显示，椭圆嵌套结构有效降低了光场与玻璃界面的重叠积分。在1250-1700 nm波段，SSL始终低于7.8×10^-2dB/km，1550 nm处为1.1×10^-2dB/km，虽高于限制损耗但已优于多数同类结构。

模式特性分析

该光纤支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂和LP₃₁五个核心模式在1400-1600 nm波段传输。LP₀₁模损耗最低（3.29×10^-6dB/km），LP₀₂模损耗最高（0.61 dB/km），高阶模抑制比（HOMER）在1550 nm处达106，既满足单模传输需求，又具备少模传输潜力。

制造容差分析

几何尺寸偏差研究表明：Dt∈[46.3,47.3]μm、t∈[465,525]nm、R/2∈[10,11.7]μm、s/r∈[1.65,1.9]、d/2∈[4,6.5]μm时仍能保持CL<10^-5dB/km。椭圆包层管旋转角在0-14°范围内波动时，损耗仅从3.85×10^-6dB/km增至4.58×10^-6dB/km，显示优异的结构容错性。

本研究通过创新性的三重复合包层设计与椭圆嵌套单元优化，实现了空芯反谐振光纤在1550 nm波段的超低损耗传输。相比传统双层层叠圆形结构，限制损耗降低两个数量级，同时兼具优异的弯曲性能与模式调控能力。该工作为下一代长距离通信、光纤气体激光器和分布式传感系统提供了新型光子器件设计范式，其提出的椭圆嵌套架构为突破空芯光纤损耗极限开辟了新路径。随着Axi-Stack等精密加工技术的发展，这种复杂结构光纤的大规模制备有望在不久的将来成为现实。