基于聚合物双空心芯反谐振光纤的超短宽带耦合器在E+S+C+L+U波段的创新研究

为解决空心芯光纤（HCF）系统中适配耦合器短缺的问题，研究人员提出了一种基于聚合物双空心芯反谐振光纤（DHC-ARF）的超短宽带耦合器。通过引入椭圆形管形成空气间隙通道和椭圆状纤芯，有效抑制了波长和偏振依赖性，实现了5.03 mm超短长度下370 nm带宽（1.305–1.675 μm）的稳定3 dB耦合，耦合比差异控制在±0.82%，损耗低至0.025±0.013 dB。该设计采用高精度3D打印技术，为下一代高速大容量空心芯光纤通信系统提供了实用化解决方案。

　　

在光纤通信领域，空心芯光纤（Hollow-Core Fiber, HCF）因其低延迟、近乎零的非线性效应和抗温度敏感性等优势，被视为突破传统固态光纤性能瓶颈的关键技术。然而，HCF系统的实际应用长期受限于一个“卡脖子”难题——缺乏与之匹配的高性能耦合器。现有解决方案多依赖固态光纤耦合器，导致高达3.5%的菲涅尔反射损耗和模式失配问题。更棘手的是，传统双空心芯反谐振光纤（Dual-Hollow-Core Anti-Resonant Fiber, DHC-ARF）耦合器存在耦合效率低（早期仅1%功率转移）、器件长度过长（可达40厘米）等缺陷，严重制约了HCF系统的紧凑化和实用化进程。

针对这一挑战，北京某高校的研究团队创新性地提出了一种基于聚合物材料的超短宽带DHC-ARF耦合器设计。通过结构优化和先进制造技术的结合，成功将耦合器长度缩短至毫米级（5.03 mm），同时实现覆盖E+S+C+L+U波段（1.305–1.675 μm）的370 nm超宽工作带宽。这项突破性成果发表于《Optical Fiber Technology》，为空心芯光纤通信系统的商业化应用铺平了道路。

研究团队采用有限元仿真和模式耦合理论，系统分析了纤芯形状、空气间隙尺寸（g）和椭圆管参数（e_a
, e_b
）对耦合特性的影响。关键技术包括：1）通过引入椭圆形管构建空气间隙通道，抑制“解耦现象”；2）优化双椭圆状纤芯（Core A/B）的几何对称性，降低偏振相关损耗（PDL）；3）采用聚合物IP-Dip材料结合亚微米级3D打印（最小线宽50 nm）实现复杂结构制备。

结构设计原理
研究提出的DHC-ARF采用x/y轴对称结构，核心创新是在双椭圆状纤芯间嵌入一对椭圆形管形成空气间隙通道。仿真显示，当空气间隙宽度g=7 μm、椭圆管长轴e_a
=20 μm时，可显著缩短耦合长度L_c
至5.03 mm，较传统结构降低一个数量级。这种设计通过打破包层管壁对模式耦合的阻碍，将功率转换效率提升至50±2%。

波长与偏振特性调控
通过调节纤芯尺寸（d_x
=9.4 μm, d_y
=12 μm）和椭圆管参数（e_b
=14.5 μm），耦合比差异（CRD）被控制在±0.82%以内，在370 nm带宽范围内实现偏振相关损耗<0.1 dB。这种“双椭圆协同调控”策略有效解决了宽带耦合器的波长敏感性问题。

损耗性能优化
测试表明，该耦合器总损耗仅为0.025±0.013 dB，主要得益于：1）椭圆管结构减少包层接触点引起的散射损耗；2）聚合物材料（折射率1.52）与空气芯的低折射率差（Δn≈0.52）抑制了泄漏损耗。相较石英基DHC-ARF耦合器，损耗降低约60%。

制造可行性验证
研究特别论证了采用双光子聚合3D打印（深圳某公司D100型号）制备该结构的可行性。通过设置0.5 μm壁厚和12 μm最小空气通道的加工参数，可满足亚波长尺度结构的精度要求，且与标准HCF的熔接损耗<0.3 dB。

这项研究的意义在于：1）首次实现毫米级超短HCF耦合器，突破传统厘米级尺寸限制；2）创纪录的370 nm带宽覆盖全部通信波段；3）开创性地采用聚合物材料结合3D打印技术，为复杂微结构光纤提供低成本量产方案。Zhufeng Sheng和Yuying Guo等作者指出，该成果将直接推动数据中心低延迟传输、光纤陀螺仪等应用的发展。未来通过优化材料紫外固化工艺，有望进一步将工作波段扩展至中红外区域。