利用对称约束旋转对准算法实现反谐振空芯光纤的低损耗高效熔接

《Optics & Laser Technology》：Low-loss and highly-efficient splicing of anti-resonant hollow-core fiber using symmetry-constrained rotational alignment algorithm

　　抗谐振空芯光纤（AR-HCF）因其低传输损耗和固有低延迟特性而引起了全球研究界的广泛关注。然而，高效、低损耗的光纤熔接仍是其实用化部署的关键挑战。本文提出一种对称约束旋转对准（SCRA）算法，该算法利用AR-HCF包层的固有结构对称性，大幅压缩了角度搜索空间。通过实现鲁棒的特征提取和抖动补偿垂直滑动搜索方法，SCRA算法在不同AR-HCF几何结构中实现了高精度对准。采用具有5层和6层嵌套管的两种代表性AR-HCF验证了SCRA赋能熔接方法的性能。实验结果表明，对于旋转对称性为72°的5层嵌套管AR-HCF，所提算法在84秒内实现了0.043 dB的平均熔接损耗。同时，旋转对称性较小（60°）的6层嵌套管AR-HCF的熔接时间可进一步缩短至73秒，熔接损耗为0.03 dB。特别地，两种情况下在30次独立熔接试验中均保持了100%的成功率。最后，在5层嵌套管AR-HCF光缆的现场部署中对SCRA算法进行了评估。与采用全360°搜索空间的商用内置轮廓对准（IPA2）模式相比，SCRA实现了更高的对准精度，在14次现场试验中，相对于商用基准平均传输功率提升了0.02 dB。这些结果表明，所提方法为AR-HCF的商业化大规模部署提供了一种鲁棒且高效的解决方案。引言包括人工智能（AI）、大规模云计算和移动通信网络在内的数据密集型应用的快速增长，加剧了对超低延迟和高容量光传输技术的需求。传统实芯光纤通过二氧化硅纤芯导光，日益受到非线性、材料色散和延迟等基本限制的约束。空芯光纤（HCF）将光主要限制在空气而非玻璃中，因此固有地具有更低的延迟、更低的非线性以及大幅降低传输损耗的潜力[1],[2]。例如，具有双层嵌套结构的抗谐振空芯光纤（AR-HCF）在850 nm波长处实现了低至0.33 dB/km的衰减[3]。最近，间隙管辅助型和支撑管型AR-HCF分别实现了0.052 dB/km和0.05 dB/km的损耗[4],[5]。此外，还报道了在66 THz窗口内衰减低于0.1 dB/km的宽带AR-HCF[6]。这些性能优势使AR-HCF成为延迟敏感和吞吐量关键系统（包括分布式计算和下一代数据中心互连）的有力候选者。在实际部署中实现这些性能增益，要求AR-HCF以最小的熔接损耗集成到现有光纤基础设施中。因此，熔接是一项关键使能技术，因为在实际光缆链路中通常每2-3公里就需要一个熔接点，从而产生许多熔接点。然而，赋予AR-HCF优势的微结构包层和空芯导光机制也使得熔接具有挑战性。首先，复杂的嵌套管结构热稳定性差，微米级薄壁在电弧放电时容易塌陷，导致模场畸变和额外熔接损耗。其次，需要精确的方位角对准以抑制两根AR-HCF之间的模廓失配，而现有的熔接工艺仍严重依赖手动调整或全范围旋转搜索，导致效率和重复性受限。第三，空芯结构在切割后容易快速污染，因为环境空气、湿气和微粒可能被吸入开放纤芯，对现场熔接施加了严格的时间窗口。已有大量研究致力于降低AR-HCF与AR-HCF熔接的损耗。Zeng等人通过优化光纤重叠条件和放电参数，在手动辅助旋转对准下实现了5层嵌套管AR-HCF的低损耗、鲁棒电弧放电熔接，10次试验中平均熔接损耗为0.05 dB[7]。Zhang等人展示了不同结构参数下AR-HCF的熔接，确认了空芯参数在AR-HCF熔接中起主要作用[8]。其他手动辅助或工艺优化的研究也报道了低损耗AR-HCF与AR-HCF熔接结果，进一步证实了放电控制和结构变形抑制在降低熔接损耗中的重要性[9],[10]。然而，这些方法仍严重依赖手动方位角调整或经验工艺优化，限制了现场部署的加工效率和重复性。为提高自动化程度，OFS引入了基于侧视图像的自动旋转对准方案[11]。一种代表性的自动实施方案在120秒内实现了0.13 dB的中位熔接损耗，成功率为100%[12]，随后的低损耗熔接研究通过优化旋转对准和电弧放电序列进一步改善了损耗性能[13]。在我们前期的工作中，实现了快速、低损耗、可现场部署的AR-HCF熔接，在30次独立试验中，97秒内最大熔接损耗为0.05 dB，成功率为100%[14]。然而，进一步改善熔接损耗、加工时间和现场鲁棒性之间的平衡对于可扩展的AR-HCF部署仍然至关重要。图1总结了具有代表性的AR-HCF与AR-HCF熔接结果在熔接损耗和加工时间方面的表现。在该比较中，常用的0.05 dB单模光纤熔接损耗标准和100秒加工时间阈值被用作参考边界，以划分低损耗和高效率区域。与传统的辅助手动对准和现有的全范围自动对准方案相比，所提出的对称约束旋转对准（SCRA）方法在5层嵌套管和6层嵌套管AR-HCF中均实现了低熔接损耗和高加工效率的更优组合。基于我们前期关于快速、低损耗、可现场部署AR-HCF熔接的研究[14],[15]，本研究通过优化外部控制算法与商用熔接机之间协调的软硬件控制工作流程，进一步提高了系统级执行效率。在实验室批量测试中，所提方法在84秒内实现了5层嵌套管AR-HCF平均0.043 dB的熔接损耗，在73秒内实现了6层嵌套管AR-HCF平均0.03 dB的熔接损耗，两种情况在30次独立试验中成功率均为100%。此外，本研究还系统地分析了对称约束搜索机制、鲁棒特征提取策略和抖动补偿垂直滑动优化。同时进行了与商用IPA2模式的现场交叉验证，以评估所提方法在实际部署条件下的可靠性，在14次现场试验中平均传输功率提升了0.02 dB。总体而言，这些结果表明SCRA为未来光网络基础设施中AR-HCF的可扩展低损耗集成提供了一条高效且鲁棒的途径。章节片段工作原理图2展示了本研究所研究的两种类型AR-HCF的示意结构。AR-HCF的无节点设计不仅实现了低损耗导光，而且形成了由具有固有旋转对称性的离散管状元件组成的包层。因此，在AR-HCF与AR-HCF熔接过程中，精确的旋转对准至关重要。否则，模廓失配会引入额外的耦合损耗[16]。通过利用旋转对称性，一种……（原文被截断）实验验证为全面评估SCRA算法的性能并验证其应用，我们开发了一个自动化熔接平台，并采用结合定量实验室表征与现场试验验证的双重评估策略。本节首先描述实验装置和参数优化过程，然后对获得的批量熔接结果进行统计分析。最后，我们重点介绍所提方法与……（原文被截断）之间的现场试验性能比较。结论提出了一种对称约束旋转对准（SCRA）算法，用于实现AR-HCF的全自动、低损耗、高效率熔接。该算法利用光纤包层的固有结构对称性，显著简化了角度搜索空间，便于在标准商用硬件上实现实时侧视图像处理。基于中值的多列轮廓聚合、异常列恢复和抖动补偿……（原文被截断）的实现。CRediT作者贡献声明Wei He：撰写—初稿，调查研究。Cong Zhang：撰写—审阅与编辑，监督，经费获取，正式分析。Lipeng Feng：调查研究。Peng Li：资源。Lei Zhang：资源。Jie Luo：资源。Jianping Li：经费获取。Yuwen Qin：监督，项目管理。Songnian Fu：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理。资助本工作部分受国家重点研发计划（2023YFB2906304）、国家自然科学基金（62305071）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515012302）和广东省珠江人才计划引进创新创业团队（2021ZT09X044）资助。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。Wei He | Cong Zhang | Lipeng Feng | Peng Li | Lei Zhang | Jie Luo | Jianping Li | Yuwen Qin | Songnian Fu