垂直腔面发射激光器与空芯光纤的直接互连

翻译自Yongmin Jung, Jing Meng, Kerrianne Harrington, Hesham Sakr等人的文章

空芯光纤（HCF）与激光二极管或光电二极管的直接互连，是充分发挥空芯光纤独特特性的关键 —— 这类互连（即空芯光纤的耦合）是成像等场景中特定模式光耦合的两种常用方法之一。本文研究了工作波长 850 nm 的单模垂直腔面发射激光器（VCSEL）与空芯光纤的互连。研究结果表明：直接（无透镜）耦合的效率极低（仅约 10%），这是因为空芯光纤的模场直径（MFD）与波导光纤的模场直径不匹配。不过，通过使用梯度折射率光纤模场直径转换器，耦合效率可显著提升至约 69%；而采用双透镜系统，则能实现近 98% 的超高耦合效率。

1. 引言

近年来，空芯光纤（HCFs）[1-3]凭借其独特的光学特性受到广泛关注，这些特性包括：低光学损耗、低非线性效应、低玻璃模式重叠、高光学损伤阈值，以及能够覆盖实心石英光纤难以触及波段的宽传输带宽。这些优异特性使其适用于多种应用场景，例如光通信、高功率激光束传输、高精度传感器与拉曼光谱分析等[4-7]。尤其在通信领域，空芯光纤有望通过支持低延迟应用、实现更宽带宽、更低非线性与更低色散的光纤容量扩展，推动通信行业变革。此外，空芯光纤可在宽波长范围内传输高功率激光束，近期研究已证实其能处理1.07 μm波段功率达9 kW的连续波激光器，以及2.94 μm波段脉冲能量达14 mJ的激光[8]。然而，要实现空芯光纤的实际应用，需开发可靠的空芯光纤互连技术，以实现与固态元件的有效集成。空芯光纤互连的主要挑战包括：降低实心光纤与空芯光纤间的菲涅尔反射、确保空芯光纤中的纯模式激发，以及在不破坏光纤结构的前提下进行密封，以维持互连处的低损耗。近期，微光学器件中的光纤 - 微光纤准直器技术已解决部分此类挑战：该技术在约10 mm的气隙中实现了低至-1 dB的插入损耗，还基于此技术开发出封装隔离器/滤波器器件阵列[9]。尽管这些进展为空芯光纤互连带来了显著提升，但仍需进一步研究以优化空芯光纤在实际应用中的集成效果。

要充分发挥空芯光纤（HCFs）的独特特性，关键互连需求之一是实现空芯光纤与激光二极管或光电二极管的直接对接。尽管针对基于实心光纤的光纤耦合光器件已有大量研究，但关于激光二极管与空芯光纤耦合的报道却十分有限。在某些应用场景中，即使是短段的实心光纤也可能并非光谱兼容或成本高效的选择——尤其是在紫外（UV）或中红外（mid-IR）光谱区域，空芯光纤因低传输损耗和偏振稳定性，在此类波段中愈发受到青睐。空芯光纤的直接互连无需实心光纤的显著过渡段，可提升传输稳定性并保持光束质量。例如，硅基量子级联激光器（QCLs）与空芯光纤的直接耦合，可能是最大限度降低传输电缆成本、减少级联损耗与反射的最简途径，同时可提升中红外应用的性能。此外，在延迟为关键参数的场景（如数据中心应用）中，直接互连至关重要——空芯光纤在降低延迟与色散的同时，还能提升光谱带宽与传输距离。

本文针对垂直腔面发射激光器（VCSELs）与空芯光纤（HCFs）之间的光互连挑战展开研究，重点关注两种不同方法：直接对接耦合与简易双透镜成像耦合。通过研究，我们深入掌握了VCSEL与HCF之间的耦合特性，并验证了这两种互连方案的有效性。本研究成果为开发高效、可靠且成本可控的空芯光纤互连技术这一持续研究方向，提供了重要贡献。

2. 垂直腔面发射激光器与空芯光纤的直接光纤对接耦合

首先，我们将光纤对接耦合作为VCSEL与HCF互连的最简方法开展研究：该方法需将HCF的端面紧邻VCSEL的出光口放置，如图1(a)所示。与传统边发射激光器相比，VCSEL具备多项优势：例如波长稳定性优异，对温度变化相对不敏感；同时光束质量出色，便于耦合入光纤。本研究中，我们选用单模850 nm VCSEL（LRC850SP2，Laser Components公司），其最大输出功率为1.4 mW，光束轮廓为规整的高斯型——这一选择不仅简化了实验装置，也为与HCF的无缝耦合提供了便利。经测定，该VCSEL的发散角为22°（对应光强峰值点），数值孔径约为0.19，光斑尺寸约为0.7 μm。图1(b)为VCSEL的顶部显微图像，可清晰看到其出光口（垂直于芯片表面发光），而电连接点位于出光口外约75 μm处。需说明的是，该VCSEL初始封装于密封TO-46金属外壳中，但为满足显微成像与直接对接耦合实验的需求，我们拆除了其保护玻璃窗口。本研究采用的是空芯光纤为最新型嵌套反谐振无节点光纤（NANF）：图1(c)为该光纤的截面扫描电子显微镜（SEM）图像，其包层包含6个嵌套反谐振毛细管——这种嵌套/多环结构相比单环结构，可显著增强光约束效果、降低损耗，从而实现高效光传输。该HCF的关键物理尺寸如下：空芯直径27 μm，微结构包层直径75 μm，光纤总直径204 μm。值得注意的是，这类NANF的纤芯直径通常较大（约为工作光波长的30倍），导致模场直径（MFD）也较大（约18.9 μm），相当于纤芯直径的70%。其纤芯处的玻璃膜厚度约为470 nm，接近工作光波长（850 nm）的一半，该厚度是850 nm波段高效导光的优化设计。我们利用COMSOL软件进行了严格仿真，结果显示：HCF的基模呈现近似高斯分布（如图1(d)所示），且计算得到的光束轮廓与标准高斯光束高度吻合，重叠因子超过98%。在850 nm波段下，该光纤的实测损耗约为1.4 dB/km，低于商用实心单模光纤（如780HP在850 nm波段的损耗约为3.5 dB/km）。本实验中使用的HCF总长为1.04 km。

我们将VCSEL固定安装在温控激光支架上，该支架由半导体制冷器（TEC）稳定控温，温度设定为20℃左右。随后，我们将HCF端面切割成倾角小于1˚的平整切面，并将其放置在V型槽光纤夹具中——该夹具安装在多轴精密光学对准平台上。借助显微镜，我们将VCSEL出光口与光纤端面精准对准，确保二者近距离靠近但无物理接触。完成初步对准后，我们通过光功率计微调对准参数，直至输出功率达到最大值，但最终耦合效率仅在最优位置实现约10%。这一低效率主要源于VCSEL与HCF之间显著的模场直径（MFD）失配：VCSEL出光口尺寸通常为亚微米至微米级（处于有源区范围内），而HCF在850 nm波段的模场直径约为18.9 μm，二者模场直径相差一个数量级。此外，距离VCSEL出光口约75 μm处的键合线（如图1(b)所示），因HCF外径较大（204 μm），也阻碍了对出光口的近距离对准操作。为评估轴向位移公差，我们将HCF置于VCSEL最大耦合效率的对准点，再沿轴向调整位置：如图3(a)所示，随着HCF远离出光口，耦合损耗因模场失配加剧而增大；我们测得轴向位移公差为1 dB（对应位移约200 μm）。有趣的是，在靠近VCSEL的距离范围内，耦合效率相对稳定，我们认为这与模场失配及光束发散特性相关，目前正通过仿真进一步研究这一现象。为分析横向偏移公差，我们在最优对准位置对HCF进行二维扫描[14]：在50 μm×50 μm的区域内，以100×100步长网格采样。如图2(b)所示，HCF的光束轮廓呈现六边形形状，这是VCSEL芯片与HCF之间光强重叠的结果。实测横向公差约为13 μm——这表明HCF与VCSEL的对接耦合效率虽较低，但相比传统实心单模光纤（SMFs），其对横向与轴向位移的公差显著更大。

3. 基于梯度折射率光纤透镜的增强型光纤对接耦合

为提升光纤对接耦合的效率，我们在HCF的输入端端面采用了梯度折射率光纤（GIF）透镜元件，如图3(a)所示。该技术通过单个透镜实现成像，且可通过调整物的放大倍率来改变光束的模场直径（MFD）。我们的设计方案是：将GIF作为紧凑型透镜元件，与无芯光纤（CSF）段配合使用（CSF段起间隔作用）。通过选择合适的两种光纤长度，可快速构建紧凑型全光纤模场直径转换器。这种基于GIF透镜的全光纤结构，此前已被用于：通过调整模场直径失配，降低两种不同单模光纤间的熔接损耗[15]；以及实现不同纤芯间距的多芯光纤间的低损耗光互连[16]。我们首先采用光束传播法（BPM）对所提光纤结构进行了仿真：选用纤芯直径50 μm的商用多模梯度折射率光纤作为GIF，结果显示，使耦合效率最大化的GIF与CSF的最优光纤段长度分别为240 μm和850 μm。如图3(b)所示，VCSEL的发散光经GIF后会被准直，且耦合效率随CSF长度的增加而逐渐提升——这一效率增强主要源于放大过程，该过程会增大像平面处的模场直径。通过这种方法，我们的仿真结果显示可实现约90%的耦合效率。

为验证仿真结果，我们制备了全光纤模场直径转换器，用于实现VCSEL与HCF的高效光互连：该转换器由230 μm长的GIF段与CSF段熔接而成，CSF端面与HCF对接。为保证精度与可靠性，我们借助高精度切割刀、平移台与显微镜来操控光纤长度[17]。制备过程中，我们观察到HCF的薄玻璃膜在熔接弧光下易发生变形，因此调整了方案：将原计划的850 μm CSF段替换为700 μm的更短段（假设膜塌陷区域约为150 μm）。需说明的是，我们认为该区域的管收缩可有效增加GIF与HCF间的间距，图4(a)为所制备模场直径转换器的显微图像。实测得到的光纤段长度分别为250 μm（GIF）与710 μm（CSF），这表明我们的高精度切割刀定位精度可达约10 μm。利用该模场直径转换器对光纤耦合进行测试，结果显示耦合效率显著提升，最高达到约69%（对应损耗1 dB）——这一效率是HCF直接对接耦合的近7倍。不过，实测效率略低于仿真的理论值90%（相差0.45 dB损耗），这可能是由于GIF的掺杂扩散、长度的不准确假设，或是光纤熔接过程中微结构塌陷所致。我们认为，未来通过更好地控制光纤长度与熔接参数，这一性能可进一步优化。此外，我们测试了该全光纤模场直径转换器的轴向与横向偏移公差，发现1 dB对准公差分别降至5 μm与1.3 μm。这一公差的减小主要源于模场直径的缩小，因此需要更精细地主动对准HCF以降低耦合损耗。在图4(c)的二维等高线图中可观察到一条明显的条纹，这是出光口外约75 μm处电连接键合线的影响——当光纤在出光口附近扫描时，该条纹会显现出来。

4. 简易双透镜系统

作为实现HCF与VCSEL芯片直接互连的替代方案，我们采用了简易双透镜系统：该系统通过集成两个透镜（图5(a)中的L1与L2）有效控制模场直径失配，以保障最优性能。其中，短焦距的第一块透镜（L1）负责准直VCSEL的光束，长焦距的第二块透镜（L2）则将光束聚焦入HCF——模场直径的放大倍率由两块透镜的焦距比决定。我们借助Zemax仿真工具辅助该双透镜系统的设计：仿真中，将HCF视为850 nm波段下具有相同模场直径的简单阶跃折射率光纤，以简化耦合效率的计算。选用短焦距（4.5 mm）的非球面透镜作为准直镜，因此只需改变L2的焦距，即可在宽范围内灵活调整放大倍率，从而搜索L2的最优参数。图5(b)展示了L2焦距对应的计算耦合效率（黑色曲线为模拟数据点）：仿真结果表明，L2焦距为26 mm时，耦合入HCF基模的效果最佳，最大耦合效率约为98%；即使L2焦距在23.7 mm至30.5 mm的小范围内波动，耦合效率仍保持在95%以上，表现出优异的稳定性。值得注意的是，相比长焦距透镜，短焦距透镜的耦合损耗增长更快。为验证仿真结果，我们开展实验测试了不同L2焦距下的性能，测量结果如图5(b)中的红色曲线所示：实验与仿真的变化趋势高度一致——当L2焦距为18.4 mm时，耦合效率达到最大值约96%，与理论估算值接近。此外，光在1.04 km长的HCF中传输后，通过分析远场光束轮廓（图5(b)的插图所示），可确认其仍处于基模模式。

5. 结论

本研究聚焦于垂直腔面发射激光器（VCSEL）与空芯光纤（HCF）之间的光互连，具体探究了两种HCF互连方法：直接对接耦合与简易双透镜成像。研究结果表明：由于显著的模场直径失配，简易直接对接耦合（即无透镜）的耦合效率较低（约10%）。不过，通过采用基于梯度折射率光纤透镜的全光纤模场直径转换器，我们将耦合效率提升至约69%，这与仿真得到的90%耦合效率大致一致。我们还探索了双透镜系统的应用：通过选用合适的透镜组合，该系统表现出极高的有效性，实现了约96%的耦合效率。未来的研究将涉及不同波段下其他半导体激光器与HCF的耦合，尤其是中红外量子级联激光器（QCLs）及可见光/紫外激光二极管。

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