DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-01-76-83
UDC 535
Zhe Zhang1, Renpu Li2, Chaoyong Wang3*, Min Zhou4, Yu Liu5, Yu Pang6
1Shenzhen Key Laboratory of Ultra-intense Laser and Advanced Material Technology, Center for Advanced Material Diagnostic Technology, and College of Engineering Physics, Shenzhen Technology University, Shenzhen, China
2,4,5,6School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, China
3School of Mathematics and Physics, Henan Urban Construction University, Pingdingshan, China
1zhangzhe@sztu.edu.cn http://orcid.org/0000-0002-6598-4552
2lirp@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0002-0777-2543
330130808@hncj.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-8463-9343
4minzhou2020@163.com https://orcid.org/0000-0002-6352-6451
5liuyu@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-7624-996X
6Pangyu@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-7212-4000
Abstract
High-performance interconnection between hollow-core fiber and conventional solid-core fiber is of great significance for a lot of promising applications of hollow-core fibers. The current problems for high-performance hollow-core fiber/solid-core fiber interconnection mainly involve mode field mismatch of the two fibers and the complex splicing process. Subject of study. Fusion splicing of anti-resonant hollow core fiber with low loss (0.52 dB) and conventional single mode fiber using a convenient graded index bridge fiber. Purpose of the work. Eliminate the mode field diameter mismatch between anti-resonant hollow core fiber and single mode fiber, and simplify the mode field diameter adaptation method and process. Method. We employ a convenient graded index bridge fiber approach, where a gradient index fiber is firstly spliced with the single mode fiber, and the modes interference within the graded index bridge fiber causes periodic enlargement and shrinkage of the mode field diameter. By precious cutting of the graded index bridge fiber, the mode field diameter can be well controlled and made approximately equal to the mode field diameter of the anti-resonant hollow core fiber. After mode field diameter adaptation, an optimized arc discharge fusion splicing procedure is applied for the anti-resonant hollow core fiber/single mode fiber fusion splicing. Main result. A fusion splicing loss of about 0.52 dB is achieved, which involves near 0.42 dB mode field diameter-mismatch-induced loss and about 0.1 dB fusion splicing loss that caused by the deformation of the anti-resonant hollow core fiber. Practical significance. The developed approach is convenient and cost-effective, which can benefit a lot of applications of anti-resonant hollow core fibers in future telecommunications, fiber gas lasers as well as fiber-optic sensing.
Keywords: anti-resonant hollow-core fiber, fusion splicing, gradient-index bridge fiber, mode field mismatch, low loss
Acknowledgement: this work is supported by the China Postdoctoral Science Foundation (2020M683184) and Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (32221295).
For citation: Zhang Z., Li R., Wang C., Zhou M., Liu Y., Pang Y. Fusion splicing of hollow-core to standard single-mode fibers using a gradient-index bridge fiber (Соединение волокна с полой сердцевиной со стандартным одномодовым волокном методом плавления при использовании промежуточного волокна с градиентом показателя преломления) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 1. P. 76–83. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-76-83
OCIS codes: 060.2310, 060.4080, 230.0230, 060.0060, 220.0220
Соединение волокна с полой сердцевиной со стандартным одномодовым волокном методом плавления при использовании промежуточного волокна с градиентом показателя преломления
Zhe Zhang1, Renpu Li2, Chaoyong Wang3*, Min Zhou4, Yu Liu5, Yu Pang6
1Shenzhen Key Laboratory of Ultra-intense Laser and Advanced Material Technology, Center for Advanced Material Diagnostic Technology, and College of Engineering Physics, Shenzhen Technology University, Shenzhen, China
2,4,5,6School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, China
3School of Mathematics and Physics, Henan Urban Construction University, Pingdingshan, China
1zhangzhe@sztu.edu.cn http://orcid.org/0000-0002-6598-4552
2lirp@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0002-0777-2543
330130808@hncj.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-8463-9343
4minzhou2020@163.com https://orcid.org/0000-0002-6352-6451
5liuyu@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-7624-996X
6Pangyu@cqupt.edu.cn https://orcid.org/0000-0001-7212-4000
Аннотация
Обеспечение малых потерь на границе соединения волокна с полой сердцевиной и традиционного волокна с твердой сердцевиной имеет большое значение для многих практических применений волокон с твердой сердцевиной. Потери энергии в месте соединения волокон этих двух типов в основном связаны с несоответствием характеристик двух соединяемых волокон по модам. Другой проблемой является сложность технологического процесса их соединения. Предмет исследования. Высокотемпературное соединение оптических волокон двух типов — антирезонансного волокна с полой серединой и волокна с твердой сердцевиной, обеспечивающее малые (не более 0,52 дБ) потери при прохождении лазерного излучения при использовании соединения-моста в виде волокна с градиентом показателя преломления. Цель работы. Поиск путей устранения несоответствия характеристик соединяемых волокон двух типов по модам, упрощение технологии соединения волокон. Метод. Используется мост в виде волокна с градиентом показателя преломления, один конец которого соединяется с волокном с полой сердцевиной, а другой — с волокном с твердой сердцевиной. При точной отрезке моста по длине и соответствующем изменении его параметров достигается требуемое преобразование проходящего через него оптического излучения из одномодового в многомодовое, соответствующее модовым характеристикам волокна с твердой сердцевиной. для формирования моста и сращивания этих волокон используется оптимизированная процедура сварки плавлением в дуговом разряде. Основные результаты. При таком соединении волокон этих двух типов достигается уменьшение потерь излучения до уровня, не превышающего 0,52 дБ, в которое входят потери 0,42 дБ, вызванные остаточным несоответствием модового состава после прохождения моста и собственно потери излучения 0,1 дБ из-за деформации волокна с полой сердцевиной при стыковке. Практическая значимость. Предлагаемый подход к решению проблемы соединения волокон двух типов обеспечивает малые потери излучения при передаче излучения из одного волокна в другое. Предлагаемый метод прост в практической реализации, что позволяет его использовать при создании телекоммуникационных систем, волоконных лазеров, волоконных сенсоров систем оптического зондирования.
Ключевые слова: антирезонансное волокно с полой сердцевиной, сварка плавлением, мостовое волокно с градиентным показателем преломления, рассогласование полей мод, малые потери
Благодарность: работа поддержана Китайским фондом докторантуры (2020M683184) и Гуандунским фондом фундаментальных и прикладных фундаментальных исследований (32221295).
Ссылка для цитирования: Zhang Z., Li R., Wang C., Zhou M., Liu Y., Pang Y. Fusion splicing of hollow-core to standard single-mode fibers using a gradient-index bridge fiber (Соединение волокна с полой сердцевиной со стандартным одномодовым волокном методом плавления при использовании промежуточного волокна с градиентом показателя преломления) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 1. С. 76–83. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-76-83
Коды OCIS: 060.2310, 060.4080, 230.0230, 060.0060, 220.0220
REFERENCES
1. Habib M.S., Antonio-Lopez J.E., Markos C., Schülzgen A., Correa R.A. Single-mode, low loss hollow-core anti-resonant fiber designs // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 4. P. 3824–3836. https://doi.org/10.1364/OE.27.003824
2. Jasion G.T., Sakr H., Hayes J.R., Sandoghchi S.R., Hooper L., Fokoua E.N., Saljoghei A., Mulvad H.C., Alonso M., Taranta A., Bradley T.D., Davidson I.A., Chen Y., Richardson D.J., Poletti F. 0.174 dB/km Hollow core double nested antiresonant nodeless fiber (DNANF) // Optical Fiber Commun. Conf. (OFC). San Diego, California, United States. Mar. 6–10, 2022. P. Th4C.7. https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Th4C.7
3. Sakr H., Bradley T.D., Jasion G.T., Fokoua E.N., Sandoghchi S.R., Davidson I.A., Taranta A., Guerra G., Shere W., Chen Y., Hayes J.R., Richardson D.J., Poletti F. Hollow core nanfs with five nested tubes and record low loss at 850, 1060, 1300 and 1625 nm // Optical Fiber Commun. Conf. (OFC). San Diego, California, United States. Jun. 6–11, 2021. P. F3A.4. https://doi.org/10.1364/OFC.2021.F3A.4
4. Couny F., Benabid F., Roberts P.J., Light P.S., Raymer M.G. Generation and photonic guidance of multi-octave optical-frequency combs // Science. 2007. V. 318. № 5853. P. 1118–1121. https://doi.org/10.1126/science.1149091.
5. Poletti F. Nested antiresonant nodeless hollow core fiber // Opt. Exp. 2014. V. 22. № 20. P. 23807–23828. https://doi.org/10.1364/OE.22.023807
6. Debord B., Amsanpally A., Chafer M., Baz A., Maurel M., Blondy J.M., Hugonnot E., Scol F., Vincetti L., Gérôme F., Benabid F. Ultralow transmission loss in inhibited-coupling guiding hollow fibers // Optica. 2017. V. 4. № 2. P. 209–217. https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000209
7. Sakr H., Hong Y., Bradley T.D., Jasion G.T., Hayes J.R., Kim H., Davidson I.A., Numkam Fokoua E., Chen Y., Bottrill K.R.H., Taengnoi N., Wheeler N.V., Petropoulos P., Richardson D.J., Poletti F. Interband short reach data transmission in ultrawide bandwidth hollow core fiber // J. Lightwave Technol. 2020. V. 38. № 1. P. 159–165. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2943178
8. Ding W., Wang Y.Y., Gao S.F., Wang M.L., Wang P. Recent progress in low-loss hollow-core antiresonant fibers and their applications // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2020. V. 6. № 4. P. 4400312-1–12. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2019.2957445
9. Wang Z.F., Belardi W., Yu F., Wadsworth W.J., Knight J.C. Efficient diode-pumped mid-infrared emission from acetylene-filled hollowcore fiber // Opt. Exp. 2014. V. 22. № 18. P. 21872–21878. https://doi.org/10.1364/OE.22.021872
10. Sollapur R., Kartashov D., Zürch M., Hoffmann A., Grigorova T., Sauer G., Hartung A., Schwuchow A., Bierlich J., Kobelke J., Chemnitz M., Schmidt M.A., Spielmann C. Resonance-enhanced multi-octave supercontinuum generation in antiresonant hollow-core fibers // Light Sci. Appl. 2017. V. 6. № 1. P. e17124-1–7. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.124
11. Habib M.S., Markos C., Antonio-Lopez J.E., Amezcua-Correa R. Extreme UV light generation through dispersive wave trapping in a tapered gas-filled hollow fiber // IEEE Photonics Technol. Lett. 2019. V. 31. № 10. P. 795–798. https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2908953
12. Wang Y.Z., Dasa M.K., Adamu A.I., Antonio-Lopez J.E., Selim Habib M., Amezcua-Correa R., Bang O., Markos C. High pulse energy and quantum efficiency mid-infrared gas Raman fiber laser targeting CO2 absorption at 4.2 µm // Opt. Lett. 2020. V. 45. № 7. P. 1938–1941. https://doi.org/10.1364/OL.389613
13. Zhang Z., Liao C.R., Tang J., Wang Y., Bai Z.Y., Li Z.Y., Guo K.K., Deng M., Shao L.Q., Wang Y.P. Hollow-core-fiber-based interferometer for high temperature measurements // IEEE Photon. J. 2017. V. 9. № 2. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2671437
14. Zhang Z., He J., Dong Q., Bai Z.Y., Liao C.R., Wang Y., Liu S., Guo K.K., Wang Y.P. Diaphragm-free gas-pressure sensor probe based on hollow-core photonic bandgap fiber // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 13. P. 3017–3020. https://doi.org/10.1364/OL.43.003017
15. Zhao P.C., Zhao Y., Bao H.H., Ho H.L., Jin W., Fan S.C., Gao S.F., Wang Y.Y., Wang P. Mode-phase-difference photothermal spectroscopy for gas detection with an anti-resonant hollow-core optical fiber // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 847-1–8. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14707-0
16. Jaworski P., Krzempek K., Dudzik G., Sazio P.J., Belardi W. Nitrous oxide detection at 5.26 µm with a compound glass antiresonant hollow-core optical fiber // Opt. Lett. 2020. V. 45. № 6. P. 1326–1329. https://doi.org/10.1364/AO.99.099999
17. Hansen T.P., Broeng J., Jakobsen C., Vienne G., Simonsen H.R., Nielsen M.D., Skovgaard P.M.W., Folkenberg J.R., Bjarklev A. Air-guiding photonic bandgap fibers: Spectral properties, macrobending loss, and practical handling // J. Lightwave Technol. 2004. V. 22. № 1. P. 11–15. https://doi.org/10.1109/JLT.2003.822833
18. Benabid F., Couny F., Knight J.C., Birks T.A., Russell P.S.J. Compact, stable and efficient all-fiber gas cells using hollow-core photonic crystal fibers // Nature. 2005. V. 434. № 7032. P. 488–491. https://doi.org/10.1038/nature03349
19. Thapa R., Knabe K., Corwin K.L., Washburn B.R. Arc fusion splicing of hollow-core photonic bandgap fibers for gas-filled fiber cells // Opt. Exp. 2006. V. 14. № 21. P. 9576–9583. https://doi.org/ 10.1364/OE.14.009576
20. Xiao L.M., Demokan M.S., Jin W., Wang Y.P., Zhao C.L. Fusion splicing photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers: Microhole collapse effect // J. Lightwave Technol. 2007. V. 25. № 11. P. 3563–3574. https://doi.org/10.1109/JLT.2007.907787
21. Gao S.F., Wang Y.Y., Tian C.P., Wang P. Splice loss optimization of a photonic bandgap fiber via a high V-number fiber // IEEE Photonics Technol. Lett. 2014. V. 26. № 21. P. 2134–2137. https://doi.org/10.1109/LPT.2014.2349519
22. Jin W., Xuan H.F., Ho H.L. Sensing with hollow-core photonic bandgap fibers // Meas. Sci. Technol. 2010. V. 21. № 9. P. 094014-1–12. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/9/094014
23. Komanec M., Suslov D., Zvánovec S., Chen Y., Bradley T., Sandoghchi S.R., Numkam Fokoua E.R., Jasion G.T., Petrovich M.N., Poletti F., Richardson D.J., Slavík R. Low-loss and low-back-reflection hollow-core to standard fiber interconnection // IEEE Photonics Technol. Lett. 2019. V. 31. № 10. P. 723–726. https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2902635
24. Suslov D., Komanec M., Numkam Fokoua E.R., Dousek D., Zhong A.L., Zvánovec S., Bradley T.D., Poletti F., Richardson D.J., Slavík R. Low loss and high-performance interconnection between standard single mode fiber and antiresonant hollow core fiber // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 8799-1–9. https://doi.org/10.1038/s41598-021-88065-2
25. Yu R.W., Wang C.Y., Benabid F., Chiang K.S., Xiao L.M. Robust mode matching between structurally dissimilar optical fiber waveguides // ACS Photonics. 2021. V. 8. № 3. P. 857–863. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01859
26. Wang C.Y., Yu R.W., Debord B., Gérôme F., Benabid F., Chiang K.S., Xiao L.M. Ultralow-loss fusion splicing between negative curvature hollow-core fibers and conventional SMFs with a reverse-tapering method // Opt. Exp. 2021. V. 29. № 14. P. 22470–22478. https://doi.org/10.1364/OE.432147
27. Hofmann P., Mafi A., Jollive C.T., Tiess T., Peyghambarian N., Schülzgen A. Detailed investigation of mode-field adapters utilizing multimode-interference in graded index fibers // J. Lightwave Technol. 2012. V. 30. № 14. P. 2289–2297. https://doi.org/10.1109/JLT.2012.2196406
28. Zhang Z., He J., Du B., Zhang F.C., Guo K.K., Wang Y.P. Measurement of high pressure and high temperature using a dual-cavity Fabry–Perot interferometer created in cascade hollow-core fibers // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 24. P. 6009–6012. https://doi.org/10.1364/OL.43.006009
29. Zhang Z., He J., Du B., Guo K.K., Wang Y.P. Highly sensitive gas refractive index sensor based on hollow-core photonic bandgap fiber // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 21. P. 29649–29658. https://doi.org/10.1364/OE.27.029649
