引用本文：
童晓玲，刘晨宇，梁磊，等. 单模传输约束下HCF低耦合损耗结构优化方法[J]. 光通信技术，2026，47（4）：103-109.
童晓玲2，刘晨宇2，梁 磊1,2*，戴 澍2，李振宇2
（1.武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心，武汉 430070；2.武汉理工大学 机电学院，武汉 430070）
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要：为降低实芯光纤（SCF）与空芯光纤（HCF）互连中模场失配和相位不同步导致的耦合损耗，提出SCF-渐变折射率光纤-空芯光纤（HCF）结构以探究单模传输约束下HCF低耦合损耗结构的优化方法。对耦合端嵌套反谐振无节点光纤（NANF）几何参数定向优化，实现与SCF基模的场形和相位同步匹配，并保持单模传输，基于有限元数值模拟，分析包层管数N、管间隙d及管径比D1/D对模式特性的影响。仿真结果表明：当N=7，D1/D=0.9，d=0.9 μm时，耦合损耗从0.116 dB降至0.069 dB，高阶模抑制比R>250；在d为0.5~1.5 μm时仍保持R>50。
关键词：耦合损耗；模场适配；有限元分析；空芯光纤；单模特性
中图分类号：TN253 文献标志码：A 文章编号：1002-5561（2026）04-0103-07
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2026.04.016
研究背景与问题提出：
空芯反谐振光纤（HC-ARF）传输衰减已降至0.174 dB/km，具有低非线性与高激光损伤阈值，在高功率激光传输中有重要应用潜力。
实芯光纤（SCF）与HCF互连时，由于模场失配和相位不同步导致耦合损耗高，限制了HCF在高功率系统中的推广。
研究目的与方法：
提出SCF-渐变折射率光纤（GRIN）-HCF结构，通过定向优化HCF耦合端的嵌套反谐振无节点光纤（NANF）几何参数，实现与SCF基模的场形和相位同步匹配，降低耦合损耗。
使用有限元数值模拟方法，分析包层管数N、管间隙d及管径比D₁/D对模式特性的影响。
耦合理论与模型构建：
耦合损耗由两光场在横向分布和相位上的匹配程度决定，通过模场重叠积分定量描述。
使用COMSOL Multiphysics软件构建SCF-GRIN光纤-HCF结构模型，模拟光束从SCF出射，经GRIN光纤传输后在自由空间中的演化过程。
数值优化结果：
包层管数N增加，最优耦合条件下的耦合损耗单调下降，模场分布圆度增强，提高与近高斯入射光束的匹配程度。
包层管间隙d增大，耦合损耗轻微下降，MFD同步增大；大小包层管径比D₁/D增加，耦合损耗显著降低，MFD继续增大。
当N=7，D₁/D=0.9，d=0.9 μm时，耦合损耗从0.116 dB降至0.069 dB，降幅超过40%，高阶模抑制比R>250。
单模特性研究：
定义高阶模抑制比R为高阶模与基模限制损耗之比，作为衡量单模特性优劣的指标，以R>50作为满足单模工作的基本判据。
通过调整结构参数，使管模有效折射率逼近高阶芯模，提升高阶模损耗，同时保持基模低损耗，实现单模传输。
仿真结果分析：
在N=7，D₁/D=0.9的条件下，精细调节d，不仅实现R>50的单模要求，更在宽参数范围内获得R>100的高阶模抑制裕度。
优化后的光纤参数在保证低耦合损耗的同时，兼具良好单模特性。
总结与展望：
提出的方法有效解决了SCF和HCF耦合损耗与单模性能难以兼顾的矛盾。
后续将结合实验制备与容差分析，进一步验证SCF-GRIN光纤-HCF结构在高功率激光传输和工程互连场景中的性能与稳健性。