第一作者：池昊，何欣莹

通讯作者：马耀光

通讯单位：浙江大学

研究背景

光学微纳光纤（MNFs）直径与传输光的波长相当，因其特殊的几何结构而具备丰富的物理特性，如强倏逝场分布、紧致的光场约束、低损耗传输，以及随直径变化而调控的色散和非线性系数。因此，如何精准控制微纳光纤的形貌，对其光学性能有着直接影响。

目前，石英微纳光纤主要依靠高温拉制工艺加工，常用方法包括火焰、电加热和激光加热。这些方法能够制备出几何均匀、表面光滑的光纤，是低损耗波导器件的基础。然而，在传统的水平拉制过程中，加热产生的热空气上升气流会影响复杂结构光纤的制备良率，限制了器件的稳定性与重复性。虽然有研究尝试利用微型陶瓷管来减弱气流影响，但其狭窄的加工空间往往降低了制备成功率，并限制了多根光纤的同步加工。

文章简介

光学微纳光纤（MNFs）因其丰富且独特的物理特性，在传感、非线性光学、量子光学等领域具有广阔应用前景。然而，现有的水平拉制系统在高温气流与环境扰动下容易引入不对称形变，导致复杂结构光纤的制备精度受限。

近期，浙江大学马耀光教授研究团队提出并搭建了一套桌面式垂直光纤拉制系统，通过使气流方向与光纤轴线保持一致，有效降低了制备过程中的形貌偏差。基于该系统，成功制备了长度约120 mm、最小直径约1 μm的四级级联直径渐变微纳光纤，并实现了覆盖1463∼1741 nm、效率达264.62 nm/kW的平坦超连续谱输出。相关成果以 Precision Vertical Drawing of Diameter-Gradient Microfibers: Cascaded Geometries for Tailored Nonlinearity 为题近期发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图文导读

创新点一：垂直光纤拉制系统

研究团队自主设计并搭建了一套桌面级垂直拉制系统，解决了传统水平拉制方式易受热气流干扰的问题。该系统以自制陶瓷–氮化硅加热器为核心，配合高精度平移台与温控组件，可实现稳定可控的加热环境。通过在加热器外部设置陶瓷壳体，有效保持内部温度稳定；同时采用垂直结构设计，使热对流方向与光纤轴向保持一致，最大限度地减弱了复杂结构光纤在拉制过程中因气流造成的非对称变形（如图1所示）。

图 1 垂直微纳光纤拉制系统。a. 垂直微纳光纤拉制系统的示意图。该系统由自制电加热器（橙色虚线框内的两个滑块，加热时闭合）、两个位移台（光纤两端由光纤夹固定）、温度与运动控制组件（包括温控器、继电器、RS485 等）以及计算机组成。右侧橙色方框显示了自制加热器的三维细节。b. 拉制过程中光纤形貌的对比。上图为本系统加热条件下光纤拉制的照片，下图为传统系统加热条件下的拉制照片。c. 级联微纳光纤的实物照片及直径测量图。图像中横向与轴向比例尺不同，横向比例约为轴向的 350 倍。最粗处直径约为 4.5 μm，最细处约为 1.3 μm。

创新点二：级联微纳光纤结构参数设计与制备

研究团队基于广义非线性薛定谔方程（GNLSE）对级联微纳光纤结构进行了仿真，深入分析了锥度斜率、级联段数、泵浦功率和脉宽等参数对超连续谱展宽与平坦性的影响。结果表明，减小锥度斜率和增加级联段数均能显著增强孤子裂变与色散波相互作用，从而获得更宽、更平坦的谱带。同时揭示了不同泵浦条件下的脉冲演化规律，并阐明了超连续谱生成中的关键物理机制（如图2所示）。在此基础上，研究团队引入遗传算法进行反向优化设计，获得兼顾谱宽与平坦性的结构参数：初始腰径约4.5 μm、次级锥区腰径约1.32 μm、腰区长度8 mm，级联数为4。利用前文提到的垂直拉锥系统，研究人员成功制备出符合上述结构参数的级联结构的微纳光纤，总长超过120mm，充分展示了该系统在高精度复杂光纤制备中的能力。

图 2 不同级联光纤结构参数与入射脉冲参数对光谱展宽影响的仿真。a. 锥形区斜率与光谱带宽的关系。在模拟中，将锥形微纳光纤分割为具有不同均匀直径的小圆柱，dl 表示在相同初始锥形区直径和腰部直径下小圆柱的长度，dl 越长，斜率越小。在此模拟条件下，仅存在一个锥形区，峰值功率为 2000 W，脉冲宽度为 0.1 ps。b. 级联数与光谱带宽的关系。在此模拟条件下，所有光纤均为中等斜率，峰值功率为 2100 W，脉冲宽度为 0.12 ps。c. 入射脉冲宽度与光谱带宽的关系。在此模拟条件下，所有光纤均为中等斜率，仅有一个锥形区，峰值功率为 1300 W。d. 入射脉冲峰值功率与光谱带宽的关系。在此模拟条件下，所有光纤均为中等斜率，仅有一个锥形区，脉冲宽度为 0.12 ps。a–d 中的光谱带宽指强度变化小于 30 dB 时的光谱宽度。e. 不同锥形斜率的级联微纳光纤光谱演化。f. 不同级联数的级联微纳光纤光谱演化。g. 不同脉冲宽度入射脉冲的光谱演化。h. 不同峰值功率入射脉冲的光谱演化。

创新点三：高效率超连续谱产生

研究团队利用优化结构的级联微纳光纤，系统地开展了超连续谱产生实验。为定量评估效率，研究团队引入“带宽/泵浦功率”的新指标。通过这一优化结构，实验实现了覆盖1463–1741 nm、效率达264.62 nm/kW的平坦超连续谱输出（如图3所示），结果显著优于传统均匀光纤和熔接级联光纤方案，且结构更加紧凑，有利于光源的小型化和集成化，为未来高效、紧凑的超连续谱光源设计提供了新的思路。

图3 基于级联微纳光纤的超连续谱产生与测量。a. 超连续谱产生实验示意图。OSA：光谱分析仪；MNF：级联微纳光纤。b. 超连续谱产生实验照片。橙色线表示激光在自由空间中的传播；插图为级联微纳光纤的实物照片。c. 飞秒激光入射光谱。d. 级联微纳光纤与普通微纳光纤的光谱展宽对比。黑色曲线表示级联光纤，橙色、黄色、紫色和绿色曲线分别对应直径为 1.2 μm、1.3 μm、1.5 μm 和 1.8 μm 的普通微纳光纤。