Исследование характеристик сварных соединений телекоммуникационных многомодовых оптических волокон и кварцевых микроструктурированных волоконных световодов гексагональной конфигурации

Введение. В работе представлены результаты экспериментальной апробации возможности выполнения сварного соединения телекоммуникационных градиентных многомодовых оптических волокон категории ISO/ IEC OM2+/OM3 и микроструктурированных оптических волокон с помощью сварочного аппарата Fujikura36S (Fujikura Ltd., Япония). Рассматривались кварцевые микроструктурированные волоконные световоды с гексагональной конфигурацией, обеспечивающей квазиодномодовый режим функционирования в расширенном, по сравнению с типовыми одномодовыми оптическими волокнами действующих рекомендаций ITU-T, в область коротких длин волн спектрального диапазона (λ = 800–1700 нм), и внешним «телекоммуникационным» диаметром 125 мкм. Исследовались потенциальные возможности снижения затухания на стыке путем соответствующего подбора параметров программы сварки — тока дуги и времени подачи дуги — и их оптимальной комбинации, обеспечивающей компромисс между качественным проваром без дефектов в зоне обжига и искомой минимизацией вносимых потерь. 
Метод. Экспериментальная схема включала в себя макетную комбинированную волоконно-оптическую линию передачи, которая состояла из двух катушек с одномодовыми и двух катушек с многомодовыми оптическими волокнами. С одной стороны катушки с одномодовыми оптическими волокнами были пителированы. Со второй неоконцованной стороны к ним с помощью сварочного аппарата подсоединялись упомянутые выше две катушки с многомодовыми оптическими волокнами. Протяженность волокон каждой из четырех катушек комбинированной линии составляла не менее 1 км. Тестируемый образец микроструктурированного волоконного световода длиной около 1,5 м вваривался непосредственно между катушками с многомодовыми волокнами по соответствующим образом скорректированной программе сварки. Контроль изменения вносимых потерь, включающих в себя потери на двойном сварном соединении микроструктурированный световод — многомодовое оптическое волокно и собственные потери отрезка исследуемого микроструктурированного световода, осуществлялся с помощью оптического рефлектометра EXFO AXS-110 (EXFO, Канада), реализующего метод обратного рассеяния во временной области. 
Основные результаты. На основании серии проведенных экспериментальных исследований, направленных на поиск компромисса между предельно заниженными параметрами программы сварки и выполнения стыка без дефекта, была локализована оптимальная, с точки зрения минимизации вносимых потерь, комбинация тока дуги (STD-30 усл. ед.) и времени подачи дуги (1100 мс). Как результат, итоговое значение вносимых потерь удалось снизить практические на 0,8–1,0 дБ и более относительно референсного показателя: в частности, для указанных установок программы результирующее затухание составило 5,721 дБ при опорном значении 6,722 дБ. 
Обсуждение. Представленные кварцевые MOF, поддерживающие квазиодномодовый режим передачи оптического излучения в недоступном для типовых телекоммуникационных оптических волокон спектральном диапазоне области первого окна прозрачности (λ = 850 нм), в том числе, могут быть ориентированы на практическое применение как в оптических приборах для лазерной техники, так и в соединительных линиях связи компактных высокоскоростных сетей передачи данных. При этом инсталляция таких линий связи в полевых условиях потребует монтажа оконечных устройств коммутации, в том числе, выполнения сварных соединений оптических волокон линии (т. е. непосредственно микроструктурированных волоконных световодов) и многомодовых оптических волокон штатных пигтейлов. Таким образом, полученное экспериментальное подтверждение потенциальной возможности выполнения сварных соединений кварцевых микроструктурированных и типовых многомодовых оптических волокон с адекватным значением вносимых потерь и сохранением световедущих свойств создают все предпосылки для дальнейшего применения таких MOF в различных научно-технических и научно-практических приложениях.

1. Желтиков А.М. Микроструктурированные световоды для нового поколения волоконно-оптических источников и преобразователей световых импульсов // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 7. С. 737–762.

2. Hayes J.R., Petrovich M.N., Poletti F., Horak P., Broderick N.G., Feng X., et al. Recent advances in microstructured fibers for laser delivery and generation // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7580. P. 758010. https://doi.org/10.1117/12.847923

3. Kaur B., Kumar S., Kaushik B.K. (INVITED) Advances in photonic crystal fiber: sensing and supercontinuum generation applications // Optical Fiber Technology. 2022. V. 72. P. 102982. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.102982

4. Tang Z., Zheng Z., Li B., Wei Z., Sun J. Applications of microstructured optical fibers in ultrafast optics: a review // Photonics. 2024. V. 11. N 2. P. 151. https://doi.org/10.3390/photonics11020151

5. Pinto A.M.R., Lopez-Amo M. Photonic crystal fibers for sensing applications // Journal of Sensors. 2012. V. 2012. P. 598178. https://doi.org/10.1155/2012/598178

6. De M., Gangopadhyay T.K., Singh V.K. Prospects of photonic crystal fiber as physical sensor: an overview // Sensors. 2019. V. 19. N 3. P. 464. https://doi.org/10.3390/s19030464

7. Portosi V., Laneve D., Falconi M.C., Prudenzano F. Advances on photonic crystal fiber sensors and applications // Sensors. 2019. V. 19. N 8. P. 1892. https://doi.org/10.3390/s19081892

8. Butt M.A., Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Voronkov G.S., Grakhova E.P., Kutluyarov R.V. A review on photonic sensing technologies: status and outlook // Biosensors. 2023. V. 13. N 5. P. 568. https://doi.org/10.3390/bios13050568

9. Li B., Zhao Y., Zhang Y., Zhang A., Li X., Gu J., Xi Sh., Zhou G. Functionalized micro structured optical fibers and devices for sensing applications: a review // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. N 12. P. 3812–3823. https://doi.org/10.1109/jlt.2020.3043842

10. Zhang H., Zhang X., Li H., Deng Y., Xi L., Tang X., Zhang W. The orbital angular momentum modes supporting fibers based on the photonic crystal fiber structure // Crystals. 2017. V. 7. N 10. P. 286. https://doi.org/10.3390/cryst7100286

11. Zhang H., Mao B., Han Y., Wang Z., Yue Y., Liu Y. Generation of orbital angular momentum modes using fiber systems // Applied Sciences. 2019. V. 9. N 5. P. 1033. https://doi.org/10.3390/app9051033

12. Eggleton B.J., Kerbage C., Westbrook P.S., Windeler R.S., Hale A. Microstructured optical fiber devices // Optics Express. 2001. V. 9. N 13. P. 698–713. https://doi.org/10.1364/oe.9.000698

13. Chong J.H., Rao M.K. Development of a system for laser splicing photonic crystal fiber // Optics Express. 2003. V. 11. N 12. P. 1365–1370. https://doi.org/10.1364/oe.11.001365

14. Thapa R., Knabe K., Corwin K.L., Washburn B.R. Arc fusion splicing of hollow-core photonic bandgap fibers for gas-filled fiber cells // Optics Express. 2006. V. 14. N 21. P. 9576–9583. https://doi.org/10.1364/oe.14.009576

15. Xiao L., Jin W., Demokan M.S. Fusion splicing small-core photonic crystal fibers and single-mode fibers by repeated arc discharges // Optics Letters. 2007. V. 32. N 2. P. 115–117. https://doi.org/10.1364/ol.32.000115

16. Xiao L., Demokan M.S., Jin W., Wang Y., Zhao Ch.-L. Fusion splicing photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers: microhole collapse effect // Journal of Lightwave Technology. 2007. V. 25. N 11. P. 3563–3574. https://doi.org/10.1109/jlt.2007.907787

17. Kristensen J.T., Houmann A., Liu X., Turchinovich D. Low-loss polarization-maintaining fusion splicing of single-mode fibers and hollow-core photonic crystal fibers, relevant for monolithic fiber laser pulse compression // Optics Express. 2008. V. 16. N 13. P. 9986–9995. https://doi.org/10.1364/oe.16.009986

18. Carvalho J.P., Magalhães F., Frazão O., Santos J.L., Araújo F.M., Ferreira L.A. Splicing and coupling losses in hollow-core photonic crystal glass fibers // Solid State Phenomena. 2010. V. 161. P. 43–49. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.161.43

19. Zhou X., Chen Z., Chen H., Hou J. Fusion splicing small-core photonic crystal fibers and single-mode fibers by controlled air hole collapse // Optics Communications. 2012. V. 285. N 24. P. 5283–5286. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.06.090

20. Borzycki K., Schuster K. Arc fusion splicing of photonic crystal fibers // Photonic Crystals — Introduction, Applications and Theory. 2012. P. 175–200. https://doi.org/10.5772/35252

21. Borzycki K., Schuster K. Characterization and fusion splicing of single-mode photonic crystal fibers // Proc. of the IEEE International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL 2013). 2013. P. 31–34. https://doi.org/10.1109/caol.2013.6657516

22. Tiburcioa B.D., Fernandesa G.M., Pintoa A.N. Extremely small-core photonic crystal fiber fusion splicing with a single-mode fiber // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8785. P. 8785FF. https://doi.org/10.1117/12.2027586

23. Mehde M.S., Taha S.A.A., Ahmed A.A. The optimum conditions for arc fusion to splice photonic crystal fiber and single mode optical fiber // Engineering and Technology Journal. 2015. V. 33. N 1A. P. 101–113. https://doi.org/10.30684/etj.33.1a.9

24. Song N., Wua Ch., Luo W., Zhang Z., Li W. High strength fusion splicing of hollow core photonic crystal fiber and single-mode fiber by large offset reheating // Optical Fiber Technology. 2016. V. 32. P. 106–110. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2016.10.008

25. Adnan S.A., Abdulwahha A.W., Ismail Sh.N. Fusion splicing: the penalty of increasing the collapse length of the air holes in ESM-12B photonic crystal fibers // Optica Applicata. 2016. V. 46. N 2. P. 265–275.

26. Sharma D.K., Sharma A., Tripathi S.M. Optimum splicing of highindex core microstructured optical fibers and traditional single-mode fibers using improved field model // Optics and Laser Technology. 2019. V. 109. P. 157–167. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.08.004

27. Wang C., Yu R., Xiong C., Zhu J., Xiao L. Ultralow-loss fusion splicing between antiresonant hollow-core fibers and antireflectioncoated single-mode fibers with low return loss // Optics Letters. 2023. V. 48. N 5. P. 1120–1123. https://doi.org/10.1364/ol.481190

28. Kelly T.W., Mousavi M., Shi B., Poletti F., Wheeler N.V., Slavík R. Coupling into higher order modes of a hollow-core fiber due to fusion splicing // CLEO 2024, Technical Digest Series (Optica Publishing Group). 2024. P. JW2A.73 https://doi.org/10.1364/cleo_at.2024.jw2a.73

29. Wen Y., Zhang X., Song W., Yao J., Cui M., Zhang Q., Gu S., Wang P. Low-loss, low-back-reflection fusion splicing of large-mode-area fibers with nested hollow-core antiresonant fibers for all-fiber highpower, single-frequency fiber laser transmission // Journal of Lightwave Technology. 2025. V. 43. N 9. P. 4422–4428. https://doi.org/10.1109/jlt.2025.3533696

30. Stawska H.I., Popenda M.A., Bereś-Pawlik E. Combining hollow core photonic crystal fibers with multimode, solid core fiber couplers through arc fusion splicing for the miniaturization of nonlinear spectroscopy sensing devices // Fibers. 2018. V. 6. N 4. P. 77. https://doi.org/10.3390/fib6040077

31. Ma X., Li C., Song C., Zhao Z., Liu H., Zhang W., et al. Low-loss fusion splice of hollow-core antiresonant fiber and single mode fiber based on GIMF // Opto-Electronic Engineering. 2025. V. 52. N 1. P. 240225. https://doi.org/10.12086/oee.2025.240225

32. Nesterov V.G., Orlov M.A., Bourdine A.V., Evtushenko A.A., Khadjaev M.S., Brazovskii G.R., et al. Practical experience in joining of silica microstructured and telecommunication optical fibers by using field arc fusion splicer kits // Proceedings of SPIE. 2025. V. 13738. P. 137380Y. https://doi.org/10.1117/12.3082077

33. Бурдин А.В., Евтушенко А.С., Дашков М.В., Демидов В.В., Зайцева Е.С., Тер-Нерсесянц Е.В. Результаты моделирования кварцевых микроструктурированных оптических волокон, обеспечивающих одномодовый режим функционирования в области коротких длин волн // Труды 10-й Всероссийской Диановской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2025). 2025. С. 669–671.

34. Бурдин А.В., Евтушенко А.С., Орлов М.А., Пашин С.С., Жулидова М.О., Дашков М.В. [и др.] Разработка и тестирование кварцевых микроструктурированных оптических волокон для линий связи компактных высокоскоростных сетей передачи данных разного назначения // Труды 10-й Всероссийской Диановской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2025). 2025. С. 90–93.