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作者及研究机构

该研究由Alicia Fresno-Hernández、Marta Rodríguez-Guerra、Roberto Rodríguez-Garrido和Carmen Vázquez共同完成，他们均来自西班牙马德里卡洛斯三世大学（Carlos III University of Madrid）的电子技术系。该论文于2023年4月28日发表在期刊《Photonics》上，标题为《Downtaper on Multimode Fibers Towards Sustainable Power Over Fiber Systems》。

学术背景

该研究的主要科学领域是光纤通信与能量传输，特别是针对光纤供电系统（Power Over Fiber, POF）的优化。POF系统通过光纤传输光能，远程为节点供电，广泛应用于高风险环境（如高压和强电磁干扰区域）、医疗设备、传感器等领域。然而，POF系统的整体能量效率通常较低，尤其是在使用多模光纤（Multimode Fiber, MMF）时，光耦合效率成为限制系统性能的关键因素。

研究背景是，高功率激光器（High-Power Laser, HPL）通常与大口径光纤（如200 µm）耦合效率较高，而广泛使用的多模光纤（如OM1，62.5 µm）成本更低且衰减较小。为了在POF系统中实现高效耦合，研究团队提出了一种过渡锥形结构（Transition Taper），用于连接不同几何形状和折射率分布的光纤，以提高能量传输效率。

研究流程

研究分为以下几个步骤：

1. 理论建模与设计
   研究团队首先对200 µm光纤与62.5 µm OM1光纤之间的光损耗进行了理论分析。他们提出了两种模型：均匀损耗模型（Uniform Loss Model）和高斯损耗模型（Gaussian Loss Model）。均匀损耗模型假设所有模式的光功率均匀分布，而高斯损耗模型则假设高阶模式携带的功率低于低阶模式。通过这两种模型，研究团队计算了不同传播条件下的理论损耗。

2. 过渡锥形结构的设计与制造
   研究团队设计了一种从200 µm光纤到62.5 µm光纤的过渡锥形结构，并通过拉伸和加热光纤的方式制造了这种结构。他们使用Fujikura FSM-100P+熔接机制作了线性锥形结构，锥形区的长度为9 mm，腰区长度为7 mm。通过优化锥形参数，研究团队成功制造了损耗仅为0.4 dB的锥形结构。

3. 实验测量与分析
   研究团队对制造好的锥形结构进行了实验测量，主要测量了以下内容：

   • 数值孔径（Numerical Aperture, NA）的变化：通过切割锥形结构的不同区域，使用光束分析仪和积分球测量了光输出NA的变化，验证了NA在锥形区的增加。
   • 损耗改进：通过多模光纤和单模光纤的注入实验，测量了直接拼接与使用锥形结构拼接的损耗差异。实验结果表明，使用锥形结构后，损耗减少了1.97 dB（多模注入）和2.94 dB（单模注入）。

4. 数据模型验证
   研究团队将实验结果与理论模型进行了对比，验证了高斯损耗模型在描述锥形结构与直光纤拼接时的准确性。结果表明，高斯损耗模型比均匀损耗模型更接近实验数据。

主要结果

1. 理论模型结果
   均匀损耗模型和高斯损耗模型分别预测了直接拼接和锥形结构拼接的损耗。高斯损耗模型的预测值与实验结果更为吻合，表明该模型能够更准确地描述光在锥形结构中的传播行为。

2. 实验测量结果

   • NA变化：实验测量显示，光通过锥形结构后，输出NA从0.22增加到0.66，验证了锥形结构对NA的影响。
   • 损耗改进：使用锥形结构后，多模注入的损耗从10.88 dB降低到8.91 dB，单模注入的损耗从9.52 dB降低到6.58 dB。这表明锥形结构能够显著提高光耦合效率。

3. 成本与效率分析
   研究团队还比较了使用200 µm光纤与OM1光纤的成本和效率。结果表明，使用OM1光纤的POF系统在800米传输距离下，损耗为11.3 dB，成本比使用200 µm光纤低80%。

结论

该研究提出了一种过渡锥形结构，用于优化POF系统中不同光纤之间的光耦合效率。通过理论建模、实验测量和数据分析，研究团队验证了锥形结构在减少光损耗方面的有效性。研究表明，使用锥形结构可以将多模光纤的耦合损耗减少约2 dB，单模光纤的耦合损耗减少约3 dB。此外，使用OM1光纤的POF系统在成本上具有显著优势，适用于数百米距离的能量传输。

研究亮点

1. 创新性：该研究首次提出了一种用于POF系统的过渡锥形结构，并通过理论和实验验证了其有效性。
2. 高精度模型：研究团队开发的高斯损耗模型能够准确描述锥形结构与直光纤拼接的光损耗，为未来类似研究提供了理论支持。
3. 成本效益：研究结果表明，使用OM1光纤的POF系统在成本上具有显著优势，同时保持了较高的能量传输效率。

研究意义

该研究为POF系统的优化提供了新的解决方案，特别是在高风险环境和远程供电应用中具有重要的应用价值。通过减少光损耗和提高耦合效率，该研究有助于推动POF技术在更多领域的应用，如移动网络前传（Mobile Network Fronthaul）和物联网（Internet of Things, IoT）设备供电。此外，研究团队提出的高斯损耗模型为光纤耦合损耗的理论研究提供了新的工具。

其他有价值的内容

研究团队还指出，未来可以进一步研究非线性锥形结构（如指数型或正弦型锥形）以进一步降低损耗。此外，研究团队还探讨了不同输入NA对锥形结构性能的影响，为未来优化设计提供了方向。