ZBLAN中紅外氟化物光纖熔接及光纖拉錐介紹

摘要：

在過(guò)去的十年中，激光熔融石英基（SiO?）光纖對于中紅外波段的光傳輸損耗過(guò)大，以氟化物玻璃為材料制作的ZBLAN（ZrF4-BaF2-LaF3-NaF）光纖越來(lái)越受大家的關(guān)注。如今，ZBLAN光纖激光器實(shí)用化最關(guān)鍵的制約因素是使用SiO?光纖難以有效地向/從引導介質(zhì)中注入和提取光。盡管自由空間和對接耦合已提供可接受的結果，但堅固且持久的SiO?與ZBLAN光纖之間的物理連接將帶來(lái)更小，更便宜，更穩定的器件制造。雖然已經(jīng)有了使用傳統熔接方法的低損耗熔接的報道，但是熔接點(diǎn)的機械強度非常低，難以量產(chǎn)。實(shí)現牢固熔接的難點(diǎn)主要是ZBLAN和SiO?光纖之間的轉變溫度相差太大（260℃/1175℃）。

本文獲得的結果是使用高熱膨脹系數的ZBLAN光纖熔接熱膨脹系數較小的SiO?光纖。使用CO?激光光纖加工系統控制熔接過(guò)程中ZBLAN材料的膨脹和收縮，以獲得最佳可靠性。介于125µm ZBLAN和80µm SiO?光纖之間的熔接點(diǎn)，測得平均傳輸損耗為0.225dB（在1550nm處測得），平均極限抗拉強度為121.4gf。此熔接點(diǎn)持久耐用無(wú)需過(guò)多保護。本文還討論了使用直徑為125µm SiO?光纖拉錐至80µm與ZBLAN熔接等其他熔接組合。

1.引言

由于在尺寸，可靠性和電效率方面的優(yōu)勢，光纖激光器在材料加工和醫學(xué)領(lǐng)域的使用正在增長(cháng)。但是SiO?光纖激光器的光譜范圍（大于2µm的高衰減）以及摻雜劑濃度受到限制?；赯BLAN的光纖激光器將不受這些限制，因為ZBLAN光纖的低損耗波段長(cháng)波可以達到4µm，并允許更高的摻雜劑濃度1,3。 

ZBLAN光纖激光器的大規模使用面臨的主要挑戰是難以有效耦合ZBLAN和SiO?光纖之間的光，這樣的熔接廣泛用于光學(xué)組件中。兩種材料的融點(diǎn)的巨大差異使得兩種類(lèi)型的光纖之間（請參見(jiàn)表1）無(wú)法進(jìn)行常規熔接1，3。常規的熔接方法依賴(lài)于軟化光纖并利用表面張力來(lái)建立無(wú)縫，牢固和長(cháng)久的接縫，同時(shí)將傳輸損耗降至最底。此方法不能直接應用于ZBLAN / SiO?熔接，因為SiO?光纖（1175℃）和ZBLAN光纖（260℃）的轉變溫度相差太大。由于所產(chǎn)生的熔接點(diǎn)的極為脆弱性2，3，4，5，9，這種方法已被證明是不切實(shí)際的。使用特殊涂層6或粘合劑2，5的替代方法可以產(chǎn)生更牢固的熔接點(diǎn)，但使制造過(guò)程更加復雜。本文中提出的新方法是依靠SiO?和ZBLAN光纖之間熱膨脹系數的差異，在沒(méi)有中間材料的情況下將SiO?和ZBLAN光纖進(jìn)行熔接。該過(guò)程需要AFL LZM-100 CO?激光光纖加工站提供高水平的過(guò)程控制。LZM-100可以對ZBLAN光纖進(jìn)行精確的加熱和膨脹，將SiO?光纖推入其中，并逐漸冷卻ZBLAN光纖。當ZBLAN光纖在冷卻過(guò)程中收縮時(shí)，SiO?光纖會(huì )受到ZBLAN光纖施加的壓縮力的束縛。

表1.二氧化硅和ZBLAN光纖基本物理特性的典型值。

2.實(shí)驗

為了在接合過(guò)程中充分利用ZBLAN的伸縮，SiO?光纖的包層直徑必須比ZBLAN光纖的包層直徑小。該實(shí)驗的重點(diǎn)是包層直徑為125μm的ZBLAN光纖與包層直徑為80μm的SiO?光纖之間的熔接。主要實(shí)驗包括將FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26單模（SM）ZBLAN光纖熔接到Fujikura RCSM-PS-U17C 單模光纖。然后，該研究還擴展到了康寧SMF-28e+和Nufern SM-1950 SM光纖，并使用LZM-100 CO?激光光纖加工站將光纖的直徑減小到80μm。表2中顯示了每種光纖的主要性能。

表2.本實(shí)驗中使用的所有光纖的主要物理和光學(xué)性能

2.1 熔接過(guò)程

為了實(shí)現有效地對熔接點(diǎn)進(jìn)行損耗優(yōu)化，首先將SiO?光纖推入ZBLAN光纖之前、之中和之后，通過(guò)精確地調整CO?激光功率，來(lái)優(yōu)化熔接點(diǎn)的抗拉強度。

工藝步驟示意圖如圖1所示。

圖1. 熔接過(guò)程主要步驟的示意圖。光纖被（a）縫隙對齊并對齊以最高程度地減少傳輸損耗，（b）當80um SM光纖推入光纖時(shí)，CO?激光會(huì )引起ZBLAN光纖膨脹，并且（c）緩慢冷卻熔接點(diǎn)以防止破裂 ZBLAN光纖。受控加熱確保ZBLAN變形保持最小，同時(shí)防止ZBLAN光纖結構在冷卻過(guò)程中破裂。為了始終獲得高可靠性熔接點(diǎn)，在冷卻過(guò)程中對ZBLAN光纖的拉伸強度和柔軟度水平進(jìn)行精細控制至關(guān)重要。

圖2. 顯示了受控冷卻過(guò)程和非受控冷卻過(guò)程之間的不同結果。

圖2. 失敗的熔接點(diǎn)（a）顯示了在快速，不受控制的冷卻過(guò)程中ZBLAN光纖結構破裂導致的光纖分離。斷裂總是發(fā)生在插入的SiO?光纖（b）的尖頭部。為了進(jìn)行比較，成功的熔接過(guò)程（c）使ZBLAN在SiO?光纖周?chē)饾u壓縮而不會(huì )破裂。

2.2 拉伸測試設置

熔接完成后，將其轉移到圖3中所示的拉力測試設備中。該設備由兩個(gè)固定塊組成，這些固定塊牢固地夾緊在每根光纖的涂層上，以使每根光纖和熔接點(diǎn)的裸露包層筆直地位于兩者之間。當開(kāi)始測試時(shí)，第一個(gè)塊向外移動(dòng)，逐漸加大施加在熔接點(diǎn)上的線(xiàn)性張力。附著(zhù)在第二塊上的校準稱(chēng)重傳感器顯示了以克力（gf）表示的施加張力。增大熔接點(diǎn)上的張力，直到熔接點(diǎn)斷裂，并記錄最終張力。為了進(jìn)行比較，該測試首先在一條未切割的ZBLAN光纖上進(jìn)行，記錄的極限張力為837gf，其極限拉伸強度為97kpsi。

圖3.測試結構，用于測量熔接點(diǎn)的最終張力。左側平臺緩慢向外移動(dòng)，而右側平臺上的稱(chēng)重傳感器則記錄施加的張力。記錄破損前的最大力。

熔接點(diǎn)斷裂后檢查ZBLAN光纖（圖4a）證實(shí)，SiO?光纖在ZBLAN光纖端面上留下清晰的印記，并且ZBLAN光纖的收縮向SiO?光纖施加了徑向力。定性彎曲試驗表明，SiO?光纖在與ZBLAN光纖分離之前就斷裂了（圖4b）。

圖4.（a）線(xiàn)性拉力試驗后的ZBLAN端面的顯微圖像，顯示出SiO?光纖印痕周?chē)逦南騼葢€(xiàn)，以及（b）彎曲試驗后的ZBLAN光纖，顯示嵌入了一部分SiO?光纖在ZBLAN光纖中。

2.3 熔接損耗測試設置

以上述過(guò)程為基礎，使用圖5所示的測試系統優(yōu)化了1550nm波長(cháng)處的熔接傳輸損耗。

圖5. ZBLAN和SiO?光纖之間低插入損耗熔接的實(shí)驗裝置。使用主動(dòng)功率計反饋功能在對光纖進(jìn)行對準。

在此系統中，安捷倫8163A光學(xué)機架中的安捷倫HP-81554SM模塊產(chǎn)生了1550nm的光，作為光源，并將其耦合到SMF-28e+尾纖中。在開(kāi)始實(shí)驗之前，使用DataRay Beam的R2狹縫掃描光束輪廓儀（圖6a）以及Photon-Inc的LD8900遠場(chǎng)掃描儀來(lái)檢查光源的光束質(zhì)量。確保在單模態(tài)下運行。損耗測量是使用裝有Agilent HP-81533B模塊并連接到裝有Agilent HP-81002FF積分球的Agilent HP 81521B功率檢測器頭的Agilent 8163A光學(xué)機架進(jìn)行的。在測試期間，光源的總漂移被確定為<0.02dB。參照檢測器后，將一條選定的SM光纖熔接到SMF-28e+尾纖上。再次檢查光束質(zhì)量，并在檢測器上建立新的參考。接合到SMF-28e+尾纖后，所有三根SM光纖的輸出光束分布如圖6所示。

圖6.（a）SMF-28e+尾纖（無(wú)錐度），（b）Fujikura RCSM-PS-U17C，（c）Corning SMF-28e+（錐形至80um），以及（d） Nufern SM1950（漸縮至80um）。

為了測量熔接損耗，使用設置為125g張力的Fujikura CT-101張力的切割刀將ZBLAN光纖的一端切割，然后將其插入積分球檢測器中。自動(dòng)化的熔接過(guò)程使用有源功率計反饋環(huán)路來(lái)優(yōu)化熔接前的插入損耗。由于ZBLAN光纖的偏心率很高（> 5µm），因此功率反饋的方法是必要的。測量最終損耗，并使用等式（1）計算熔接損耗loss。

2.4 擴展到包層直徑為125μm的SM光纖

為了將研究范圍擴大到包層直徑為125μm的更多標準SM光纖，首先采用拉錐方法將SiO?光纖直徑減小到80μm。這是通過(guò)使用LZM-100 CO?激光玻璃加工站的拉錐功能完成的，以產(chǎn)生絕熱錐度8,9（圖7），然后使用設置為125g張力的Fujikura CT-101切割刀，在其80µm的腰部區域精確切割。使用圖5中所示的設置將最終的絕熱錐度熔接到ZBLAN光纖。此過(guò)程有助于將Corning SMF-28e+和NufernSM-1950光纖成功熔接到ZBLAN光纖。

圖7. LZM-100測量工具在兩個(gè)正交方向上測量的絕熱錐度曲線(xiàn)。紅色箭頭指示錐度被切割的位置。

3.結果

3.1 熔接點(diǎn)的抗拉強度

為了確定過(guò)程的可重復性，使用相同的優(yōu)化和自動(dòng)化的熔接過(guò)程在FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN和Fujikura RCSM-PS-U17C之間進(jìn)行了10個(gè)連續的熔接。使用圖3中所示的裝置測量拉伸強度，結果顯示在圖8中。測得的平均極限張力為121.4gf，其中90％的樣品的極限張力高于100gf。值得注意的是，最終張力以gf記錄，因為很難定義在125µm和80µm光纖之間的接頭的應用區域，以便將其轉換為拉伸強度單位。為了便于比較，對于125μm和80μm直徑的光纖，極限張力為100gf時(shí)，分別對應于11.6kpsi（79.9MPa）和28.3kpsi（195.1MPa）的極限拉伸強度。

圖8. 一組10個(gè)連續的熔接樣品的極限張力直方圖，以克力（gf）表示。

據我們在撰寫(xiě)本文時(shí)所知，使用中間涂層在ZBLAN和SiO?光纖之間熔接時(shí)，所報道的最高拉伸強度為70MPa6（10.2kpsi）。

3.2 熔接損耗

從FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN和Fujikura RCSM-PS-U17C之間的另外10個(gè)連續接頭中確定了熔接損耗的可重復性。使用圖5中所示的裝置測量了1550nm處的傳輸損耗，結果如圖9所示。

圖9.對于一組10個(gè)連續的接頭樣本，FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN光纖和Fujikura RCSM-PS-U17C光纖之間的熔接損耗直方圖。

平均損耗為0.225dB，最小損耗為0.06dB，最大損耗為0.54dB，該數據表明所描述的方法在ZBLAN和SiO?光纖之間實(shí)現了一致的，低損耗的接頭。表3顯示了使用錐形方法在康寧SMF-28e+和Nufern SM-1950光纖上進(jìn)行的其他損耗測試。盡管記錄的損耗不如80um減小包層SM光纖那么低，但證明了采用此方法的可行性到更大范圍的SM光纖。

表3. 本研究中使用的所有SM光纖在1550nm處測得的平均熔接損耗匯總。

對于所有測試的熔接組合，使用光束輪廓儀和遠場(chǎng)掃描儀檢查ZBLAN光纖末端的光束質(zhì)量，以確保ZBLAN 光纖在單模態(tài)下運行。圖10中顯示了一個(gè)示例。

圖10.使用光束輪廓儀捕獲的ZBLAN輸出光束99％高斯擬合（a）和輪廓（b）。右圖顯示了使用遠場(chǎng)掃描儀以對數刻度捕獲的相同光束，并以極坐標（c）和線(xiàn)性（d）坐標顯示范圍為+/- 90deg。

4.總結與討論

介紹了一種基于CO?激光的玻璃加工站將ZBLAN光纖熔接到SiO?光纖，而無(wú)需中間介質(zhì)或外部機械支撐的新工藝。為大規模生產(chǎn)高可靠性，低損耗的接頭鋪平了道路。在1550nm處的平均損耗為0.23dB，平均極限張力為121.4gf，據悉，這是ZBLAN和SiO?光纖之間直接熔接而沒(méi)有增加傳輸損耗的最高拉伸強度。

隨著(zhù)我們將這項研究擴展到更標準的125μm光纖之后，我們相信采用傳統的模式適配器技術(shù)以及基于石英的光纖進(jìn)行拉錐工藝，將使上述方法應用到范圍更大的各種單模和多模光纖。另外，隨著(zhù)ZBLAN光纖品質(zhì)的提升，也將推動(dòng)該方法的擴展應用！

參考文獻

[1] Zhu X. and Peyghambarian N., "High-power ZBLAN glass fiber lasers: review and prospect", Advances inOptoElectronics 2010 (2010).

[2] Zheng Z.J., Ouyang D.Q, Zhao J.Q, Ruan S.C., Yu J., Guo C.Y, and Wang J.Z.,"An effective thermal splicing method to join fluoride and silica fibers for a high power regime.", Chinese Physics Letters 32, no. 11, 114206 (2015).

[3] Lu H., [Development of ZBLAN fiber-based components], McGill University (Canada), Department of Electrical and Computer Engineering (2012).

[4] Al-Mahrous R., Caspary R., and Kowalsky W., "A thermal splicing method to join silica and fluoride fibers." Journal of Lightwave Technology 32.2, 303-308 (2014).

[5] Li P., Xiaowei D., Ruifeng Z., Chunhui Q.I., Caspary R., Kien M.S. and Shuisheng J., "Low loss splicing method to join silica and fluoride fibers.", Passive Components and Fiber-based Devices IV. Vol. 6781. International Society for Optics and Photonics, (2007).

[6] Okamoto H., Kasuga K. and Kubota Y., "Efficient 521 nm all-fiber laser: Splicing Pr 3+-doped ZBLAN fiber to endcoated silica fiber." Optics letters 36, no. 8, 1470-1472 (2011).

[7] Wang X., "Characterization of fiber tapers for fiber devices and sensors." PhD diss., University of Ottawa (Canada) (2012).

[8] Ahmad M. and Hench L.L., "Effect of taper geometries and launch angle on evanescent wave penetration depth in optical fibers." Biosensors and Bioelectronics 20, no. 7, 1312-1319 (2005).

[9] Tengchao Huang, Qing He, Xuan She, Xiaowu Shu, Cheng Liu, “Study on thermal splicing of ZBLAN fiber to silica fiber", Opt. Eng. 55(10), 106119, doi: 10.1117/1.OE.55.10.106119 (2016)