ZBLAN中红外氟化物光纤熔接及光纤拉锥介绍

2020-11-25 14:30:56

摘要：

在过去的十年中，激光熔融石英基（SiO₂）光纤对于中红外波段的光传输损耗过大，以氟化物玻璃为材料制作的ZBLAN（ZrF4-BaF2-LaF3-NaF）光纤越来越受大家的关注。如今，ZBLAN光纤激光器实用化最关键的制约因素是使用SiO₂光纤难以有效地向/从引导介质中注入和提取光。尽管自由空间和对接耦合已提供可接受的结果，但坚固且持久的SiO₂与ZBLAN光纤之间的物理连接将带来更小，更便宜，更稳定的器件制造。虽然已经有了使用传统熔接方法的低损耗熔接的报道，但是熔接点的机械强度非常低，难以量产。实现牢固熔接的难点主要是ZBLAN和SiO₂光纤之间的转变温度相差太大（260℃/1175℃）。

本文获得的结果是使用高热膨胀系数的ZBLAN光纤熔接热膨胀系数较小的SiO₂光纤。使用CO₂激光光纤加工系统控制熔接过程中ZBLAN材料的膨胀和收缩，以获得最佳可靠性。介于125µm ZBLAN和80µm SiO₂光纤之间的熔接点，测得平均传输损耗为0.225dB（在1550nm处测得），平均极限抗拉强度为121.4gf。此熔接点持久耐用无需过多保护。本文还讨论了使用直径为125µm SiO₂光纤拉锥至80µm与ZBLAN熔接等其他熔接组合。

1.引言

由于在尺寸，可靠性和电效率方面的优势，光纤激光器在材料加工和医学领域的使用正在增长。但是SiO₂光纤激光器的光谱范围（大于2µm的高衰减）以及掺杂剂浓度受到限制。基于ZBLAN的光纤激光器将不受这些限制，因为ZBLAN光纤的低损耗波段长波可以达到4µm，并允许更高的掺杂剂浓度^1,3。 

ZBLAN光纤激光器的大规模使用面临的主要挑战是难以有效耦合ZBLAN和SiO₂光纤之间的光，这样的熔接广泛用于光学组件中。两种材料的融点的巨大差异使得两种类型的光纤之间（请参见表1）无法进行常规熔接^1，3。常规的熔接方法依赖于软化光纤并利用表面张力来建立无缝，牢固和永久的接缝，同时将传输损耗降至最低。此方法不能直接应用于ZBLAN / SiO₂熔接，因为SiO₂光纤（1175℃）和ZBLAN光纤（260℃）的转变温度相差太大。由于所产生的熔接点的极端脆弱性^{2，3，4，5，9，}这种方法已被证明是不切实际的。使用特殊涂层6或粘合剂2，5的替代方法可以产生更牢固的熔接点，但使制造过程更加复杂。本文中提出的新方法是依靠SiO₂和ZBLAN光纤之间热膨胀系数的差异，在没有中间材料的情况下将SiO₂和ZBLAN光纤进行熔接。该过程需要AFL LZM-100 CO₂激光光纤加工站提供高水平的过程控制。LZM-100可以对ZBLAN光纤进行精确的加热和膨胀，将SiO₂光纤推入其中，并逐渐冷却ZBLAN光纤。当ZBLAN光纤在冷却过程中收缩时，SiO₂光纤会受到ZBLAN光纤施加的压缩力的束缚。

表1.二氧化硅和ZBLAN光纤基本物理特性的典型值。

2.实验

为了在接合过程中充分利用ZBLAN的伸缩，SiO₂光纤的包层直径必须比ZBLAN光纤的包层直径小。该实验的重点是包层直径为125μm的ZBLAN光纤与包层直径为80μm的SiO₂光纤之间的熔接。主要实验包括将FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26单模（SM）ZBLAN光纤熔接到Fujikura RCSM-PS-U17C 单模光纤。然后，该研究还扩展到了康宁SMF-28e+和Nufern SM-1950 SM光纤，并使用LZM-100 CO₂激光光纤加工站将光纤的直径减小到80μm。表2中显示了每种光纤的主要性能。

表2.本实验中使用的所有光纤的主要物理和光学性能

2.1 熔接过程

为了实现有效地对熔接点进行损耗优化，首先将SiO₂光纤推入ZBLAN光纤之前、之中和之后，通过精确地调整CO₂激光功率，来优化熔接点的抗拉强度。

工艺步骤示意图如图1所示。

图1. 熔接过程主要步骤的示意图。光纤被（a）缝隙对齐并对齐以最大程度地减少传输损耗，（b）当80um SM光纤推入光纤时，CO₂激光会引起ZBLAN光纤膨胀，并且（c）缓慢冷却熔接点以防止破裂 ZBLAN光纤。受控加热确保ZBLAN变形保持最小，同时防止ZBLAN光纤结构在冷却过程中破裂。为了始终获得高可靠性熔接点，在冷却过程中对ZBLAN光纤的拉伸强度和柔软度水平进行精细控制至关重要。

图2. 显示了受控冷却过程和非受控冷却过程之间的不同结果。

图2. 失败的熔接点（a）显示了在快速，不受控制的冷却过程中ZBLAN光纤结构破裂导致的光纤分离。断裂总是发生在插入的SiO₂光纤（b）的尖端。为了进行比较，成功的熔接过程（c）使ZBLAN在SiO₂光纤周围逐渐压缩而不会破裂。

2.2 拉伸测试设置

熔接完成后，将其转移到图3中所示的拉力测试设备中。该设备由两个固定块组成，这些固定块牢固地夹紧在每根光纤的涂层上，以使每根光纤和熔接点的裸露包层笔直地位于两者之间。当开始测试时，第一个块向外移动，逐渐加大施加在熔接点上的线性张力。附着在第二块上的校准称重传感器显示了以克力（gf）表示的施加张力。增大熔接点上的张力，直到熔接点断裂，并记录最终张力。为了进行比较，该测试首先在一条未切割的ZBLAN光纤上进行，记录的极限张力为837gf，其极限拉伸强度为97kpsi。

图3.测试结构，用于测量熔接点的最终张力。左侧平台缓慢向外移动，而右侧平台上的称重传感器则记录施加的张力。记录破损前的最大力。

熔接点断裂后检查ZBLAN光纤（图4a）证实，SiO₂光纤在ZBLAN光纤端面上留下清晰的印记，并且ZBLAN光纤的收缩向SiO₂光纤施加了径向力。定性弯曲试验表明，SiO₂光纤在与ZBLAN光纤分离之前就断裂了（图4b）。

图4.（a）线性拉力试验后的ZBLAN端面的显微图像，显示出SiO₂光纤印痕周围清晰的向内应力线，以及（b）弯曲试验后的ZBLAN光纤，显示嵌入了一部分SiO₂光纤在ZBLAN光纤中。

2.3 熔接损耗测试设置

以上述过程为基础，使用图5所示的测试系统优化了1550nm波长处的熔接传输损耗。

图5. ZBLAN和SiO₂光纤之间低插入损耗熔接的实验装置。使用主动功率计反馈功能在对光纤进行对准。

在此系统中，安捷伦8163A光学机架中的安捷伦HP-81554SM模块产生了1550nm的光，作为光源，并将其耦合到SMF-28e+尾纤中。在开始实验之前，使用DataRay Beam的R2狭缝扫描光束轮廓仪（图6a）以及Photon-Inc的LD8900远场扫描仪来检查光源的光束质量。确保在单模态下运行。损耗测量是使用装有Agilent HP-81533B模块并连接到装有Agilent HP-81002FF积分球的Agilent HP 81521B功率检测器头的Agilent 8163A光学机架进行的。在测试期间，光源的总漂移被确定为<0.02dB。参照检测器后，将一条选定的SM光纤熔接到SMF-28e+尾纤上。再次检查光束质量，并在检测器上建立新的参考。接合到SMF-28e+尾纤后，所有三根SM光纤的输出光束分布如图6所示。

图6.（a）SMF-28e+尾纤（无锥度），（b）Fujikura RCSM-PS-U17C，（c）Corning SMF-28e+（锥形至80um），以及（d） Nufern SM1950（渐缩至80um）。

为了测量熔接损耗，使用设置为125g张力的Fujikura CT-101张力的切割刀将ZBLAN光纤的一端切割，然后将其插入积分球检测器中。自动化的熔接过程使用有源功率计反馈环路来优化熔接前的插入损耗。由于ZBLAN光纤的偏心率很高（> 5µm），因此功率反馈的方法是必要的。测量最终损耗，并使用等式（1）计算熔接损耗loss。

2.4 扩展到包层直径为125μm的SM光纤

为了将研究范围扩大到包层直径为125μm的更多标准SM光纤，首先采用拉锥方法将SiO₂光纤直径减小到80μm。这是通过使用LZM-100 CO₂激光玻璃加工站的拉锥功能完成的，以产生绝热锥度8,9（图7），然后使用设置为125g张力的Fujikura CT-101切割刀，在其80µm的腰部区域精确切割。使用图5中所示的设置将最终的绝热锥度熔接到ZBLAN光纤。此过程有助于将Corning SMF-28e+和NufernSM-1950光纤成功熔接到ZBLAN光纤。

图7. LZM-100测量工具在两个正交方向上测量的绝热锥度曲线。红色箭头指示锥度被切割的位置。

3.结果

3.1 熔接点的抗拉强度

为了确定过程的可重复性，使用相同的优化和自动化的熔接过程在FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN和Fujikura RCSM-PS-U17C之间进行了10个连续的熔接。使用图3中所示的装置测量拉伸强度，结果显示在图8中。测得的平均极限张力为121.4gf，其中90％的样品的极限张力高于100gf。值得注意的是，最终张力以gf记录，因为很难定义在125µm和80µm光纤之间的接头的应用区域，以便将其转换为拉伸强度单位。为了便于比较，对于125μm和80μm直径的光纤，极限张力为100gf时，分别对应于11.6kpsi（79.9MPa）和28.3kpsi（195.1MPa）的极限拉伸强度。

图8. 一组10个连续的熔接样品的极限张力直方图，以克力（gf）表示。

据我们在撰写本文时所知，使用中间涂层在ZBLAN和SiO₂光纤之间熔接时，所报道的最高拉伸强度为70MPa6（10.2kpsi）。

3.2 熔接损耗

从FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN和Fujikura RCSM-PS-U17C之间的另外10个连续接头中确定了熔接损耗的可重复性。使用图5中所示的装置测量了1550nm处的传输损耗，结果如图9所示。

图9.对于一组10个连续的接头样本，FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN光纤和Fujikura RCSM-PS-U17C光纤之间的熔接损耗直方图。

平均损耗为0.225dB，最小损耗为0.06dB，最大损耗为0.54dB，该数据表明所描述的方法在ZBLAN和SiO₂光纤之间实现了一致的，低损耗的接头。表3显示了使用锥形方法在康宁SMF-28e+和Nufern SM-1950光纤上进行的其他损耗测试。尽管记录的损耗不如80um减小包层SM光纤那么低，但证明了采用此方法的可行性到更大范围的SM光纤。

表3. 本研究中使用的所有SM光纤在1550nm处测得的平均熔接损耗汇总。

对于所有测试的熔接组合，使用光束轮廓仪和远场扫描仪检查ZBLAN光纤末端的光束质量，以确保ZBLAN 光纤在单模态下运行。图10中显示了一个示例。

图10.使用光束轮廓仪捕获的ZBLAN输出光束99％高斯拟合（a）和轮廓（b）。右图显示了使用远场扫描仪以对数刻度捕获的相同光束，并以极坐标（c）和线性（d）坐标显示范围为+/- 90deg。

4.总结与讨论

介绍了一种基于CO₂激光的玻璃加工站将ZBLAN光纤熔接到SiO₂光纤，而无需中间介质或外部机械支撑的新工艺。为大规模生产高可靠性，低损耗的接头铺平了道路。在1550nm处的平均损耗为0.23dB，平均极限张力为121.4gf，据悉，这是ZBLAN和SiO₂光纤之间直接熔接而没有增加传输损耗的最高拉伸强度。

随着我们将这项研究扩展到更标准的125μm光纤之后，我们相信采用传统的模式适配器技术以及基于石英的光纤进行拉锥工艺，将使上述方法应用到范围更大的各种单模和多模光纤。另外，随着ZBLAN光纤品质的提升，也将推动该方法的扩展应用！

参考文献

[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)