基于CO2激光的微納光纖熔接技術(shù)研究

周 聰，谷付星

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

微納光纖即截面直徑為微米或者納米量級(jí)的光纖，對(duì)于光子元件和設(shè)備的制備起到至關(guān)重要的作用。隨著低損耗玻璃光纖[1]制備技術(shù)的快速發(fā)展，人們開(kāi)始使用火焰或者激光作為加熱源來(lái)制備直徑更細(xì)的光纖，并研究其在光波導(dǎo)方面的用途?；鹧胬旆ㄊ乾F(xiàn)在制備微納光纖最常用的方法，即通過(guò)酒精燈火焰加熱普通光纖至軟化狀態(tài)，然后進(jìn)行拉伸獲得微納光纖。相比傳統(tǒng)直徑在微米或者毫米量級(jí)的光纖，微納光纖直徑在波長(zhǎng)或者亞波長(zhǎng)量級(jí)，具有制備簡(jiǎn)單、光傳輸損耗低、光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、倏逝場(chǎng)比例大等優(yōu)點(diǎn)，在波導(dǎo)光學(xué)、非線性光學(xué)和量子光學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及微納光子器件[2-8]的研究中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

由于微納光纖具有大比例的倏逝場(chǎng)、低損耗傳輸以及表面場(chǎng)增強(qiáng)等特點(diǎn)[9]，微納光纖常用于光學(xué)的輸入輸出耦合或光學(xué)器件中[10-13]。但是在利用倏逝波進(jìn)行微納光纖的耦合時(shí)，耦合區(qū)域的穩(wěn)定性通常是利用微納光纖之間的相互作用力來(lái)維持的，這種穩(wěn)定性往往很差，這時(shí)就需要將兩根微納光纖熔接在一起以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于微納光纖的直徑在微米或者納米量級(jí)，所以微納光纖常用的熔接方法是CO2激光加熱熔接法。二氧化碳激光器是以CO2氣體作為主要?dú)怏w的激光器，具有功率穩(wěn)定、能量高等特點(diǎn)，被廣泛用于醫(yī)療、軍工等各個(gè)領(lǐng)域。使用二氧化碳激光器作為加熱源是較為普遍的方法，其熔接光纖的主要原理是，先在光學(xué)顯微鏡下將微納光纖耦合在一起，然后將微納光纖的耦合區(qū)域放在激光器聚焦光斑處進(jìn)行熔接，但是這種方法操作繁瑣，聚焦光斑較大。

本文使用的是出射波長(zhǎng)為10.6 μm的二氧化碳激光器(SYNRAD，F(xiàn)STi60SFH)，最大輸出功率為60 W，出射光束直徑為2.5 mm。實(shí)驗(yàn)中先對(duì)二氧化碳激光器出射的光進(jìn)行擴(kuò)束、聚焦以得到更小的光斑，光斑可在自己搭建的顯微鏡系統(tǒng)中很容易觀察到，然后進(jìn)行光纖的耦合與熔接，最終將兩根微納光纖熔接在一起。

1 微納光纖的熔接裝置

本文所用到的兩根微納光纖直徑相等大約為幾個(gè)微米，如果直徑不相等將會(huì)導(dǎo)致熔接點(diǎn)不光滑等現(xiàn)象從而影響光的傳輸損耗，光纖長(zhǎng)度為幾十個(gè)微米，所用的光纖為氧化硅光纖。為了獲得直徑相同的微納光纖，我們通過(guò)酒精燈火焰加熱拉伸法[14]來(lái)制備微納光纖。首先取適當(dāng)長(zhǎng)度的普通氧化硅光纖(Corning，SMF-28)，用光纖剝線鉗將這段光纖中間部分長(zhǎng)度約為25 mm的涂覆層剝?nèi)ィ⒂镁凭珜內(nèi)ネ扛矊拥墓饫w表面擦干凈；然后將剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w放到酒精燈外焰進(jìn)行加熱直至光纖軟化，并以適當(dāng)速度拉伸光纖的軟化處，直到拉斷為止。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可以改變拉伸的速度來(lái)獲得不同直徑和不同長(zhǎng)度的微納光纖。由于是同一根微納光纖被拉斷，所以微納光纖的直徑是相同的。在50倍長(zhǎng)工作距離顯微物鏡(Nikon，LU plan ELWD)下將制備好的兩根微納光纖分別固定在兩片不同的純石英載玻片上進(jìn)行熔接。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental device

如圖1所示，是一套自主搭建的微納光纖熔接的實(shí)驗(yàn)裝置。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10 kHz、幅值為5 V的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)占空比可控制二氧化碳激光器的輸出功率。激光器輸出激光通過(guò)硒化鋅擴(kuò)束鏡將光斑直徑擴(kuò)大到8 mm左右，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)硒化鋅反射鏡和焦距為75 mm的平凸硒化鋅透鏡以50°入射角聚焦到微納光纖的重合區(qū)域。將占空比調(diào)至7%后，將聚焦光斑直接照射到石英載玻片上，載玻片開(kāi)始融化并不會(huì)炸裂。當(dāng)石英載玻片融化時(shí)，該融化區(qū)域發(fā)光，可在自行搭建的顯微鏡中觀察到石英載玻片所發(fā)出的亮光斑即二氧化碳激光的聚焦光斑，光斑直徑大約為50 μm，如圖2所示。這樣可以直接確定焦點(diǎn)處即加熱區(qū)域的位置，但是由于外界的干擾導(dǎo)致光路有一些微小的變化，致使光斑的位置也會(huì)有一些微小的變化，所以每次進(jìn)行熔接微納光纖前需要先標(biāo)定光斑的位置。將制備好的微納光纖固定在兩片石英載玻片上，其中一片石英載玻片固定在三維調(diào)節(jié)架上，另一片放在二維平移臺(tái)上，調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)架和二維平移臺(tái)，并將微納光纖的重合區(qū)域移動(dòng)到加熱區(qū)進(jìn)行加熱熔接。

圖2 微納光纖熔接示意圖Fig. 2 Schematic diagram of micro-nano optical fiber fusion splicing

2 實(shí)驗(yàn)和討論

2.1 微納光纖的熔接過(guò)程

在微納光纖的熔接過(guò)程中，先調(diào)節(jié)占空比為7%，使激光聚焦光斑照射到石英載玻片上，觀察光斑位置，如果觀察不到光斑可通過(guò)二維平移臺(tái)調(diào)節(jié)整個(gè)顯微鏡的位置直至觀察到亮光斑，如圖3(a)所示。調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)架使兩根直徑為6 μm左右的微納光纖重合，重合區(qū)域長(zhǎng)度大約為5 μm，將重合區(qū)域移動(dòng)到加熱區(qū)即光斑處，如圖3(b)所示。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的占空比至4.2%再進(jìn)行加熱，隨著CO2激光照射時(shí)間的增加，重合區(qū)域的微納光纖不斷地吸收CO2激光的能量并升溫，當(dāng)微納光纖到達(dá)熔點(diǎn)時(shí)，兩根微納光纖開(kāi)始慢慢地熔接成一根，并通過(guò)光纖表面的張力慢慢地修復(fù)熔接處，最終使熔接區(qū)域的光纖表面變得光滑，如圖3(c)所示。從圖3(c)中可以看到，熔接點(diǎn)以外的部分光纖出現(xiàn)了小幅度彎曲的情況，這種情況是因?yàn)镃O2激光以一定角度入射時(shí)，照射到載玻片邊緣的部分激光會(huì)反射到微納光纖上，使得熔接點(diǎn)以外的光纖彎曲。將熔接點(diǎn)放到 100倍物鏡 (Nikon，LU plan ELWD)下觀察，如圖3(d)所示，可以看到熔接點(diǎn)的光纖直徑明顯小于兩側(cè)的光纖直徑，這是因?yàn)榧訜釙r(shí)間稍長(zhǎng)，熔接點(diǎn)的光纖材料向兩側(cè)直徑較粗的光纖方向移動(dòng)，導(dǎo)致熔接點(diǎn)的光纖直徑較小。從圖3(d)中我們可以明顯地觀察到兩根光纖已經(jīng)完全熔接成一根光纖。

圖3 微納光纖熔接過(guò)程，圖（a）中的標(biāo)尺適用于圖（b）～（d）Fig. 3 Process of micro-nano optical fiber fusion splicing,the scale in Figure (a) applies to Figure (b)-(d)

2.2 微納光纖的熔接優(yōu)化

由于載玻片邊緣反射CO2激光導(dǎo)致熔接點(diǎn)以外的微光纖有小幅度的彎曲，這樣可能導(dǎo)致額外的光傳輸損耗，因此需要避免CO2激光的反射。為此我們?cè)黾恿藘善⑤d玻片的距離，并將載玻片邊緣處打磨成一定的角度，使CO2激光照射不到載玻片邊緣。此外我們還減少光照時(shí)間或者降低加熱溫度，盡量使熔接點(diǎn)處的光纖直徑均勻。

經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化后，我們將一根直徑大約為4.5 μm的光纖進(jìn)行熔接，如圖4所示。在圖4(a)中我們先確定加熱區(qū)的位置，然后將兩根光纖的重合區(qū)域移動(dòng)到加熱區(qū)，重合區(qū)域長(zhǎng)度大約為5 μm，如圖4(b)所示。此時(shí)我們將CO2激光器的輸出功率調(diào)低，即降低加熱溫度后再對(duì)兩根光纖進(jìn)行加熱熔接，熔接過(guò)程如圖4(c)，最終熔接成一根光纖，如圖4(d)所示。從圖4(d)中我們可以看出，兩根微納光纖已經(jīng)完全熔接成一根，熔接點(diǎn)以外的微光纖并沒(méi)有彎曲現(xiàn)象，而且熔接點(diǎn)處的微光纖直徑均勻并具有很好的軸對(duì)稱(chēng)性，此熔接結(jié)果明顯好于Pal等[15]報(bào)道的光纖熔接點(diǎn)的形貌。

圖4 微納光纖熔接過(guò)程的優(yōu)化，圖（a）中的標(biāo)尺適用于圖（b）～（d）Fig. 4 Optimization of micro-nano optical fiber fusion splicing process, the scale in Figure (a) applies to Figure (b)-(d).

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)CO2激光擴(kuò)束聚焦后將兩根微納光纖熔接成一根完整的光纖，通過(guò)對(duì)熔接技術(shù)的優(yōu)化增加了光纖耦合區(qū)域的穩(wěn)定性，減少了光傳輸過(guò)程中的損耗。對(duì)幾個(gè)微米直徑的微光纖進(jìn)行熔接后，在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到熔接點(diǎn)處的微光纖表面光滑連續(xù)。通過(guò)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間或者加熱溫度可以控制熔接點(diǎn)處的微納光纖直徑。后期我們可以通過(guò)軟件的方法來(lái)自動(dòng)控制加熱時(shí)間和加熱溫度，使熔接處的光纖直徑盡可能接近其兩側(cè)光纖的直徑。利用這種微納光纖熔接技術(shù)，可以制作一系列具有很好機(jī)械穩(wěn)定性的納米光子器件，比如閉環(huán)諧振腔，這種諧振腔比利用結(jié)型區(qū)或者耦合區(qū)微納光纖之間的相互作用力來(lái)維持結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振腔[1,13]具有更好的機(jī)械穩(wěn)定性，可以很方便地對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)移或?qū)⑵渑c其他器件集成。