摘要：
在過去的十年中，激光熔融石英基（SiO?）光纖對于中紅外波段的光傳輸損耗過大，以氟化物玻璃為材料制作的ZBLAN（ZrF4-BaF2-LaF3-NaF）光纖越來越受大家的關注。如今，ZBLAN光纖激光器實用化最關鍵的制約因素是使用SiO?光纖難以有效地向/從引導介質中注入和提取光。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更小，更便宜，更穩定的器件制造。雖然已經有了使用傳統熔接方法的低損耗熔接的報道，但是熔接點的機械強度非常低，難以量產。實現牢固熔接的難點主要是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，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。此熔接點持久耐用無需過多保護。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勢，光纖激光器在材料加工和醫學領域的使用正在增長。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。基于ZBLAN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組件中。兩種材料的融點的巨大差異使得兩種類型的光纖之間（請參見表1）無法進行常規熔接1，3。常規的熔接方法依賴于軟化光纖并利用表面張力來建立無縫，牢固和長久的接縫，同時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。由于所產生的熔接點的極為脆弱性2，3，4，5，9，這種方法已被證明是不切實際的。使用特殊涂層6或粘合劑2，5的替代方法可以產生更牢固的熔接點，但使制造過程更加復雜。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，在沒有中間材料的情況下將SiO?和ZBLAN光纖進行熔接。該過程需要AFL LZM-100 CO?激光光纖加工站提供高水平的過程控制。LZM-100可以對ZBLAN光纖進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光纖在冷卻過程中收縮時，SiO?光纖會受到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.實驗
為了在接合過程中充分利用ZBLAN的伸縮，SiO?光纖的包層直徑必須比ZBLAN光纖的包層直徑小。該實驗的重點是包層直徑為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.本實驗中使用的所有光纖的主要物理和光學性能
2.1 熔接過程
為了實現有效地對熔接點進行損耗優化，首先將SiO?光纖推入ZBLAN光纖之前、之中和之后，通過精確地調整CO?激光功率，來優化熔接點的抗拉強度。
工藝步驟示意圖如圖1所示。
圖1. 熔接過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，CO?激光會引起ZBLAN光纖膨脹，并且（c）緩慢冷卻熔接點以防止破裂 ZBLAN光纖。受控加熱確保ZBLAN變形保持最小，同時防止ZBLAN光纖結構在冷卻過程中破裂。為了始終獲得高可靠性熔接點，在冷卻過程中對ZBLAN光纖的拉伸強度和柔軟度水平進行精細控制至關重要。
圖2. 顯示了受控冷卻過程和非受控冷卻過程之間的不同結果。
圖2. 失敗的熔接點（a）顯示了在快速，不受控制的冷卻過程中ZBLAN光纖結構破裂導致的光纖分離。斷裂總是發生在插入的SiO?光纖（b）的尖頭部。為了進行比較，成功的熔接過程（c）使ZBLAN在SiO?光纖周圍逐漸壓縮而不會破裂。
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的裸露包層筆直地位于兩者之間。當開始測試時，第一個塊向外移動，逐漸加大施加在熔接點上的線性張力。附著在第二塊上的校準稱重傳感器顯示了以克力（gf）表示的施加張力。增大熔接點上的張力，直到熔接點斷裂，并記錄最終張力。為了進行比較，該測試首先在一條未切割的ZBLAN光纖上進行，記錄的極限張力為837gf，其極限拉伸強度為97kpsi。
圖3.測試結構，用于測量熔接點的最終張力。左側平臺緩慢向外移動，而右側平臺上的稱重傳感器則記錄施加的張力。記錄破損前的最大力。
熔接點斷裂后檢查ZBLAN光纖（圖4a）證實，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）線性拉力試驗后的ZBLAN端面的顯微圖像，顯示出SiO?光纖印痕周圍清晰的向內應力線，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
以上述過程為基礎，使用圖5所示的測試系統優化了1550nm波長處的熔接傳輸損耗。
圖5. ZBLAN和SiO?光纖之間低插入損耗熔接的實驗裝置。使用主動功率計反饋功能在對光纖進行對準。
在此系統中，安捷倫8163A光學機架中的安捷倫HP-81554SM模塊產生了1550nm的光，作為光源，并將其耦合到SMF-28e+尾纖中。在開始實驗之前，使用DataRay Beam的R2狹縫掃描光束輪廓儀（圖6a）以及Photon-Inc的LD8900遠場掃描儀來檢查光源的光束質量。確保在單模態下運行。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光學機架進行的。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。自動化的熔接過程使用有源功率計反饋環路來優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。這是通過使用LZM-100 CO?激光玻璃加工站的拉錐功能完成的，以產生絕熱錐度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測量工具在兩個正交方向上測量的絕熱錐度曲線。紅色箭頭指示錐度被切割的位置。
3.結果
3.1 熔接點的抗拉強度
為了確定過程的可重復性，使用相同的優化和自動化的熔接過程在FiberLabs ZSF-9 / 125-N-0.26 ZBLAN和Fujikura RCSM-PS-U17C之間進行了10個連續的熔接。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，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。
據我們在撰寫本文時所知，使用中間涂層在ZBLAN和SiO?光纖之間熔接時，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掃描儀檢查ZBLAN光纖末端的光束質量，以確保ZBLAN 光纖在單模態下運行。圖10中顯示了一個示例。
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掃描儀以對數刻度捕獲的相同光束，并以極坐標（c）和線性（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，而無需中間介質或外部機械支撐的新工藝。為大規模生產高可靠性，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有增加傳輸損耗的最高拉伸強度。
隨著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以及基于石英的光纖進行拉錐工藝，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ZBLAN光纖品質的提升，也將推動該方法的擴展應用！
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