基于CO2激光的微纳光纤熔接技术研究

周 聪，谷付星

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

微纳光纤即截面直径为微米或者纳米量级的光纤，对于光子元件和设备的制备起到至关重要的作用。随着低损耗玻璃光纤[1]制备技术的快速发展，人们开始使用火焰或者激光作为加热源来制备直径更细的光纤，并研究其在光波导方面的用途。火焰拉伸法是现在制备微纳光纤最常用的方法，即通过酒精灯火焰加热普通光纤至软化状态，然后进行拉伸获得微纳光纤。相比传统直径在微米或者毫米量级的光纤，微纳光纤直径在波长或者亚波长量级，具有制备简单、光传输损耗低、光场约束能力强、倏逝场比例大等优点，在波导光学、非线性光学和量子光学等基础研究领域以及微纳光子器件[2-8]的研究中具有非常广泛的应用前景。

由于微纳光纤具有大比例的倏逝场、低损耗传输以及表面场增强等特点[9]，微纳光纤常用于光学的输入输出耦合或光学器件中[10-13]。但是在利用倏逝波进行微纳光纤的耦合时，耦合区域的稳定性通常是利用微纳光纤之间的相互作用力来维持的，这种稳定性往往很差，这时就需要将两根微纳光纤熔接在一起以增加结构的稳定性。由于微纳光纤的直径在微米或者纳米量级，所以微纳光纤常用的熔接方法是CO2激光加热熔接法。二氧化碳激光器是以CO2气体作为主要气体的激光器，具有功率稳定、能量高等特点，被广泛用于医疗、军工等各个领域。使用二氧化碳激光器作为加热源是较为普遍的方法，其熔接光纤的主要原理是，先在光学显微镜下将微纳光纤耦合在一起，然后将微纳光纤的耦合区域放在激光器聚焦光斑处进行熔接，但是这种方法操作繁琐，聚焦光斑较大。

本文使用的是出射波长为10.6 μm的二氧化碳激光器(SYNRAD，FSTi60SFH)，最大输出功率为60 W，出射光束直径为2.5 mm。实验中先对二氧化碳激光器出射的光进行扩束、聚焦以得到更小的光斑，光斑可在自己搭建的显微镜系统中很容易观察到，然后进行光纤的耦合与熔接，最终将两根微纳光纤熔接在一起。

1 微纳光纤的熔接装置

本文所用到的两根微纳光纤直径相等大约为几个微米，如果直径不相等将会导致熔接点不光滑等现象从而影响光的传输损耗，光纤长度为几十个微米，所用的光纤为氧化硅光纤。为了获得直径相同的微纳光纤，我们通过酒精灯火焰加热拉伸法[14]来制备微纳光纤。首先取适当长度的普通氧化硅光纤(Corning，SMF-28)，用光纤剥线钳将这段光纤中间部分长度约为25 mm的涂覆层剥去，并用酒精将剥去涂覆层的光纤表面擦干净；然后将剥去涂覆层的光纤放到酒精灯外焰进行加热直至光纤软化，并以适当速度拉伸光纤的软化处，直到拉断为止。根据实验需要，可以改变拉伸的速度来获得不同直径和不同长度的微纳光纤。由于是同一根微纳光纤被拉断，所以微纳光纤的直径是相同的。在50倍长工作距离显微物镜(Nikon，LU plan ELWD)下将制备好的两根微纳光纤分别固定在两片不同的纯石英载玻片上进行熔接。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental device

如图1所示，是一套自主搭建的微纳光纤熔接的实验装置。信号发生器产生频率为10 kHz、幅值为5 V的脉冲信号，调节占空比可控制二氧化碳激光器的输出功率。激光器输出激光通过硒化锌扩束镜将光斑直径扩大到8 mm左右，然后经过两个硒化锌反射镜和焦距为75 mm的平凸硒化锌透镜以50°入射角聚焦到微纳光纤的重合区域。将占空比调至7%后，将聚焦光斑直接照射到石英载玻片上，载玻片开始融化并不会炸裂。当石英载玻片融化时，该融化区域发光，可在自行搭建的显微镜中观察到石英载玻片所发出的亮光斑即二氧化碳激光的聚焦光斑，光斑直径大约为50 μm，如图2所示。这样可以直接确定焦点处即加热区域的位置，但是由于外界的干扰导致光路有一些微小的变化，致使光斑的位置也会有一些微小的变化，所以每次进行熔接微纳光纤前需要先标定光斑的位置。将制备好的微纳光纤固定在两片石英载玻片上，其中一片石英载玻片固定在三维调节架上，另一片放在二维平移台上，调节三维调节架和二维平移台，并将微纳光纤的重合区域移动到加热区进行加热熔接。

图2 微纳光纤熔接示意图Fig. 2 Schematic diagram of micro-nano optical fiber fusion splicing

2 实验和讨论

2.1 微纳光纤的熔接过程

在微纳光纤的熔接过程中，先调节占空比为7%，使激光聚焦光斑照射到石英载玻片上，观察光斑位置，如果观察不到光斑可通过二维平移台调节整个显微镜的位置直至观察到亮光斑，如图3(a)所示。调节三维调节架使两根直径为6 μm左右的微纳光纤重合，重合区域长度大约为5 μm，将重合区域移动到加热区即光斑处，如图3(b)所示。调节信号发生器中的占空比至4.2%再进行加热，随着CO2激光照射时间的增加，重合区域的微纳光纤不断地吸收CO2激光的能量并升温，当微纳光纤到达熔点时，两根微纳光纤开始慢慢地熔接成一根，并通过光纤表面的张力慢慢地修复熔接处，最终使熔接区域的光纤表面变得光滑，如图3(c)所示。从图3(c)中可以看到，熔接点以外的部分光纤出现了小幅度弯曲的情况，这种情况是因为CO2激光以一定角度入射时，照射到载玻片边缘的部分激光会反射到微纳光纤上，使得熔接点以外的光纤弯曲。将熔接点放到 100倍物镜 (Nikon，LU plan ELWD)下观察，如图3(d)所示，可以看到熔接点的光纤直径明显小于两侧的光纤直径，这是因为加热时间稍长，熔接点的光纤材料向两侧直径较粗的光纤方向移动，导致熔接点的光纤直径较小。从图3(d)中我们可以明显地观察到两根光纤已经完全熔接成一根光纤。

图3 微纳光纤熔接过程，图（a）中的标尺适用于图（b）～（d）Fig. 3 Process of micro-nano optical fiber fusion splicing,the scale in Figure (a) applies to Figure (b)-(d)

2.2 微纳光纤的熔接优化

由于载玻片边缘反射CO2激光导致熔接点以外的微光纤有小幅度的弯曲，这样可能导致额外的光传输损耗，因此需要避免CO2激光的反射。为此我们增加了两片石英载玻片的距离，并将载玻片边缘处打磨成一定的角度，使CO2激光照射不到载玻片边缘。此外我们还减少光照时间或者降低加热温度，尽量使熔接点处的光纤直径均匀。

经过以上优化后，我们将一根直径大约为4.5 μm的光纤进行熔接，如图4所示。在图4(a)中我们先确定加热区的位置，然后将两根光纤的重合区域移动到加热区，重合区域长度大约为5 μm，如图4(b)所示。此时我们将CO2激光器的输出功率调低，即降低加热温度后再对两根光纤进行加热熔接，熔接过程如图4(c)，最终熔接成一根光纤，如图4(d)所示。从图4(d)中我们可以看出，两根微纳光纤已经完全熔接成一根，熔接点以外的微光纤并没有弯曲现象，而且熔接点处的微光纤直径均匀并具有很好的轴对称性，此熔接结果明显好于Pal等[15]报道的光纤熔接点的形貌。

图4 微纳光纤熔接过程的优化，图（a）中的标尺适用于图（b）～（d）Fig. 4 Optimization of micro-nano optical fiber fusion splicing process, the scale in Figure (a) applies to Figure (b)-(d).

3 结 论

本文通过对CO2激光扩束聚焦后将两根微纳光纤熔接成一根完整的光纤，通过对熔接技术的优化增加了光纤耦合区域的稳定性，减少了光传输过程中的损耗。对几个微米直径的微光纤进行熔接后，在光学显微镜下可以观察到熔接点处的微光纤表面光滑连续。通过调节加热时间或者加热温度可以控制熔接点处的微纳光纤直径。后期我们可以通过软件的方法来自动控制加热时间和加热温度，使熔接处的光纤直径尽可能接近其两侧光纤的直径。利用这种微纳光纤熔接技术，可以制作一系列具有很好机械稳定性的纳米光子器件，比如闭环谐振腔，这种谐振腔比利用结型区或者耦合区微纳光纤之间的相互作用力来维持结构的环形谐振腔[1,13]具有更好的机械稳定性，可以很方便地对其进行转移或将其与其他器件集成。