无锡易卿辰光电科技有限公司

高功率CPS的制作工艺-表面刻蚀包层光剥除技术研究

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发表时间:2021-08-01 17:23

 表面刻蚀包层光剥除技术原理如图1 所示,是在正常的双包层光纤内包层表面人为制造规则或不规则的凹凸纹理,使包层失去激光传导条件,当包层激光进入该区域后在表面处发生散射,从而实现剥除包层光的目的。   使用该方案具有明显优势在于,表面处理之后,包层激光泄漏界面仍然为“石英——空气”界面,未增加其他油脂或胶水等介质,避免了介质对激光吸收而导致发热,散射到空气中的激光可以方便的使用吸光热沉加以处理。其难点在于工艺实现,主要是由于光纤直径较细,在其表面做纹理加工难度非常大,Nandam Ashok 等公开了使用 二氧化碳激光器对光纤表面进行雕刻的方案,实现剥除包层功率 60W,其操作难度极大,成本非常高。这也制约了表面刻蚀技术的量产商业进程。   本节研究内容为使用氢氟酸(HF)化学腐蚀方法实现光纤包层表面刻蚀。氢氟酸为弱酸,且是目前唯一能用于与石英酸蚀的化学品,一定浓度的氢氟酸水溶液可以对光纤表面进行刻蚀处理,但是由于光纤直径小以及溶液表面张力等因素,一旦光纤接触溶液便被完全浸泡,最终得到的结果是将光纤直径整体腐蚀变细且表面仍然光滑,无法实现在光纤表面形成纹理,这样也可以实现包层光剥除效果,但是激光功率只在腐蚀起点处泄露,而腐蚀起点往往是腐蚀物沉淀最严重的区域,大量激光泄露将导致边界不堪重负,在上百瓦包层光剥除时,温度达到几百摄氏度。   经过研究,我们采用在氢氟酸水溶液的基础上加入钡盐、钙盐等物质,加入的元素会阻止部分光纤表面与 HF 接触,因此实现包层表面不规则纹理。在实验中我们使用特制的剥光液,研究高功率包层功率剥除。   对于特制的剥光液,我们需要先了解其特性,因此设计了实验测试该剥光液作用在直径分别为 125 μm、250 μm、400 μm的光纤上时,包层功率泄漏效果,该实验包括了刻蚀光纤长度及刻蚀时间等因素的影响。通过测试不规则纹理刻蚀前后光纤包层光的衰减值观察刻蚀效果,监控方法如图 2 所示,使用一个(2+1)×1 光纤合束器将一个 10 W的泵浦激光耦合进入对应的双包层光纤中,此时双包层光纤中内包层为接近满注入的最大 NA 为 0.46 的激光,功率接近 10 W,作为测试光源,注入到腐蚀刻蚀过的待测光纤中,通过功率计监控刻蚀前后激光功率大小而测得内包层激光的衰减值。由图 3 可看出,该方案对上述三款直径不同的光纤都有较好的包层功率剥除效果。   图2:剥光液测试监控光路   图3:剥光液剥除包层光效果测试结果 上述描述了腐蚀刻蚀方式对 NA 接近 0.46 的满注入状态包层光效果较好,但是实际上应用中,大量的“无用光”在光纤内部 NA 分布各异,有大量光功率对应 NA 值较小,这样我们必须考虑注入光 NA 较小的情况。经过多次试验,我们找到了两个较为有效的办法:1.沿着光纤包层方向,使用剥光液腐蚀的时间逐渐增加,包层光在前方腐蚀时间较短处散射一部分,在后方腐蚀时间较长处散射剩余的部分,既避免了前段大量激光泄露带来的破坏,也尽量多的将包层光散射;2.在前段散射一部分光后,将后端光纤直径先使用 HF 溶液腐蚀变细,之后再使用剥光液进行处理,这样将包层光散射最大化。   下面以 Nufern 公司生产的 LMA-GDF-20/400-M 为例描述该方法的实施:  

1、将 20/400 光纤中间剥纤长度为 62 mm,这一步的目的是与下一步使用的剥光盘尺寸吻合,输入输出剥纤处对准剥光盘左端第一个和右端最后一个剥光液浸泡范围。

  2、将剥好的裸纤按上述对准特制的剥光盘,用胶带固定好,在中间最宽的区域(腐蚀的区域)先量出一段 25 mm 长度,用笔标记好,再在 25 mm 长度中量出一段 18 mm的长度,用另一种颜色的笔标记好,这一步的目的是明确腐蚀的范围和再次确认裸纤区域是否与剥光液浸泡范围吻合。  

3、先将标记的 25 mm 区域用氢氟酸水溶液(HF 浓度大约为 20%)将包层直径腐蚀至 250 μm,这一过程将持续 3 小时左右;再将处理好的 25 mm、250 μm区域中量取18 mm 长度,用较高浓度的腐蚀液(浓度大约为 25%的 HF)将包层直径腐蚀至 150 μm,这一过程将持续 3 小时左右;这一步的目的是破坏泵浦光传输的内包层的结构,使光无法以全反射方式继续向前传输,从而将泵浦光剥离出内包层。

  4、将腐蚀好的光纤冲洗干净后小心移动到剥光盘上,这一步必须注意不然很容易将光纤扯断。  

5、分别将剥光盘上的 5 个区域的裸纤从输入端至输出端浸泡 3 分钟、5 分钟、7 分钟、6 分钟、6 分钟的剥光液,这一步的目的首先浸泡剥光液是对光纤表面做磨砂处理,使得内包层传输的泵浦光不满足全反射原理,以漫反射剥离出内包层,不同的时间可以保证 5 个区域不会集中发热。   

6、将处理好的光纤先冲洗干净后浸泡清洗剂将光纤表面清洁干净,下一步将继续将光纤封装好。

  7、将两个石英端子量好距离(输出端子左端至输出端子右端距离为 100 mm,即玻璃管的长度)将光纤输入输出端分别穿入对应的端子,这一步必须小心否则很容易将光纤折断。   

8、将端子的其中一端点上 UV 固化胶,直至 UV 固化胶将端子内壁充满后再在另一端补全 UV 固化胶后用 UV 灯固定,这一步必须等一端的 UV 固化胶将内壁充满后才能封堵另一端,否则由于气压,中间的气泡无法被填充满,将导致光纤固定不牢。

   9、将两个端子都用 UV 固化胶固定好后,将光纤小心穿入玻璃管中,这一步必须非常小心否则很容易将光纤表面弄脏甚至折断。   10、将端子与玻璃管端口对应好后,将光纤小心拉直后固定,用封装端子的方法将端子固定在玻璃管的内部上,这一步 UV 固化胶的流动距离至少为端子长度的一半且必须保证该流动距离内端子表面都有 UV 固化胶。   完成包层功率剥除器制作后,需要验证其在高功率通光条件下的性能,本实验中,我们将器件接入恒温 22℃的循环水中,水流速约 2 L/min,从器件一端注入包层泵浦光1000 W,测得输出功率小于 5 W,水冷封装盒表面温度最高点处温度为 38.2℃,连续工作 2 小时,基本稳定。

无锡易卿辰光电科技,可提供各类规格,各类承受功率的CPS.

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