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光纤镀膜技术10年经验总结

2022/03/29 14:46:43 来源:福津光电 分享到:

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作者:Ming.Lan,深圳市福津光电技术有限公司资深工程师,在光纤镀膜和高功率半导体激光光纤耦合行业有15+年工作经验。

光纤作为光波导的主要媒介,目前已经在各个领域广泛应用,例如光纤通信传输、光纤激光器制造、半导体激光光纤耦合输出和医疗激光美容设备等行业。光纤的纤芯材料为高纯度的熔融石英,其材质跟光学玻璃元件相同,我们可以在光学玻璃表面上镀制各种光学薄膜,也可以在光纤端面上镀制各种类型的光学薄膜,如增透(减反)膜、带通膜、高反膜和长/短波截止膜等。通过在光纤端面沉积多层介质膜,可以实现各种不同的光谱要求。

原理上,光纤镀膜与玻璃光学元件的镀膜是一样的,但是在实际制作过程中,光纤由于芯径细小的特性导致其镀膜工艺与玻璃元器件有明显差异,这给镀膜行业带来了新的困难和挑战。福津光电专注于光纤镀膜事业超过10年,通过不断地优化和改善,逐个突破光纤镀膜中遇到的各类难题,建立了光纤镀膜特有生产流程。在此我们总结多年来的实际生产经验,将光纤镀膜中遇到的一些主要难题和要点总结,供同行朋友参考。

光纤镀膜光洁度标准问题

从单模光纤到多模光纤,光纤的芯径从5μm~800μm 不等,通过光纤纤芯的激光功率从毫瓦到几百瓦级别不等,整个行业没有统一的标准,各个厂家只能根据具体的应用而定。以工业高功率半导体激光模块使用的耦合输出尾纤(图1)为例,客户最理想的要求是纤芯A区域绝对干净,达到零麻点和零刮痕。这是因为该区域是激光传输的核心区域,激光密度很高,容易因瑕疵导致光纤失效。

 

 

图1 镀膜尾纤和高功率激光器模块

包层B区域允许少数的刮痕、麻点和崩边。对于多模光纤来说由于其纤芯区域很大,一般会允许少数麻点。参照福津光电105/125 MM 美国Nufern光纤目检标准(如下图2和表1所示),该标准比普通滤光片表面质量60-40(MIL-PRF-13830B) 要严格很多,由于光纤端面最大直径为125μm 需要在200~500X金相显微镜下目检,而普通滤光片在20~45X体式显微镜下目检即可。

 

图2 光纤端面示意图

表1 光纤端面目检标准

 

 

由于追求超高标准的光洁度,该检测成为光纤镀膜流程良率最低的环节。福津光电通过持续改进,实现目检测良率从最初的30%提升到现在的85% 。究其原因,主要有以下几方面:

1)镀膜前光纤端面研磨抛光必须绝对干净。镀膜前的标准比镀膜后的标准要高一级别,才能实现镀膜后端面符合标准。如图3,镀膜前零刮痕、零麻点、零崩边是我们追求的目标。如果镀前光纤端面上残留微尘颗粒,那么镀膜后这些颗粒会被覆盖在膜层下面,在黑白的显微镜下会看得更加明显,如图4;

 

 

图3 合格的光纤端面

 

 

图4 失效的光纤端面

2)光纤必须保存在无尘环境,镀膜前产品需要放置在百级净化工作台,且镀膜前光纤不能放置太久,避免环境中有微尘吸附到光纤端面;

3)确保镀膜机内部环境扬尘最少,镀膜机需要定期保养、打磨和除尘,锡箔纸有一定的保护作用,但是锡箔纸上的膜层容易脱落,造成扬尘。镀膜前抽真空会引发气流扰动,容易造成微尘吸附到光纤端面。其次专业的设备做专业的事,如果用做滤光片的镀膜机来做光纤镀膜,光洁度很难保证。二者保养的成本不一样,因此一般镀膜厂家都可以给光纤镀膜,但是不能保证光纤的光洁度;

4)镀膜过程需要设备运行稳定,离子源打火、电子枪电流不稳定都会导致密集的麻点。有些镀膜机炉内空间比较大,理论上可以放置较多光纤以降低成本,可是一旦发生镀膜机故障,往往会造成整炉产品报废,损失巨大。因此,我们需要在保证镀膜质量和降低成本上做权衡,取最佳的平衡点;

5)镀膜时间越长,光洁度越差。在多层膜沉积过程中,每一层膜都会由于镀膜材料融化不完全、蒸发源清洁度和离子源清洁度等因素,喷溅极小的麻点。一层一层地累加,如果到30层、50层、60层的厚膜,麻点的累计就非常明显。微尘和麻点在激光传输应用中是很致命的,因此在设计膜系时,需要尽量减少膜层数和厚度。

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责编:曹静
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