CN109085680A - 一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法。在微纳光纤制备完毕后，包括：在微纳光纤处于伸直的状态下，将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上，所述光纤夹具底板分别支撑光纤两端的未拉伸部分；在移除光纤上的所有光纤夹具压板后，将封装基底和光纤整体翻转，使封装基底在光纤的下方且封装基底的两端分别置于所述光纤夹具底板上；将封装盖的下表面与封装基底固定连接完成封装。本发明具有制作成本低廉、操作简便、封装快捷、等特点，且微纳光纤不出现断裂的封装成功率几乎为100%。

Description

一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法

技术领域

本发明涉及一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，属于微纳光纤技术领域。

背景技术

微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学以及光纤传感等领域的前沿研究方向之一。与传统光纤相比，微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长，而且纤芯包层折射率差很大，对周围物理环境敏感，具有强光场约束能力、强倏逝场、低损耗传输等光学传输特性。而且近几年来，随着微纳光纤制备工艺的改进，加之具备实验高重复性优点的机械式光纤拉制系统的出现，微纳光纤的应用研究已经逐渐覆盖到传感、通信、量子光学等众多重要的领域。然而，尤其在微纳光纤传感器的研究领域，存在着微纳光纤不易拾取封装、断裂概率高、转移困难等问题。此外，目前较为普遍采用的微纳光纤封装方法是：利用机械式光纤拉锥的方式制备微纳光纤后，将微纳光纤伸直，然后将封装基底由下而上抬升置于微纳光纤的下方，直至封装基底的上表面与光纤两端的未拉伸部分接触后，将封装基底的上表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，然后松开所有的光纤夹具，将封装盖的下表面固定于光纤两端的未拉伸部分。在将封装基底和封装盖固定于光纤两端的未拉伸部分上时，应避免封装基底和封装盖与微纳光纤粘接在一起。

因光纤夹具底板固定在机械式光纤拉锥系统上，难以调整微纳光纤两侧的光纤夹具底板之间的间距，因此利用该方法将封装基底在两侧的光纤夹具底板之间缓慢抬升的过程中，易出现因封装基底置两侧的光纤夹具底板的间距太小而操作不便，进一步导致微纳光纤断裂；而且易出现因抬升距离不合适，使得下一步在将封装基底的上表面与光纤两端的未拉伸部分进行固定的操作中，极易因光纤固定不稳、在固定时微纳光纤所受应力过大而导致微纳光纤断裂。此外，在光纤两端的未拉伸部分固定于封装基底的过程中，还易出现因封装基底表面的整体不平整导致的微纳光纤断裂情况。以上三个步骤的任一过程都很容易导致微纳光纤断裂，造成封装成功率较低。因此，研究一种微纳光纤的新的封装方法，使封装过程成本低廉、操作简便、封装快捷、微纳光纤断裂率低，提高封装成功率，这对于诸多涉及微纳光纤的应用领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，封装过程微纳光纤几乎不会断裂，封装成功率接近100%。

为实现以上发明目的，本发明采取的一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法为：在微纳光纤制备完毕后，包括：在微纳光纤处于伸直的状态下，将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上，所述光纤夹具底板分别支撑光纤两端的未拉伸部分；在移除光纤上的所有光纤夹具压板后，将封装基底和光纤整体翻转，使封装基底在光纤的下方且封装基底的两端分别置于所述光纤夹具底板上；将封装盖的下表面与封装基底固定连接。

进一步地，本发明在将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起之前，先松开能够障碍封装基底与光纤两端的未拉伸部分贴合的光纤夹具压板。

本发明采取的另一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法为：在微纳光纤制备完毕后，包括：在微纳光纤处于伸直的状态下，将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上，所述光纤夹具底板分别支撑光纤两端的未拉伸部分；将按压板固定于所述封装基底的上表面；在移除光纤上的所有光纤夹具压板后，将封装基底、按压板和光纤整体翻转，使封装基底和按压板在光纤的下方且按压板的两端分别置于所述光纤夹具底板上；将封装盖的下表面与封装基底固定连接。

进一步地，本发明在将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起之前，先松开能够障碍封装基底与光纤两端的未拉伸部分贴合的光纤夹具压板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）现有技术采用将封装基底从光纤的下方向上抬升后与光纤两端的未拉伸部分固定的方式，因此封装基底的长度不能超过间距最小的一对光纤夹具底板之间的间距，不仅操作空间小，操作难度大，而且容易导致微纳光纤的断裂。相比于现有技术的封装过程，本发明通过采用先将封装基底的下表面固定于光纤两端的未拉伸部分的上方且使封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上的操作方式，使得在将封装基底和光纤整体翻转时，仍然能够使封装基底的两端分别置于光纤夹具底板上，整个固定封装基底的操作过程不受光纤夹具底板的间距的影响，操作空间大，在固定封装基底于光纤上的过程中，微纳光纤的断裂率几乎为0，封装成功率达到了100%，获得了预料不到的技术效果。

2）本发明可以针对不同类型的光纤夹具，可自由松开可能会障碍封装基底与光纤直接贴合的光纤夹具压板，使得封装基底的整个封装过程自由灵活。

3) 本发明在由上向下将封装基底的下表面固定于光纤两端的未拉伸部分上的同时，光纤夹具底板支撑着封装基底，因此可充分利用光纤夹具底板表面的整体平整性，使得在将封装基底固定于光纤两端的未拉伸部分时，克服了现有技术因封装基底表面整体不平整而导致封装基底直接与光纤两端的未拉伸部分固定不牢固、在固定时微纳光纤所受应力过大等导致微纳光纤断裂的缺陷。此外，根据封装基底自身的重力作用大小可通过按压板等调节作用于光纤两端的未拉伸部分的重力作用大小，可使光纤两端的未拉伸部分在封装基底的粘贴处与封装基底充分接触，从而增强封装基底与光纤两端的未拉伸部分固定的稳固性。

4）本发明具有制作成本低廉、操作简便、封装快捷等特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明；

图1为使用本发明方法封装之前，伸直的微纳光纤被光纤机械夹具固定时的结构示意图；

图2为使用本发明方法将封装基底固定于光纤两端的未拉伸部分后的结构示意图；

图3为使用本发明方法将封装基底和光纤整体翻转后的结构示意图；

图4为使用本发明方法对微纳光纤进行封装过程前后，利用监测光源和探测器进行光纤断裂检测的结构示意图；

图5为使用本发明方法对无源微纳光纤进行封装过程前后，光纤断裂检测得到光纤的输出端的监测光源功率随时间变化的曲线图；

图6为使用本发明方法封装之前，伸直的微纳光纤被一对光纤夹具固定时的结构示意图；

图7为使用本发明方法对有源微纳光纤进行封装过程中，使用按压板后的结构示意图；

图8为使用本发明方法对有源微纳光纤进行封装过程中，翻转封装基底、按压板和光纤整体后的结构示意图；

图9为使用本发明方法对有源微纳光纤封装完成后，去掉按压板后的结构示意图；

图10为使用本发明方法对有源微纳光纤进行封装过程前后，光纤断裂检测得到光纤的输出端的监测光源功率随时间变化的曲线图；

图中，1-微纳光纤， 2-光纤的未拉伸部分，3-封装基底，411-内侧光纤夹具压板，421-外侧光纤夹具压板，5-光纤夹具底板，511-内侧光纤夹具底板，512-外侧光纤夹具底板，6-封装区域，7-按压板，8-封装盖，9-监测光源，10-探测器，F1-光纤夹具底板的内侧端面，F3-光纤夹具底板的内侧端面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

以下以用于光纤传感领域的无源微纳光纤的封装过程为例进一步说明本发明的技术方案。

在本实施例中，所封装的微纳光纤1在其制备过程中使用了两对光纤机械夹具对光纤两端的未拉伸部分2进行固定，每个光纤机械夹具由一个光纤夹具底板和一个光纤夹具压板构成。如图1所示，其中的一对光纤机械夹具在内侧，另一对光纤机械夹具在外侧，位于内侧的一对光纤机械夹具由一对光纤夹具底板511和一对光纤夹具压板411构成，位于外侧的一对光纤机械夹具由一对光纤夹具底板521和一对光纤夹具压板421构成。微纳光纤1制备完毕后，通过机械拉锥系统的运动平台将微纳光纤伸直。

封装基底3的长度大于位于内侧的一对光纤机械夹具的两个光纤夹具底板511的内侧端面之间的间距（如图2所示，该间距为光纤夹具底板511的内侧端面F1与另一个光纤夹具底板511的内侧端面F3之间的间距），使得在将封装基底3的下表面粘接于光纤两端的未拉伸部分2上后，封装基底3的两端可分置于这两个光纤夹具底板511上，并使得在将封装基底3与光纤整体翻转后，封装基底3的两端亦能够各置于一个光纤夹具底板511上。若在将封装基底3的下表面固定于光纤两端的未拉伸部分2上之前，判断封装基底3可能会压在光纤夹具压板上，则可以先翻开这些光纤夹具压板，以便可以顺利地将封装基底3直接固定于光纤上而不受光纤夹具压板的障碍。

本实施例中，封装基底3的材料采用亚克力板。由于亚克力板的自身重力足以使封装基底3与光纤两端的未拉伸部分2在粘接处充分接触，从而能够保证封装基底3与光纤稳固地粘接在一起，因此，本实施例不必在封装基底3的上表面固定按压板。此外，由上向下将封装基底3的下表面粘接于光纤两端的未拉伸部分2上时，两个光纤夹具底板511分别支撑着封装基底3的两端，因此，光纤夹具底板表面的整体平整度可防止在封装基底3固定于光纤两端的未拉伸部分2时，光纤两端的未拉伸部分2因受不均匀应力而导致出现微纳光纤1断裂的情况。

封装时，先松开位于内侧的一对光纤机械夹具的两个光纤夹具压板411；然后在封装基底3的下表面上需要与光纤的未拉伸部分粘接的位置处贴上双面胶，再将贴于封装基底3上的双面胶缓慢地粘贴于光纤两端的未拉伸部分2上，从而使封装基底3的下表面与光纤两端的未拉伸部分2固定在一起，此时应使封装基底3的两端分置于位于内侧的两个光纤夹具底板511上（如图2所示）。需要说明的是，在进行将封装基底3上的双面胶与光纤两端的未拉伸部分2粘接在一起的操作时，应注意不使双面胶粘在光纤夹具底板上，以避免在后续将封装基底和光纤整体翻转时，微纳光纤受光纤夹具底板上的双面胶的胶粘作用力影响而出现断裂。接着，松开剩余的另一对光纤机械夹具的两个光纤夹具压板421，避免微纳光纤1在后续的翻转操作中受压力影响出现断裂。然后，将封装基底3和光纤1整体翻转，使封装基底3在光纤1的下方且封装基底3的两端仍旧分置于两个光纤夹具底板511上（如图3所示）。封装盖的大小与封装基底相吻合，便于封装操作，达到封装快捷、密闭封装的技术效果。参见图4，在封装盖8的下表面的环形封装区域6上贴上双面胶，然后通过封装区域6上的双面胶将封装盖8的下表面与封装基底3固定连接在一起完成封装。在将封装基底与光纤的未拉伸部分、封装盖进行固定时，应避免使封装基底、封装盖与微纳光纤粘接在一起，并注意避免使封装盖和封装基底与微纳光纤触碰，以使封装后，微纳光纤在封装盖和封装基底之间处于“悬空”的状态。

如图4所示，为检验整个封装过程前后微纳光纤是否存在断裂情况，可将光纤的输入端通过光纤适配器与波长为1550nm的激光监测光源9相连接，光纤的输出端通过光纤适配器与功率探测器10相连接，由此实现对光纤输出端的激光光源的功率实时监测。如图5所示，经检测，每次按本实施例方法对无源微纳光纤进行封装，微纳光纤均没有出现断裂，实现了100%的成功封装率，切实解决了微纳传感的样品制备效率问题，在微纳光纤传感领域具有重要的实际意义。

实施例2

以下以用于光学物镜荧光成像的有源微纳光纤的封装过程为例进一步说明本发明的技术方案。

本实施例中，所要封装的微纳光纤在其制备时，使用一对光纤夹具对光纤两端的未拉伸部分2进行固定。该对光纤夹具包括一对光纤夹具底板，每个光纤夹具底板上有光纤夹具压板41和光纤夹具压板42，如图6所示。其中，光纤夹具底板为磁性不锈钢V型槽底板，光纤夹具压板为磁性压垫。微纳光纤1制备完毕后，通过机械拉锥系统的运动平台将微纳光纤伸直。

封装基底3的长度大于其中一个光纤夹具底板5的内侧端面F1与另一个光纤夹具底板5的内侧端面F3之间的间距，使得封装时，封装基底3的两端可以分置于两个光纤夹具底板5上。封装前，若判断封装基底3在封装时可能会压在光纤夹具压板上，则先松开可能会障碍封装基底3的光纤夹具压板，以便封装基底3可以顺利地与光纤两端的未拉伸部分固定在一起。在本实施例中，需要先松开可能会障碍封装基底3的靠内侧的一对光纤夹具压板41（如图6和图7所示）。

本实施例采用载玻片作为封装基底3。由上向下将封装基底3的下表面固定于光纤两端的未拉伸部分2上时，光纤夹具底板支撑着封装基底3，因此可借助光纤夹具底板表面的整体平整度，防止在将封装基底3固定于光纤两端的未拉伸部分2的过程中，光纤两端的未拉伸部分2因受不均匀应力而出现微纳光纤1断裂的情况。由于本实施例中的封装基底3的材质较轻，封装基底3的自身重力作用不足以使光纤两端的未拉伸部分2与封装基底3在粘接处充分接触，因此，在将封装基底3固定于光纤两端的未拉伸部分时，可能会出现两者固定不稳固的情况。为此，需要在封装基底3的上表面固定按压板7，以此保证封装基底3固定于光纤上的稳固性。按压板7的长度大于两个光纤夹具底板5的两个内侧端面F1、F3之间的间距，以使将按压板7和封装基底3整体翻转后，按压板7的两端能够分置于两个光纤夹具底板5上。在封装基底3的上表面固定按压板7之后以及在封装完成之前，为保证在封装基底3固定于光纤两端的未拉伸部分2的过程中与微纳光纤固定的稳固性，不宜将按压板7拆除，这样可以同时减少因松开且移除按压板7而在上述几个操作过程中引入一些导致微纳光纤断裂的不确定性因素。例如，在封装基底3的上表面固定按压板7之后，如果松开按压板7不彻底，将会使按压板7与封装基底3局部固定，此时移除按压板7容易导致固定于封装基底3的下表面的微纳光纤因受不均匀应力而发生断裂。

表面涂覆荧光辐射源的有源微纳光纤制备好后，先松开封装基底3的靠内侧的一对光纤夹具压板41，在封装基底3的下表面贴上双面胶，将贴于封装基底3上的双面胶缓慢地粘贴于光纤两端的未拉伸部分2上，以使封装基底3的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，同时应使封装基底3的两端分别置于位于内侧的两个光纤夹具底板5上。与实施例1同理，在进行将封装基底3上的双面胶与光纤两端的未拉伸部分2粘接在一起的操作时，应注意不使双面胶粘在光纤夹具底板5上，以避免在后续将封装基底、按压板和光纤整体翻转时，微纳光纤受双面胶的胶粘作用力影响而出现断裂。在封装基底3的上表面贴上一层固定胶，通过该固定胶，将按压板7与封装基底3固定在一起（如图7所示）。此时，需要注意按压板7的位置，应使按压板7、封装基底3和光纤整体翻转后，按压板7的两端能够分置于两个光纤夹具底板5上（如图8所示）。接着，为避免微纳光纤1在后续的翻转操作中受压力影响出现断裂，松开光纤夹具剩余的一对光纤夹具压板42。然后，将按压板7、封装基底3和光纤整体翻转，使得按压板7和封装基底3均在光纤的下方且按压板7位于光纤夹具底板5的上方，并且，按压板7的两端分置于两个光纤夹具底板5上（如图8所示）。在封装盖8的下表面的环形封装区域6上涂上光固化胶，再通过封装区域6上的光固化胶将封装盖8与封装基底3固定连接，完成封装。考虑到微纳光纤的实际应用，如需拆除按压板7，可将按压板7在完成封装后再拆除（如图9所示），由此亦体现了本发明应用的灵活性。在将封装基底与光纤的未拉伸部分、封装盖进行粘接时，应避免使封装基底、封装盖与微纳光纤粘接在一起，并注意避免使封装盖和封装基底与微纳光纤触碰，以使封装后，微纳光纤在封装盖和封装基底之间处于“悬空”的状态。

为检验整个封装过程前后微纳光纤的断裂情况，亦可在光纤的输入端增加监测光源9和在光纤的输出端增加探测器10以实现对光纤的输出端信号的实时监测，如图6所示。本实施案例采用785nm的尾纤激光器作为监测光源，使用光强功率探测器对光纤输出端的激光功率进行全程监测，可以得到光纤输出端的激光功率随时间变化的曲线图，如图10所示，可以看出采用本发明方法在封装过程中能得到以下封装效果：保证微纳光纤不会发生断裂，且引入损耗较小。此外，每次封装过程均可得到如图10所示的封装效果，实现了微纳光纤不会断裂的100%成功封装率，帮助有源微纳光纤领域的研究提供更快速、更优质的样品。

在以上两个实施例中，由于微纳光纤分别应用于光纤传感和光学物镜荧光成像等领域，使用的封装基底和封装盖的折射率都较高，为保证微纳光纤的导光性能，要求封装后封装盖和封装基底与微纳光纤相互不触碰，使微纳光纤在封装盖和封装基底之间处于“悬空”的状态。而当微纳光纤应用于低折射率衬底的包埋或者集成领域时，则没有上述“悬空”的要求，封装后的微纳光纤可以与封装基底或封装盖相接触，但微纳光纤不应与封装基底或封装盖相粘结在一起。

Claims (4)

1.一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，在微纳光纤制备完毕后，其特征是，包括：在微纳光纤处于伸直的状态下，将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上，所述光纤夹具底板分别支撑光纤两端的未拉伸部分；在移除光纤上的所有光纤夹具压板后，将封装基底和光纤整体翻转，使封装基底在光纤的下方且封装基底的两端分别置于所述光纤夹具底板上；将封装盖的下表面与封装基底固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，其特征是：在将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起之前，先松开能够障碍封装基底与光纤两端的未拉伸部分贴合的光纤夹具压板。

3.一种基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，在微纳光纤制备完毕后，其特征是，包括：在微纳光纤处于伸直的状态下，将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起，封装基底的两端分别置于至少一对光纤夹具底板上，所述光纤夹具底板分别支撑光纤两端的未拉伸部分；将按压板固定于所述封装基底的上表面；在移除光纤上的所有光纤夹具压板后，将封装基底、按压板和光纤整体翻转，使封装基底和按压板在光纤的下方且按压板的两端分别置于所述光纤夹具底板上；将封装盖的下表面与封装基底固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于机械拉锥的微纳光纤的封装方法，其特征是：在将封装基底的下表面与光纤两端的未拉伸部分固定在一起之前，先松开能够障碍封装基底与光纤两端的未拉伸部分贴合的光纤夹具压板。