CN102053380A - 基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器及器件封装方法和分束单元制作 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器及器件封装方法和分束单元制作，所述偏振分束器，它主要包括有一供输入光进入的入射准直透镜，在该入射准直透镜之后安装有一能产生TE态偏振光和TM态偏振光的纳米光栅偏振分束单元，之后还安装有一出射聚焦透镜并由双光纤尾纤进行TE态偏振光光纤输出和TM态偏振光光纤输出；本发明将各个部件紧凑合理的封装在一起，设计了一种基于玻璃管的器件结构，具有结构简单，使用方便、可靠，能满足设计要求等特点。

Description

基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器及器件封装方法和分束单元制作

技术领域

本发明涉及的是一种基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器及器件封装方法和分束单元制作；偏振光分束器是光开关网络、光存储器、光环形器、光隔离器等光学组件中的核心器件，在光纤通信、光学计算、图像处理等领域有着广泛的应用。

背景技术

偏振光分束器是光开关网络、光存储器、光环形器、光隔离器等光学组件中的核心器件，在光纤通信、光学计算、图像处理等领域有着广泛的应用。随着光通信的发展，未来光网络对偏振分束器的需求会越来越大，而一个可靠的、可集成的偏振分束器在未来的高速光网络中将扮演非常重要的角色。

传统的偏振光分束器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成，这些器件通常体积大、效率低，无法满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。就双折射晶体而言，其明显的缺点第一是晶体价格昂贵；第二是其分离的两个偏振态的光线出口分开距离(walk-off)受晶体长度的限制、需要较长的晶体才能实现两束偏振光的分开距离满足接收器件尺寸的要求；第三是材料折射率对温度敏感导致器件的性能受温度波动大。

光栅作为一种常用的光学元件，在各类光学系统中起着重要作用。近年来，随着电磁理论和微加工技术的深入发展，研究人员逐渐发现随着光栅尺寸的减小，人们逐步认识到光栅具有优良的偏振特性，并开展了大量的研究。理论和实验都表明，当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，利用光栅的偏振特性，可以制作各种偏光器件。

目前国外的研究机构在纳米光栅的制作上具有领先的研究成果，已经有商用化的纳米光栅产品，目前主要是用在投影设备等领域，因为该应用对纳米光栅片的尺寸没有特别要求，因此通常尺寸比较大，在厘米量级，但这么大尺寸的纳米光栅导致应用中的成本很高，而且不利于器件小型化、集成化、密封化等要求。目前国内的研究机构主要是以从事纳米光栅理论分析方面的研究工作为主，在纳米光栅芯片以及纳米光栅器件的制备上的研究还十分少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器及器件封装方法和分束单元制作，其理论基础是当光栅的周期尺寸接近或小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，从而制作出各种基于纳米光栅的偏光器件，其性能明显优于传统的双折射晶体或多层介质膜器件。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要包括有一供输入光进入的入射准直透镜，在该入射准直透镜之后安装有一能产生TE态偏振光和TM态偏振光的纳米光栅偏振分束单元，之后还安装有一出射聚焦透镜并由双光纤尾纤进行TE态偏振光光纤输出和TM态偏振光光纤输出。

所述的分束器基于一玻璃管构成的器体，器体的两端各外接有一橡胶外封帽，并由两内侧的小玻璃套管压紧于器体两端内侧上的不锈钢端帽；在所述两小玻璃套管内依次安装有输入光纤尾纤的毛吸细管、入射准直透镜、纳米光栅偏振分束单元、出射聚焦透镜以及输出双光纤尾纤毛吸细管。

所述的两小玻璃套管外套有一大玻璃套管，所述的输出双光纤尾纤毛吸细管向外穿过不锈钢端帽、橡胶外封帽后接出有熊猫保偏光纤。

所述的纳米光栅偏振分束单元由纳米光栅片密封于一个光学玻璃体内构成，且在所述纳米光栅片的表面设置有增透膜。

所述的小玻璃套管的一端按照所述偏振分束单元倾斜角度制成斜磨端面，与该斜磨端面方向的正交面方面的小玻璃管上有一个平磨水平面，偏振分束单元的尺寸与小玻璃套管的外径相符，即偏振分束单元平面对角线的长度与所述小玻璃套管斜面的外径近似，并在偏振分束单元的四个角用胶固定在小玻璃套管斜面上。

所述输出双光纤尾纤为一保偏双光纤准直器单元，其中双尾纤端面上的猫眼垂直度公差小于1度；所述保偏双光纤准直器单元的玻璃套管外侧平磨有一个平面，且该磨去的玻璃套管外壁厚度与偏振分束单元玻璃管磨去的厚度相同。

一种根据上述纳米光栅偏振分束单元的制作，它是将纳米光栅片密封在一个光学玻璃体内构成所述纳米光栅偏振分束单元，具体的制作是：

a.在一片选定尺寸的光学玻璃基片上用光学加工的方法，加工出一个大小尺寸和深度与纳米光栅片大小尺寸和厚度一样的凹坑平台；

b.用光学胶将纳米光栅片固定在凹坑平台内；

c.在光学玻璃基片的四周涂上光学胶，将另外一片大小尺寸与该光学玻璃基片一样的光学玻璃盖片粘接在一起，粘接时要避免胶水附着到纳米光栅片上；

d.在玻璃盖片的上表面，用光学胶的方式将一片光学全反射镜粘贴上，全反射镜的位置要保证既不会挡住入射光线，同时又要能接受到纳米光栅的反射光线，通常全反射镜的位置以挡住纳米光栅面积一半为合适。

一种根据上述的偏振分束器器件的封装方法，该方法是在完成了偏振分束单元的安装和保偏双光纤准直器的制作之后，开始进行偏振分束器的器件封装工艺，其封装工序如下：

1)偏振分束单元的玻璃套管与入射光纤准直器的准直透镜固定；

2)装上偏振分束单元后的入射光纤准直器套入大玻璃套管并点胶固定；

3)将保偏双光纤准直器套入大玻璃套管的另外一端，利用夹具以使保偏双光纤准直器的玻璃套管平磨面与偏振分束单元的玻璃套管平磨面方向一致；

将器件放置在光学微调架上，输入端光纤通上光源，输出端光纤接上光功率计，调节保偏双光纤准直器在大玻璃套管中的位置，使输出端两根光纤的输出光功率在最大值，点胶固定保偏双光纤准直器；

4)大玻璃套管与金属外壳的装配和密封。

本发明可实现纳米光栅应用的微型化和可集成化，制作出具有实用价值的波长不敏感型偏振分束器件，促进纳米光栅片的实用化和新型偏振分束器的开发。偏振分束器件的设计可以解决二个问题：一个是解决纳米光栅片结构脆弱，不便于与其它光学元件进行连接组装使用的问题；另外一个改善纳米光栅片自身两个消光比不均衡的问题，实现两个偏振态的插入损耗和消光比指标的均衡一致。

器件中的偏振分束单元设计了一种密封单元结构，将纳米光栅片密封在一个光学玻璃体内，可以保护纳米光栅片在使用过程中表面栅条被破坏，另外可以让纳米光栅片分离的TE偏振光和TM偏振光处于同一侧，与入射光的传播方向一致。

发明为改善纳米光栅片自身两个消光比不均衡的问题，实现两个偏振态的插入损耗和消光比指标的均衡一致，对偏振分束单元进行了增透膜的应用，需要应用的增透膜系有两款，一个是基于纳米光栅表面的增透膜系设计，另外一个是对BK7光学玻璃表面的增透膜系设计。

为了保障器件的质量可靠性，在器件封装结构上采用光路无胶水的方式，可以避免由于温度变化或者随着使用时间推移自身老化导致固化胶水折射率、透光性发生变化，从而导致光学传输性能的变化。另外为实现器件的结构稳定可靠，设计了一种基于玻璃管的封装结构。主要部件包括输入光纤、橡胶外封帽、不锈钢端帽、小玻璃套管、尾纤毛吸细管、大玻璃套管、准直透镜、小玻璃套管、纳米光栅偏振分束单元、不锈钢外套管、聚焦透镜、小玻璃套管、输出双尾纤毛吸细管、熊猫保偏光纤。

附图说明

图1为纳米光栅分束器光路图。

图2为纳米光栅分束器结构图。

图3为偏振分束单元。

图4为偏振分束单元与玻璃套管的装配图的俯视图。

图5为偏振分束单元与玻璃套管的装配图的侧面剖视图。

图6为保偏双光纤准直器结构图的侧面剖视图。

图7为保偏双光纤准直器结构图的截面图。

图8为纳米光栅偏振分束器外形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明主要包括有一供输入光2进入的入射准直透镜3，在该入射准直透镜3之后安装有一能产生TE态偏振光5和TM态偏振光6的纳米光栅偏振分束单元4，之后还安装有一出射聚焦透镜7并由双光纤尾纤8进行TE态偏振光光纤输出9和TM态偏振光光纤输出10。

图2所示，所述的分束器基于一玻璃管构成的器体11，器体11的两端各外接有一橡胶外封帽12，并由两内侧的小玻璃套管13压紧于器体11两端内侧上的不锈钢端帽14；在所述两小玻璃套管13内依次安装有输入光纤尾纤的毛吸细管15、入射准直透镜3、纳米光栅偏振分束单元4、出射聚焦透镜7以及输出双光纤尾纤毛吸细管16。

所述的两小玻璃套管13外套有一大玻璃套管17，所述的输出双光纤尾纤毛吸细管16向外穿过不锈钢端帽14、橡胶外封帽12后接出有熊猫保偏光纤。

所述的纳米光栅偏振分束单元4由纳米光栅片密封于一个光学玻璃体内构成，且在所述纳米光栅片的表面设置有增透膜。

所述的小玻璃套管13的一端按照所述偏振分束单元倾斜角度制成斜磨端面，与该斜磨端面方向的正交面方面的小玻璃管上有一个平磨水平面，偏振分束单元的尺寸与小玻璃套管的外径相符，即偏振分束单元平面对角线的长度与所述小玻璃套管斜面的外径近似，并在偏振分束单元的四个角用胶固定在小玻璃套管斜面上。

所述输出双光纤尾纤为一保偏双光纤准直器单元，其中双尾纤端面上的猫眼垂直度公差小于1度；所述保偏双光纤准直器单元的玻璃套管外侧平磨有一个平面，且该磨去的玻璃套管外壁厚度与偏振分束单元玻璃管磨去的厚度相同。

一种纳米光栅偏振分束单元的制作，它是将纳米光栅片密封在一个光学玻璃体内构成所述纳米光栅偏振分束单元，具体的制作是：

a.在一片选定尺寸的光学玻璃基片上用光学加工的方法，加工出一个大小尺寸和深度与纳米光栅片大小尺寸和厚度一样的凹坑平台；

b.用光学胶将纳米光栅片固定在凹坑平台内；

c.在光学玻璃基片的四周涂上光学胶，将另外一片大小尺寸与该光学玻璃基片一样的光学玻璃盖片粘接在一起，粘接时要避免胶水附着到纳米光栅片上；

d.在玻璃盖片的上表面，用光学胶的方式将一片光学全反射镜粘贴上，全反射镜的位置要保证既不会挡住入射光线，同时又要能接受到纳米光栅的反射光线，通常全反射镜的位置以挡住纳米光栅面积一半为合适。

一种偏振分束器器件的封装方法，该方法是在完成了偏振分束单元的安装和保偏双光纤准直器的制作之后，开始进行偏振分束器的器件封装工艺，其封装工序如下：

1)偏振分束单元的玻璃套管与入射光纤准直器的准直透镜固定；

2)装上偏振分束单元后的入射光纤准直器套入大玻璃套管并点胶固定；

3)将保偏双光纤准直器套入大玻璃套管的另外一端，利用夹具以使保偏双光纤准直器的玻璃套管平磨面与偏振分束单元的玻璃套管平磨面方向一致；

将器件放置在光学微调架上，输入端光纤通上光源，输出端光纤接上光功率计，调节保偏双光纤准直器在大玻璃套管中的位置，使输出端两根光纤的输出光功率在最大值，点胶固定保偏双光纤准直器；

4)大玻璃套管与金属外壳的装配和密封。

本发明所述的纳米光栅分束器的光路图如图1所示，图中1是输入光纤尾纤、2是输入光、3是入射准直透镜、4是纳米光栅偏振分束单元、5是TE态偏振光、6是TM态偏振光、7是出射聚焦透镜、8是双光纤尾纤、9是TE态偏振光光纤输出、10是TM态偏振光光纤输出。

为了保障器件的质量可靠性，在器件封装结构上我们采用光路无胶的方式，即在整个光线传播路线上没有胶水的成份在中间，这样可以避免由于温度变化或者随着使用时间推移自身老化导致固化胶水折射率、透光性发生变化，从而导致光学传输性能的变化。同时，为了是实现器件的结构可靠，将图1中所列的光路图中的各个部件紧凑合理地封装在一起，设计了一种基于玻璃管的器件结构。器件结构如图2所示。图中1是输入光纤、12是橡胶外封帽、14是不锈钢端帽、13是小玻璃套管、15是输入光纤尾纤的毛吸细管、16是尾纤毛吸细管、17是大玻璃套管、3是出射准直透镜、4是纳米光栅偏振分束单元、7是出射聚焦透镜、9和10是熊猫保偏光纤。

器件制作的工艺要点如下：

偏振分束单元的制作，为了解决纳米光栅片结构脆弱，便于与其它光学元件进行连接组装使用，同时为了与目前通用的光路分束方式一致，还需要让纳米光栅片分离的TE偏振光和TM偏振光处于同一侧，与入射光的传播方向一致。因此发明了一种纳米光栅片的密封单元结构，将纳米光栅片密封在一个光学玻璃体内，具体方法是：

a.在一片选定尺寸的光学玻璃基片上用光学加工的方法，加工出一个大小尺寸和深度与纳米光栅片大小尺寸和厚度一样的凹坑平台；

b.用光学胶将纳米光栅片固定在凹坑平台内；

c.在光学玻璃基片的四周涂上光学胶，将另外一片大小尺寸与该光学玻璃基片一样的光学玻璃盖片粘接在一起，粘接时要避免胶水附着到纳米光栅片上；

d.在玻璃盖片的上表面，用光学胶的方式将一片光学全反射镜粘贴上，全反射镜的位置要保证既不会挡住入射光线，同时又要能接受到纳米光栅的反射光线，通常全反射镜的位置以挡住纳米光栅面积一半为合适。

具体偏振分束单元结构如图3所示，图中表示有：胶水18

另外为了改善纳米光栅片自身两个消光比不均衡的问题，实现两个偏振态的插入损耗和消光比指标的均衡一致。发明中对偏振分束单元进行了增透膜的应用，这里需要应用的增透膜系有两款，一个是基于纳米光栅19表面的增透膜系设计，另外一个是对BK7光学玻璃表面的增透膜系设计。

偏振分束单元的安装，首先将玻璃套管的一端按照设计的偏振分束单元倾斜角度进行端面斜磨，然后沿与该斜磨端面方向的正交面方面将小玻璃管平磨出一个水平面，偏振分束单元的尺寸要与小玻璃套管的外径相符，即偏振分束单元平面对角线的长度要与小玻璃套管斜面的外径近似，这样就便于在偏振分束单元的四个角用胶固定在小玻璃套管斜面上。为了保证器件的入射光线与纳米光栅条方向垂直，在安装偏振分束单元时使用专用的夹具以保证偏振分束单元内的纳米光栅条方向与小玻璃套管的平磨面尽量平行。

偏振分束单元与玻璃套管之间的装配关系如图4、图5所示，图中，20是玻璃套管、21是偏振分束单元、22是偏振分束单元反射镜、23是纳米光栅芯片。

保偏双光纤准直器的制作，基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器需要利用两根保偏光纤分别传输TE态和TM态偏振光，两个偏振态互相垂直，因此就要求这两根保偏光纤的传光轴也要相互垂直。在保偏双光纤准直器的封装中，双尾纤相对位置的装配精度直接影响准直器的保偏性能。其中，双尾纤端面“猫眼”的垂直度是主要影响因素。当两轴垂直度公差小于1°才能保证每根光纤的消光比达到40d，同时得到较好的插入损耗均衡性。

由图4、图5可知，当光线入射到安装在玻璃套管上的偏振分束单元之后，与纳米光栅条方向垂直的TM态偏振光从靠近平磨平面的一侧射出，与纳米光栅条方向平行的TE态偏振光出射位置在TM态偏振光出光点正下方相隔一定距离的位置点。

为了便于与偏振分束单元分出的两束偏振光进行耦合，在制作保偏双光纤准直器时，采用与偏振分束单元安装类似的玻璃管定位方式：将双光纤准直器的玻璃套管外侧平磨出一个平面，磨去的玻璃管外壁厚度与偏振分束单元玻璃管磨去的厚度相同。

保偏双光纤准直器结构如图6、图7所示，图中，24是自聚焦透镜、25是平磨后的小玻璃套管、26是双光纤毛细细管、27是固化胶、9是接收TM态偏振光的保偏光纤、10是接收TE态偏振光的保偏光纤。结构图中光纤9和光纤10的熊猫眼方向相互垂直，光纤9的熊猫眼方向与玻璃套管的平磨面平行，角度角度均要求控制在0.5°以内。

器件的封装工序，在完成了偏振分束单元的安装和保偏双光纤准直器的制作之后，即可开始进行偏振分束器的器件封装工艺，其封装工序如下：

a偏振分束单元的玻璃套管与入射光纤准直器的准直透镜固定；

b装上偏振分束单元后的入射光纤准直器套入大玻璃套管并点胶固定；

c将保偏双光纤准直器套入大玻璃套管的另外一端，利用夹具以使保偏双光纤准直器的玻璃套管平磨面与偏振分束单元的玻璃套管平磨面方向一致；

d将器件放置在光学微调架上，输入端光纤通上光源，输出端光纤接上光功率计，调节保偏双光纤准直器在大玻璃套管中的位置，使输出端两根光纤的输出光功率在最大值，点胶固定保偏双光纤准直器；

e大玻璃套管与金属外壳的装配和密封。

另外需要指出的是，为了保证器件的质量可靠性，在以上封装工序中，关于胶的品种选择、点胶位置、胶的固化工艺等也是关键因素。

图8是纳米光栅偏振分束器外形图，器件外径D1＝5.5mm，器件长度L＝35mm。

Claims (8)

1.一种基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于：它主要包括有一供输入光(2)进入的入射准直透镜(3)，在该入射准直透镜(3)之后安装有一能产生TE态偏振光(5)和TM态偏振光(6)的纳米光栅偏振分束单元(4)，之后还安装有一出射聚焦透镜(7)并由双光纤尾纤(8)进行TE态偏振光光纤输出(9)和TM态偏振光光纤输出(10)。

2.根据权利要求1所述的基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于所述的分束器基于一玻璃管构成的器体(11)，器体(11)的两端各外接有一橡胶外封帽(12)，并由两内侧的小玻璃套管(12)压紧于器体(11)两端内侧上的不锈钢端帽(14)；在所述两小玻璃套管(13)内依次安装有输入光纤尾纤的毛吸细管(15)、入射准直透镜(3)、纳米光栅偏振分束单元(4)、出射聚焦透镜(7)以及输出双光纤尾纤毛吸细管(16)。

3.根据权利要求2所述的基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于所述的两小玻璃套管(13)外套有一大玻璃套管(17)，所述的输出双光纤尾纤毛吸细管(16)向外穿过不锈钢端帽(14)、橡胶外封帽(12)后接出有熊猫保偏光纤(9、10)。

4.根据权利要求1或2所述的基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于所述的纳米光栅偏振分束单元由纳米光栅片密封于一个光学玻璃体内构成，且在所述纳米光栅片的表面设置有增透膜。

5.根据权利要求4所述的基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于所述的小玻璃套管的一端按照所述偏振分束单元倾斜角度制成斜磨端面，与该斜磨端面方向的正交面方面的小玻璃管上有一个平磨水平面，偏振分束单元的尺寸与小玻璃套管的外径相符，即偏振分束单元平面对角线的长度与所述小玻璃套管斜面的外径近似，并在偏振分束单元的四个角用胶固定在小玻璃套管斜面上。

6.根据权利要求2或3所述的基于纳米结构的波长不敏感型偏振分束器，其特征在于所述输出双光纤尾纤为一保偏双光纤准直器单元，其中双尾纤端面上的猫眼垂直度公差小于1度；所述保偏双光纤准直器单元的玻璃套管外侧平磨有一个平面，且该磨去的玻璃套管外壁厚度与偏振分束单元玻璃管磨去的厚度相同。

7.一种如根据权利要求1或2或3中所述的纳米光栅偏振分束单元的制作，其特征在于它是将纳米光栅片密封在一个光学玻璃体内构成所述纳米光栅偏振分束单元，具体的制作是：

a.在一片选定尺寸的光学玻璃基片上用光学加工的方法，加工出一个大小尺寸和深度与纳米光栅片大小尺寸和厚度一样的凹坑平台；

b.用光学胶将纳米光栅片固定在凹坑平台内；

c.在光学玻璃基片的四周涂上光学胶，将另外一片大小尺寸与该光学玻璃基片一样的光学玻璃盖片粘接在一起，粘接时要避免胶水附着到纳米光栅片上；

d.在玻璃盖片的上表面，用光学胶的方式将一片光学全反射镜粘贴上，全反射镜的位置要保证既不会挡住入射光线，同时又要能接受到纳米光栅的反射光线，通常全反射镜的位置以挡住纳米光栅面积一半为合适。

8.一种如根据权利要求1或2或3中所述的偏振分束器器件的封装方法，其特征在于该方法是在完成了偏振分束单元的安装和保偏双光纤准直器的制作之后，开始进行偏振分束器的器件封装工艺，其封装工序如下：

1)偏振分束单元的玻璃套管与入射光纤准直器的准直透镜固定；

2)装上偏振分束单元后的入射光纤准直器套入大玻璃套管并点胶固定；

3)将保偏双光纤准直器套入大玻璃套管的另外一端，利用夹具以使保偏双光纤准直器的玻璃套管平磨面与偏振分束单元的玻璃套管平磨面方向一致；

将器件放置在光学微调架上，输入端光纤通上光源，输出端光纤接上光功率计，调节保偏双光纤准直器在大玻璃套管中的位置，使输出端两根光纤的输出光功率在最大值，点胶固定保偏双光纤准直器；

4)大玻璃套管与金属外壳的装配和密封。

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