CN104238032A - 一种小型化y波导尾纤的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化Y波导尾纤的制备方法，包括：将硅晶圆划切成阵列；将硅块阵列端面磨斜成15度角；对硅块阵列进行清洗；装夹硅块阵列并进行调平处理；光纤处理；光纤的装卡和定轴；光纤入槽；曝光粘接；光纤头切割；光纤阵列装夹；光纤阵列磨抛；光纤阵列划切；及单个硅块处理。本发明的方法能够实现小尺寸(1.8(长)×1.3(宽)×1.5(高)mm)Y波导尾纤的制备，进而减小Y波导器件体积，并且该工艺技术适用于批量生产，一次可以同时磨抛10排(210根)尾纤，能够实现较高的生产效率，降低了生产成本。

Description

一种小型化Y波导尾纤的制备方法

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体地，涉及一种小型化光纤陀螺用小型化Y波导尾纤的制备方法。

背景技术

在诸多光纤陀螺的实现方案中，使用Y波导集成光学器件(简称Y波导)的闭环干涉式光纤陀螺具有检测灵敏度高、标度因数稳定性好、动态范围宽、易于数字输出等优点，成为光纤陀螺的主流方案。

目前，闭环干涉式光纤陀螺(简称陀螺)已经向小型化方向发展，陀螺直径从110mm减小到90mm，甚至更小。因此陀螺中的Y波导器件尺寸也得相应减小。Y波导包括封装壳、芯片、输入尾纤、输出尾纤四部分结构，Y波导器件尺寸减小，这四部分结构的尺寸也需要相应减小。

小型化Y波导尾纤与正常尺寸的Y波导尾纤有着相当大的不同，正常尺寸的Y波导尾纤磨抛前，单个硅块的尺寸约为3.5(长)×2(宽)×1.8(高)mm，保偏光纤位于宽度方向的中心位置，即保偏光纤与硅块两侧的距离均为1mm，研磨抛光后单个硅块的尺寸约为3.3(长)×2(宽)×1.8(高)mm。而小型化Y波导尾纤磨抛前，单个硅块的尺寸约为2.0(长)×1.3(宽)×1.5(高)mm，保偏光纤不位于宽度方向的中心位置，而是与硅块一个侧边的距离为1mm，与硅块另一侧边的距离为0.3mm，研磨抛光后单个硅块的尺寸约为1.8(长)×1.3(宽)×1.5(高)mm，长度与宽度方向几乎缩小一半。由于存在上述尺寸上及结构上不对称的差异，小型化Y波导尾纤的制备存在如下技术难点：

(1)由于小型化尾纤的硅块长度比正常尺寸尾纤的硅块长度几乎缩小一半，磨抛前，其长度只有2mm。由于硅块的端面需要磨抛，磨抛时还需要将硅块伸出磨抛夹具一段距离。此外，由于在一次磨抛的同时装夹多排硅块进行磨抛，需要考虑各排硅块之间的装夹公差，避免出现在磨抛结束后，有的硅块已经抛光到，而有的硅块还未研磨到的现象，硅块伸出磨抛夹具的距离不能太短。综合以上考虑，硅块能装夹的长度不能超过1.2mm，如此小的装夹长度，还必须保证经过研磨抛光后的端面角度在15°±1°的范围内，要实现该工艺存在很大难度；

(2)由于小型化尾纤的光纤在硅块上的位置不居中，离最近的一侧的距离只有0.3mm，在磨抛结束后，将整排尾纤划切成单个尾纤时存在很大难度。整排尾纤中，每个尾纤单元的宽度周期是1.5mm，划切后宽度只有1.3mm，刀片消耗的宽度为0.2mm。划切难度在于：一是体积过小，划切时，由于粘接面积小，容易发生硅块与粘接材料脱离的现象，导致划切位置与设计时的位置不对应，进而使得整排尾纤报废；二是在硅块部位，划切刀片与光纤之间的距离只有0.3mm，在硅块外部，由于是整排硅块上的所有光纤都合成一束缠绕在一起，因此在硅块外部，划切刀片与光纤的距离小于0.3mm，划切刀片与光纤的距离过近，在划切过程中很容易出现刀片划到光纤，导致光纤损伤甚至断裂的现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，提供一种小型化Y波导尾纤的制备方法，以实现小型化Y波导尾纤的整排定轴、磨抛及划切成单个，确保光纤端面角度及质量满足使用要求。

为解决上述技术问题，根据本发明的方法包括以下技术方案：

一种小型化Y波导尾纤的制备方法，包括以下步骤：

S1、将已经腐蚀出V型槽的硅晶圆切成多个长度为2.2mm的硅块阵列；

S2、用粒度为10μm的磨料对各个硅块阵列进行研磨，将硅块阵列磨成长度为2.0mm、端面为15°±0.5°角的硅块阵列；

S3、分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗硅块阵列，然后用氢氟酸将硅块表面的二氧化硅腐蚀干净，再用去离子水进行超声清洗并吹干；

S4、装夹其中一排硅块阵列，使得硅块阵列的第一个V型槽的磨斜成15°角的端面位于电荷耦合探测器的显微镜视场的中心位置；旋转电荷耦合探测器，直至硅块阵列的V型槽的上表面与电荷耦合探测器的图像采集系统自带软件上的“十”字线的水平线平行；

S5、将保偏光纤按需求长度进行截取，并将截取到的光纤缠绕成光纤线圈，将其中一端的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀切割裸纤的光纤头，使其端面平整；

S6、装夹经步骤S5处理后的保偏光纤，使光纤涂覆层剥离端口基本与硅块阵列的V型槽宽槽与窄槽的交界处对齐；同时，调节光纤的前后位置，使光纤位于硅块阵列中第一个V型槽的上方；并在硅块阵列的V型槽内涂适量紫外固化胶；

S7、根据实际需求，使保偏光纤的慢轴垂直于硅块阵列的上表面或者是平行于硅块阵列的上表面；

S8、将保偏光纤放入经步骤S4处理后的硅块阵列的第一个V型槽内，使光纤带涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的宽槽位置，光纤无涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的窄槽位置，并用压片将保偏光纤压住；之后使用紫外曝光灯进行曝光固化处理，并在固化完毕后移走光纤压片；

S9、重复步骤S5至S8，依次将硅块阵列的其余V型槽都粘上光纤；

S10、重复步骤S4-S9步，将经步骤S1处理得到的多个硅块阵列都粘上光纤；

S11、用光纤划笔逐根将伸出硅块的光纤头划断；

S12、用粒度为3μm的磨料对粘好光纤的硅块阵列的经步骤S2处理后的端面部分进行研磨，控制研磨速率在2-6μm/min，研磨长度达到200μm后用粒度为1μm的磨料进行研磨，控制研磨速率在0.3-0.8μm/min，研磨长度达到50μm后，再用抛光液进行抛光，硅块阵列经磨抛后的长度为1.8mm左右，然后进行超声清洗；

S13、将经前述步骤处理后的任一排硅块阵列粘贴到蓝膜上，并将保偏光纤顺直粘在蓝膜上，将蓝膜放在划片机的切割盘上，并通过抽真空进行吸附；

S14、将硅块阵列划切成单个硅块，之后用氮气吹干，并将单个硅块的尾纤缠绕成圈，由此完成小型化Y波导尾纤的制备。

进一步地，所述步骤S1中的硅晶圆为110晶面，且根据定轴光纤直径腐蚀出V型槽，对于包层直径为125μm的光纤，V型槽宽度为140μm～200μm；对于包层直径为80μm的光纤，V型槽宽度为80μm～120μm。

进一步地，在所述步骤S1的实施过程中，划切前要用蓝膜粘贴硅晶圆的背面，且必须将蓝膜与硅晶圆之间的气泡赶出。

与现有技术相比，根据本发明的小型化Y波导尾纤的制备方法具有有益的技术效果：

根据本发明的方法能够实现小尺寸(1.8(长)×1.3(宽)×1.5(高)mm)Y波导尾纤的制备，进而减小Y波导器件体积，并且该工艺技术适用于批量生产，一次可以同时磨抛10排(210根)尾纤，能够实现较高的生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1是腐蚀出V型槽的硅晶圆的示意图；

图2是划切成整排的硅块阵列的示意图；

图3是端面磨成15°角的硅块阵列的侧视图；

图4是保偏光纤定轴系统的示意图；

图5示出了保偏光纤的两个应力区边沿均与“十”字线的垂直线相切；

图6是根据本发明的方法的流程示意图；

图7是本发明采用的小型化硅块磨抛专用夹具的侧视图；

图8是图7中的小型化硅块磨抛专用夹具的立体图；

图9是本发明采用的光纤夹具的立体图；

图10是本发明采用的硅块固定夹具的立体图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的小型化Y波导尾纤的制备方法做进一步详细的说明。

目前闭环干涉式光纤陀螺已经向小型化方向发展，因此其对元器件的尺寸要求也越来越小。Y波导器件是光纤陀螺的关键元器件之一，其封装尺寸也向小型化方向发展，针对这种小型化Y波导器件的应用，我们提出一种小型化Y波导尾纤的制备方法，解决了小尺寸硅块阵列的磨抛装卡问题及划切问题，可实现高效率批量生产。本发明的方法可以实现小型化Y波导尾纤的制备，并且减小Y波导器件的封装尺寸。

请参考图6，根据本发明的方法包括以下步骤：

(1)将已经腐蚀出V型槽的硅晶圆(如图1所示)粘贴在蓝膜上，然后将该硅晶圆切成多个长度为2.2mm的硅块阵列(如图2所示)。

实践中，可以采用光刻显影的方式在硅晶圆上形成腐蚀窗口，并采用氢氧化钾溶液腐蚀出V型槽。并且可以使用划片机对硅晶圆进行切割。硅晶圆可以使110晶面，且根据定轴光纤直径腐蚀出V型槽，对于包层直径为125μm的光纤，V型槽宽度为140μm～200μm；对于包层直径为80μm的光纤，V型槽宽度为80μm～120μm。此外，划切前要用蓝膜粘贴硅晶圆的背面，且必须将蓝膜与硅晶圆之间的气泡赶出。

(2)采用粒度为10μm的磨料对各个硅块阵列进行研磨，将这些硅块阵列磨成长度为2.0mm、端面为15°±0.5°角的硅块阵列(请参考图3)。

实践中，可以采用小型化硅块磨抛专用夹具装夹这些硅块阵列，并将该夹具安装在磨抛机上。通常，小型化硅块磨抛专用夹具由一个底座8、一个15°角度基准块9、一个卡块10、五个固定块夹具11及五个压板12装配而成，每个固定块夹具能装卡两排硅块13，通过该夹具能将硅块阵列磨成端面15°角(请参考图7、图8)。

(3)将硅块阵列分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，然后用氢氟酸将硅块表面的二氧化硅腐蚀干净，再用去离子水进行超声清洗并吹干。

(4)装夹其中一排硅块阵列，使得硅块阵列的第一个V型槽的磨斜成15°角的端面位于电荷耦合探测器的显微镜视场的中心位置；旋转电荷耦合探测器，直至硅块阵列的V型槽的上表面与电荷耦合探测器的图像采集系统自带软件上的“十”字线的水平线平行。

实践中，可以利用三维可调的硅块固定夹具(请参考图4和图10)装夹硅块阵列，通过调节硅块固定夹具底部的三轴位移台，使得硅块阵列第一个V型槽的磨斜成15°角的端面位于电荷耦合探测器3的显微镜视场的中心位置。

进行本步骤的目的是使硅块V型槽上表面与基准线的水平线平行，后续再将保偏光纤的慢轴与基准线的垂直线或水平线调平行，即使得保偏光纤慢轴与硅块上表面垂直或平行。

(5)将包层直径为125μm或80μm的保偏光纤按需求长度进行截取，并将截取到的光纤缠绕成光纤线圈，其中一端光纤头留出10cm长，用光纤热剥机将留出光纤头的一端剥去约2cm的光纤涂覆层，将该端的光纤头制成为裸纤，再用光纤切割刀切割该光纤头，使其端面平整。

该步骤的目的是切割出平整的光纤端面，便于在图像采集系统中能够观察到清晰的端面，能够识别应力区。

(6)装夹经步骤(5)处理后的保偏光纤，使光纤涂覆层剥离端口基本与硅块阵列的V型槽宽槽6与窄槽7(参考图2)的交界处对齐。同时，通过三维位移台调节光纤的前后位置，使光纤位于硅块阵列中第一个V型槽的上方；并在硅块阵列的V型槽内涂适量紫外固化胶。

实践中，可以将经步骤(5)处理后的保偏光纤装卡到如图9所示的定轴光纤卡具(图4中的位置1处)上。通过将光纤装夹到光纤夹具中部的细长凹槽中，可实现光纤的固定。涂适量紫外固化胶的目的是为了将光纤与硅块粘接在一起。

(7)根据实际需求，旋转保偏光纤，使保偏光纤的慢轴垂直于硅块阵列的上表面或者是平行于硅块阵列的上表面。

实践中，可以移动电荷耦合探测器3，使其聚焦到保偏光纤的端面；同时通过三轴位移台调节光纤的位置，确保光纤端面在电荷耦合探测器的显微镜的视场中心；然后调节图像采集软件上的“十”字线位置，并旋转光纤，直至保偏光纤的两个应力区边沿均与“十”字线的垂直线相切(参考图5，使用保偏光纤慢轴传光)或与“十”字线的水平线相切(使用保偏光纤快轴传光)。

(8)然后将保偏光纤放入经步骤S4处理后的第一个V型槽内，使光纤带涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的宽槽6(图2)位置，光纤无涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的窄槽7(图2)位置；之后用光纤压片压住保偏光纤，用紫外曝光灯进行曝光固化处理，固化完毕后移走光纤压片。

实践中，可以移动电荷耦合探测器3，使其显微镜聚焦至硅块阵列端面，之后进行上述操作。

上述的三维可调的硅块固定夹具、定轴光纤卡具、电荷耦合探测器3可采用如图4示意的保偏光纤定轴系统，该保偏光纤定轴系统包括光纤装夹系统、硅块装夹系统、电荷耦合探测器、面包板4、图像采集系统五部分。面包板用于固定光纤装夹系统、硅块装夹系统、电荷耦合探测器，如图4所示。光纤装夹系统由一套四维微调架及一个光纤夹具装配而成，四维微调架分别由X、Y、Z及θx四个轴组成，三个平移轴可实现光纤的三轴位移，θx为旋转轴，可实现光纤的轴向旋转。光纤夹具如图9所示，通过将光纤装夹到光纤夹具中部的细长凹槽中，可实现光纤的固定。硅块装夹系统由一套X、Y、Z三维微调架及硅块固定夹具装配而成，其中，硅块固定夹具如图10所示，将硅块阵列放到图10所示的夹具立板上的矩形槽中即可。图像采集系统由图像采集卡、计算机及带“十”字线的图像采集软件组成，图像采集卡通过同轴电缆与电荷耦合探测器相连接，可实现硅块端面及光纤端面的观察。

(9)重复步骤(5)-(8)，依次将硅块阵列的其余V型槽都粘上光纤。

(10)重复步骤(4)-(9)步，将经步骤(1)处理得到的多个硅块阵列都粘上光纤。

(11)用光纤划笔逐根将伸出硅块的光纤头划断。

(12)先用粒度为3μm的磨料对粘好光纤的硅块阵列的经步骤(2)处理的端面部分进行研磨，控制研磨速率约为2μm～6μm/min，研磨长度达到200μm后用粒度为1μm的磨料进行研磨，控制研磨速率约为0.3μm～0.8μm/min，研磨长度达到50μm后，再用抛光液进行抛光，硅块阵列经磨抛后的长度为1.8mm左右，然后进行超声清洗。

实践中，可以先将粘好光纤的多个硅块阵列装卡到如上所述的小型化硅块磨抛夹具(如图7和图8所示)上，并将该夹具安装到磨抛机上，之后进行磨抛操作。

本步骤的目的是通过小型化硅块磨抛专用夹具将光纤端面及硅块端面抛光成15°角，以便与Y波导芯片端面对接，经过抛光的光纤端面能够减小端面的散射损耗。

(13)将经前述步骤处理后的任意一个硅块阵列粘贴在蓝膜中心位置，并将保偏光纤顺直(即使其不弯曲)粘在蓝膜上，将蓝膜放在划片机的切割盘上，并通过抽真空进行吸附。

(14)将硅块阵列划切成单个硅块，之后用氮气吹干，并将单个硅块的尾纤缠绕成圈，由此完成小型化Y波导尾纤的制备。

操作过程中，可以将划片机程序中的包络线与硅块阵列上的划切线5进行对准，并使包络线中心线处于划切线5的中心位置；然后从无光纤一侧开始进刀划切，刀片与蓝膜的接触点与硅块端面之间的距离为47mm，进刀量为40mm，确保将硅块刚划开即停止进刀，避免进刀量过大导致光纤划伤；划片机的切割盘以1.5mm的周期进行移动，将整排硅块划切成单个硅块。

当将整批硅块阵列都划切成单个硅块之后，将硅块从蓝膜上取下，用氮气吹干，并将单个硅块的尾纤缠绕成圈，完成整批小型化Y波导尾纤的制备。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小型化Y波导尾纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将已经腐蚀出V型槽的硅晶圆切成多个长度为2.2mm的硅块阵列；

S2、用粒度为10μm的磨料对各个硅块阵列进行研磨，将硅块阵列磨成长度为2.0mm、端面为15°±0.5°角的硅块阵列；

S3、分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗硅块阵列，然后用氢氟酸将硅块表面的二氧化硅腐蚀干净，再用去离子水进行超声清洗并吹干；

S4、装夹其中一排硅块阵列，使得硅块阵列的第一个V型槽的磨斜成15°角的端面位于电荷耦合探测器的显微镜视场的中心位置；旋转电荷耦合探测器，直至硅块阵列的V型槽的上表面与电荷耦合探测器的图像采集系统自带软件上的“十”字线的水平线平行；

S5、将保偏光纤按需求长度进行截取，并将截取到的光纤缠绕成光纤线圈，将其中一端的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀切割裸纤的光纤头，使其端面平整；

S6、装夹经步骤S5处理后的保偏光纤，使光纤涂覆层剥离端口基本与硅块阵列的V型槽宽槽与窄槽的交界处对齐；同时，调节光纤的前后位置，使光纤位于硅块阵列中第一个V型槽的上方；并在硅块阵列的V型槽内涂适量紫外固化胶；

S7、根据实际需求，使保偏光纤的慢轴垂直于硅块阵列的上表面或者是平行于硅块阵列的上表面；

S8、将保偏光纤放入经步骤S4处理后的硅块阵列的第一个V型槽内，使光纤带涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的宽槽位置，光纤无涂覆层的部位置于硅块阵列中V型槽的窄槽位置，并用压片将保偏光纤压住；之后使用紫外曝光灯进行曝光固化处理，并在固化完毕后移走光纤压片；

S9、重复步骤S5至S8，依次将硅块阵列的其余V型槽都粘上光纤；

S10、重复步骤S4-S9步，将经步骤S1处理得到的多个硅块阵列都粘上光纤；

S11、用光纤划笔逐根将伸出硅块的光纤头划断；

S12、用粒度为3μm的磨料对粘好光纤的硅块阵列的经步骤S2处理后的端面部分进行研磨，控制研磨速率在2-6μm/min，研磨长度达到200μm后用粒度为1μm的磨料进行研磨，控制研磨速率在0.3-0.8μm/min，研磨长度达到50μm后，再用抛光液进行抛光，硅块阵列经磨抛后的长度为1.8mm左右，然后进行超声清洗；

S13、将经前述步骤处理后的任一排硅块阵列粘贴到蓝膜上，并将保偏光纤顺直粘在蓝膜上，将蓝膜放在划片机的切割盘上，并通过抽真空进行吸附；

S14、将硅块阵列划切成单个硅块，之后用氮气吹干，并将单个硅块的尾纤缠绕成圈，由此完成小型化Y波导尾纤的制备。

2.根据权利要求1所述的小型化Y波导尾纤的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的硅晶圆为110晶面，且根据定轴光纤直径腐蚀出V型槽，对于包层直径为125μm的光纤，V型槽宽度为140μm～200μm；对于包层直径为80μm的光纤，V型槽宽度为80μm～120μm。

3.根据权利要求1所述的小型化Y波导尾纤的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1的实施过程中，划切前要用蓝膜粘贴硅晶圆的背面，且必须将蓝膜与硅晶圆之间的气泡赶出。