CN110542948B - 一种用于光子晶体光纤组件制备的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于光子晶体光纤组件制备的方法及系统，包括：在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；将晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；将所述阵列研磨为斜面；将所述阵列切割成多个分立单元；将光子晶体光纤进行第一次光子晶体光纤的定轴；把光子晶体光纤进行切割；将切割后的光纤进行第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。本发明的方法，能够实现光子晶体光纤的定轴而且不堵塞其空气空隙，操作便捷，并且提高了光子晶体光纤连接的可靠性。

Description

一种用于光子晶体光纤组件制备的方法及系统
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤的连接工艺，更具体说是一种用于光子晶体光纤组件制备的方法及系统。
背景技术
光子晶体光纤于1996年首次被英国南安普顿大学的J.C.Knight等人在实验室制造出来，由于它具有非常优良的光学性能，自问世起即受到广泛关注。光子晶体光纤具有非常低的弯曲损耗，超宽单模传输、低色散。而且光子晶体光纤设计自由度大，通过改变空气孔间距大小可以改变光纤特性，使光纤具备很高的模式双折射。普通保偏光纤受环境影响较大，而且温度稳定性较差，这就导致普通光纤陀螺的应用范围极大的受限于环境。但是光子晶体光纤与光纤陀螺的结合为科研工作者提供了一种解决光纤陀螺环境适应性差的问题的一种全新思想。因为光子晶体光纤可以通过改变空气孔数量以及间距获得很高的双折射特性，即使在外力、温度以及辐射作用下，也能保持很好地偏振态传输。
在实际应用中，光子晶体光纤端面存在孔洞，目前的放电熔接工艺，其光学性能指标和机械强度指标矛盾，很难同时兼顾。对中低精度陀螺来说，可牺牲光学性能指标保证其可靠性，但对高精度光子晶体陀螺，光学性能要求高，要保证光学指标，机械强度会很低，光路可靠性很差，只能用于实验室状态。
发明内容
本发明解决的技术问题是：在用光子晶体光纤连接的方法中，克服传统光纤磨抛方法，容易堵塞光纤空气孔的缺陷，提供一种新的光子晶体光纤组件制备的方法及系统，不需要经过磨抛，避免堵塞光子晶体光纤的空气孔，经过两次定轴，可以精确控制定轴角度，提高光纤光路连接精度。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，包括以下步骤：
S1、在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；
S2、将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；
S3、将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
S4、将所述阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；
S5、将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
S6、将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
S7、将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；
S8、把经过S7定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；
S9、将S8切割后的光纤放入经过S5处理后的分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆 V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。
步骤S1中在硅晶圆上腐蚀出的晶圆V型槽，深度为55um～65um，宽度为85um～95um，相邻晶圆V型槽之间的距离为25um～35um。
将硅晶圆划切阵列时，垂直于晶圆V型槽的方向进行切割，每个切割得到的阵列中晶圆V型槽的长度相同，均为2.2um～2.2um。
步骤S3中将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面，具体为：将所述阵列研磨成长度为1.8mm～2mm、端面为15°±0.5°角的形式。
步骤S4将所述阵列切割成多个分立单元，具体为：切割方向平行于阵列上的晶圆V型槽，且每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽，每个分立单元的端面均为15°±0.5°角。
步骤S6中光纤卡具具体包括：光纤固定座1、盖板2、光纤定位装置3、定轴装置4；
定轴装置4截面为Z字形，光纤固定座1装配在定轴装置4的上表面，光纤固定座1上设置有卡具V型槽，将从光纤定位装置3中伸出的光子晶体光纤放置在卡具V型槽中，通过盖板2将光子晶体光纤压紧在卡具V型槽中，调整光子晶体光纤伸出卡具V型槽的长度。
第一次光子晶体光纤的定轴，具体为：使光子晶体光纤的保偏轴垂直于光纤卡具上卡具V型槽的上表面，然后固定光纤。
对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割，具体为：光子晶体光纤固定好之后，旋转第二固定装置90°，令第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤扭曲90°，刀头切割后，光子晶体光纤形成15°斜面的端面角度。
通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度小于50 μm。
一种基于所述用于光子晶体光纤组件制备方法实现的光子晶体光纤组件制备系统，包括：
晶圆准备模块：在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；将已经划切出晶圆V 型槽的硅晶圆切成多个阵列；将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
分立单元划分模块：将阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
光纤卡具装夹模块：将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
第一次定轴模块：将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；
第二次定轴模块：把经过第一次定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；将切割后的光纤放入经过分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴。
本发明的有益效果是：
相比于传统的光子晶体光纤连接方法中，光纤角度只能通过磨抛工艺实现，光纤的空气孔容易在磨抛过程中被颗粒堵塞，造成光纤光损耗较大，与芯片耦合损耗大等缺陷，本发明所述的用于光子晶体光纤连接中光纤的定轴方法，通过切割刀切出15°角度以及两次定轴，第一次定轴保证切割前的光纤保偏轴与V型槽上表面垂直，第二次定轴保证15°光子晶体光纤保偏轴与V型槽的上表面平行，不需要引入磨抛工序，可实现尾纤的制备，操作便捷，并且提高了光子晶体光纤连接的可靠性。
附图说明
图1是本发明的光子晶体光纤定轴流程图；
图2是本发明的第一次定轴示意图；
图3是本发明的定轴装置示意图；
图4是本发明的第二次定轴示意图；
图5是光纤与芯片连接原理图
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施对根据本发明的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法做进一步详细的说明。
本发明研究光子晶体光纤高可靠低损耗连接工艺，可以从根本上突破阻碍光子晶体光纤陀螺工程化生产的瓶颈。在光子晶体光纤连接技术中，光纤与光波导芯片的连接是关键技术之一，也是难点之一，需要解决的技术问题是光纤端面处理技术，即将光子晶体光纤端面按特定的保偏轴向(快轴或慢轴)处理成α角与Y波导芯片端面的β角相匹配，如图5所示：
根据折射定律，有n1*sinα＝n2*sinβ。要求轴向确定准确，且端面光滑平整，方便将经端面处理后的光纤与芯片上的波导图形进行亚微米量级的精确对准。
在定轴角度控制及端面角度控制方面，保偏光子晶体光纤的轴向确定需尽可能精确，偏离过多会导致在与光波导芯片的偏振轴对准时无法精确对准，进而使尾纤的偏振串音下降。由于光纤的尺寸较小，包层直接只有80 μm，稍有偏差就会造成定轴角度过大；另外端面的角度也需尽可能精确，偏离过多将不能与芯片端面的角度相匹配，进而导致耦合附加损耗增加，影响器件整体的传输损耗。在光纤孔隙结构完好性控制方面，光子晶体光纤端面为多孔隙结构，在端面处理过程中容易造成孔隙塌陷，这就破坏了光纤的结构，进而影响光传输损耗，并且空气孔隙为微米量级，很容易被颗粒物堵塞，导致光传输性能下降，模场形状发生变化，保偏性能下降。堵塞严重的甚至会导致无光输出。其中对于光纤端面角度的控制，目前大多数采用磨抛工艺进行保证，但是由于光子晶体光纤包层有微米量级的空气孔，在磨抛时会有颗粒堵塞这些空气孔，致使光损耗较大。
如图1所示，本发明提出一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，包括以下步骤：
S1、在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；
步骤S1中在硅晶圆上腐蚀出的晶圆V型槽，深度为55um～65um，宽度为85um～95um，相邻晶圆V型槽之间的距离为25um～35um。
S2、将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；
将硅晶圆划切阵列时，垂直于晶圆V型槽的方向进行切割，每个切割得到的阵列中晶圆V型槽的长度相同，均为2.2um～2.2um。
S3、将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
具体为：将所述阵列研磨成长度为1.8mm～2mm、端面为15°±0.5°角的形式。目的是与15°角的光子晶体光纤匹配。
S4、将所述阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；
具体为：切割方向平行于阵列上的晶圆V型槽，且每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽，每个分立单元的端面均为15°±0.5°角。
S5、将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
S6、将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
光纤卡具具体包括：光纤固定座1、盖板2、光纤定位装置3、定轴装置4，如图2所示。
如图3所示，定轴装置4截面为Z字形，光纤固定座1装配在定轴装置4的上表面，光纤固定座1上设置有卡具V型槽，将从光纤定位装置3 中伸出的光子晶体光纤放置在卡具V型槽中，通过盖板2将光子晶体光纤压紧在卡具V型槽中，调整光子晶体光纤伸出卡具V型槽的长度。
S7、将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层 15～20mm，用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤9～15mm，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴。
第一次光子晶体光纤的定轴，具体为：旋转光子晶体光纤，使其保偏轴垂直于所述卡具V型槽的上表面，然后固定光纤。第一次定轴是为确定光子晶体光纤的保偏轴向，方便将光子晶体光纤端面切割成特定角度。
卡具V型槽的宽度在158～162μm，深度在68～76μm。
S8、把经过S7定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；
对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割，具体为：光子晶体光纤固定好之后，旋转第二固定装置90°，令第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤扭曲90°，刀头切割后，光子晶体光纤形成15°斜面的端面角度。如图4所示。
S9、将S8切割后的光纤放入经过S5处理后的分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆 V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度小于50μm。
进一步的，本发明还提出一种光子晶体光纤组件制备系统，包括：
晶圆准备模块：在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；将已经划切出晶圆V 型槽的硅晶圆切成多个阵列；将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
分立单元划分模块：将阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
光纤卡具装夹模块：将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
第一次定轴模块：将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；
第二次定轴模块：把经过第一次定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；将切割后的光纤放入经过分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴。
实施例：
通过两次定轴进行了光子晶体尾纤组件制备和性能测试。首先，将光子晶体光纤固定在卡具V型槽上，旋转光子晶体光纤到特定保偏轴，用压盖压紧光子晶体光纤，完成第一次定轴；然后将光子晶体光纤放到切割刀上，切割出15°光纤倾斜角度；最后将光子晶体光纤放入晶圆V型槽，调整光子晶体光纤的保偏轴方向和伸出晶圆V型槽的长度，完成第二次定轴。
在测量显微镜下测量光纤角度，结果如下：
表1.光线角度测量表
编号 光纤角度(°)
1 74.15
2 75.76
3 74.05
4 75.32
5 75.96
6 74.05
7 75.48
8 75.5
平均值 75.03
误差 ≤0.95
通过上述测量表可以看出，这种方法切割出的光线角度误差≤0.95°，根据
Figure BDA0002136873050000091
能计算出尾纤的插入损耗为0.21dB，而使用磨抛方法得到的尾纤插入损耗在0.3～0.5dB，使用本发明的方法要优于传统磨抛方法。

Claims (9)

1.一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，包括步骤：
S1、在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；
S2、将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；
S3、将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
其特征在于，还包括以下步骤：
S4、将所述阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；
S5、将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
S6、将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
S7、将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；
第一次光子晶体光纤的定轴，具体为：使光子晶体光纤的保偏轴垂直于光纤卡具上卡具V型槽的上表面，然后固定光纤；
S8、把经过S7定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；
S9、将S8切割后的光纤放入经过S5处理后的分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。
2.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：步骤S1中在硅晶圆上腐蚀出的晶圆V型槽，深度为55um～65um，宽度为85um～95um，相邻晶圆V型槽之间的距离为25um～35um。
3.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：将硅晶圆划切阵列时，垂直于晶圆V型槽的方向进行切割，每个切割得到的阵列中晶圆V型槽的长度相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：步骤S3中将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面，具体为：将所述阵列研磨成长度为1.8mm～2mm、端面为15°±0.5°角的形式。
5.根据权利要求4所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：步骤S4将所述阵列切割成多个分立单元，具体为：切割方向平行于阵列上的晶圆V型槽，且每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽，每个分立单元的端面均为15°±0.5°角。
6.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：步骤S6中光纤卡具具体包括：光纤固定座(1)、盖板(2)、光纤定位装置(3)、定轴装置(4)；
定轴装置(4)截面为Z字形，光纤固定座(1)装配在定轴装置(4)的上表面，光纤固定座(1)上设置有卡具V型槽，将从光纤定位装置(3)中伸出的光子晶体光纤放置在卡具V型槽中，通过盖板(2)将光子晶体光纤压紧在卡具V型槽中，调整光子晶体光纤伸出卡具V型槽的长度。
7.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割，具体为：光子晶体光纤固定好之后，旋转第二固定装置90°，令第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤扭曲90°，刀头切割后，光子晶体光纤形成15°斜面的端面角度。
8.根据权利要求1所述的一种用于光子晶体光纤组件制备的方法，其特征在于：通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度小于50μm。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述用于光子晶体光纤组件制备方法实现的光子晶体光纤组件制备系统，其特征在于包括：
晶圆准备模块：在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；
分立单元划分模块：将阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；
光纤卡具装夹模块：将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；
第一次定轴模块：将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；
第二次定轴模块：把经过第一次定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；将切割后的光纤放入经过分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴。
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