CN110687696B

CN110687696B - 一种集成式光隔离器的封装方法以及集成式光隔离器

Info

Publication number: CN110687696B
Application number: CN201911000306.6A
Authority: CN
Inventors: 郑熠; 吴少凡; 王帅华; 黄鑫; 徐刘伟
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN110687696A

Abstract

本发明公开了一种集成式光隔离器的封装方法以及集成式光隔离器，涉及光纤通讯技术领域。所述方法包括：将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板；将基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，对中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，在刻蚀后的第一磁光晶体上制作磁光旋转器；将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器，将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器；在起偏器上耦合输入光纤，在检偏器上耦合输出光纤，从而得到集成式光隔离器。本发明在第一磁光晶体贴合双折射晶体，同时制备起偏器和检偏器，产品质量高，且加工工艺简单，加工效率高，加工成本降低。

Description

一种集成式光隔离器的封装方法以及集成式光隔离器

技术领域

本发明涉及光纤通讯技术领域，尤其是涉及一种集成式光隔离器的封装方法以及集成式光隔离器。

背景技术

在光纤通信系统中总是存在由于许多原因产生的反向光，这类反向光的存在，导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声，光放大器增益发生变化和产生自激，造成整个光纤通信系统无法正常工作。而光隔离器能够实现光信号的正向传输，同时抑制反向光。

光隔离器的主要原理是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。因此，一个光隔离器的构成主要有：起偏器实现由自然光得到偏振光；磁光晶体制成的法拉第光旋转器，也称磁光旋转器，完成对光偏振态的非互易调整；检偏器实现将光线汇聚平行出射。

目前，现有技术制作集成式的光隔离器，一般是在晶体衬底上分别加工起偏器、检偏器和磁光旋转器，加工工艺繁琐，加工成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种集成式光隔离器的封装方法，加工工艺简单，加工成品率高，加工成本低。

为实现上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种集成式光隔离器的封装方法，所述方法包括：

将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板；

将所述基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，对所述中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，在刻蚀后的第一磁光晶体上制作磁光旋转器；

将所述前段基板对应的双折射晶体构成起偏器，将所述后段基板对应的双折射晶体构成检偏器；

在所述起偏器上耦合输入光纤，在所述检偏器上耦合输出光纤，从而得到所述集成式光隔离器。

作为本发明再进一步的方案：所述第一磁光晶体和双折射晶体的贴合方式为压焊连接。

作为本发明再进一步的方案：所述第一磁光晶体和双折射晶体压焊连接之前，所述方法还包括：

分别在所述第一磁光晶体和双折射晶体的一个表面制作连接金属层；所述连接金属层用于将所述第一磁光晶体和所述双折射晶体压焊连接。

作为本发明再进一步的方案：所述第一磁光晶体和双折射晶体制作连接金属层之前，所述方法还包括：

将所述第一磁光晶体和双折射晶体预制作连接金属层的表面抛光。

作为本发明再进一步的方案：将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板之前，所述方法还包括：

对所述双折射晶体和/或所述第一磁光晶体进行减薄。

作为本发明再进一步的方案：所述在刻蚀后的第一磁光晶体上制作磁光旋转器的具体步骤为：

在所述刻蚀后的第一磁光晶体上生长第二磁光晶体，然后在所述第二磁光晶体上制作永磁薄膜。

作为本发明再进一步的方案：所述第一磁光晶体和所述第二磁光晶体的种类相同。

作为本发明再进一步的方案：所述将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器的具体步骤为：

将所述前段基板的端面打磨成与所述基板的下表面成指定夹角后，所述前段基板上对应的双折射晶体构成起偏器；

所述将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器的具体步骤为：

将所述后段基板的端面打磨成与所述基板的上表面成指定夹角后，所述后段基板上对应的双折射晶体构成检偏器。

本发明还提供一种应用上述任意一种封装方法加工的集成式光隔离器，所述隔离器包括输入光纤和输出光纤，还包括设置在所述输入光纤和输出光纤中间的光隔离器芯；

所述光隔离器芯，包括第一磁光晶体、起偏器、检偏器和磁光旋转器；

所述起偏器固定设置在所述第一磁光晶体的前段区的上表面，所述起偏器连接所述输入光纤；

所述检偏器固定设置在所述第一磁光晶体的后段区的上表面，所述检偏器连接所述输出光纤；

所述磁光旋转器设置在所述第一磁光晶体中段区的上表面。

作为本发明再进一步的方案：所述磁光旋转器包括第二磁光晶体和永磁薄膜；

所述第二磁光晶体固定设置在所述第一磁光晶体上，所述永磁薄膜设置在所述第二磁光晶体的上表面。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明提供的集成式光隔离器的封装方法，包括：将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板；将基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，对中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，在刻蚀后的第一磁光晶体上制作磁光旋转器；将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器，将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器；在起偏器上耦合输入光纤，在检偏器上耦合输出光纤，从而得到集成式光隔离器。相较于现有技术，在本发明实施例中，在第一磁光晶体贴合双折射晶体形成基板后，在中段基板经过离子刻蚀后制作磁光旋转器，而前段基板和后段基板构成起偏器和检偏器。该方法加工工艺简单，加工效率高，加工成本低。

(2)进一步地，本发明实施例中第一磁光晶体和双折射晶体采用压焊方式连接，工艺简单，连接稳定，进一步降低了加工成本；进一步地，本发明实施例中第一磁光晶体和第二磁光晶体的种类相同，加工难度小，成本率高，进一步降低了加工工艺的复杂性和加工成本。

(3)本发明提供的集成式光隔离器，通过第一磁光晶体贴合双折射晶体形成基板，在中段基板经过离子刻蚀后制作磁光旋转器，而前段基板和后段基板构成起偏器和检偏器。这样的封装方法工艺简单，加工成本低，加工成品率高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种集成式光隔离器的封装方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种集成式光隔离器的结构主视图；

图中：1-第一磁光晶体；2-起偏器；3-检偏器；4-第二磁光晶体；5-永磁薄膜；6-输入光纤；7-输出光纤。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种集成式光隔离器的封装方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤101、将第一磁光晶体1和双折射晶体贴合形成基板。

其中，所述第一磁光晶体1和双折射晶体可以设置为大小等同的长方体状或正方体状，将所述双折射晶体覆盖在第一磁光晶体1之上。

所述第一磁光晶体1可以是现有的任何一种磁光晶体，比如：钇铁石榴石体系YIG，掺杂YIG体系；镓酸盐石榴石体系GGG，TGG；稀土铝酸盐石榴石体系TAG，TAG-TGG等，本发明实施例对此不做限定。

所述双折射晶体可以是现有的任何一种双折射晶体，比如：方解石、铌酸锂、钽酸锂、钒酸钇等，本发明实施例对此不做限定。

步骤102、将基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，对中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，在刻蚀后的第一磁光晶体1上制作磁光旋转器。

其中，所述基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不做限定。

所述对中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，中段基板上的双折射晶体被彻底清除后，在暴露出的第一磁光晶体1上制作磁光旋转器，所述磁光旋转器可以用来完成对光偏振态的非互易调整，将线性偏振光旋转45°。

步骤103、将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器2，将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器3。

步骤104、在起偏器2上耦合输入光纤6，在检偏器3上耦合输出光纤7，从而得到所述集成式光隔离器。

本发明提供的集成式光隔离器的封装方法，通过将第一磁光晶体1和双折射晶体贴合形成基板；将基板划分为前段基板、中段基板和后段基板，对中段基板对应的双折射晶体表面进行离子刻蚀，在刻蚀后的第一磁光晶体1上制作磁光旋转器；将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器2，将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器3；在起偏器2上耦合输入光纤6，在检偏器3上耦合输出光纤7，从而得到集成式光隔离器。本发明在第一磁光晶体1贴合双折射晶体，同时制备起偏器2和检偏器3，产品质量高，且加工工艺简单，加工效率高，加工成本降低。

进一步的，所述第一磁光晶体1和双折射晶体的贴合方式为压焊连接。

其中，采用对双折射晶体施加压力，使双折射晶体和第一磁光晶体1连接。

进一步的，在第一磁光晶体1和双折射晶体压焊连接之前，所述方法还可以包括：分别在第一磁光晶体1和双折射晶体的一个表面制作连接金属层；连接金属层用于将第一磁光晶体1和所述双折射晶体压焊连接。其中，所述连接金属层可以为锡膜，该锡膜可以通过蒸发镀锡工艺制作在第一磁光晶体1和双折射晶体的表面。

进一步的，在第一磁光晶体1和双折射晶体制作连接金属层之前，所述方法还可以包括：将第一磁光晶体1和双折射晶体预制作连接金属层的表面抛光。其中，所述抛光方法可以是液动压抛光、磁流变抛光、流体抛光等。

进一步的，将第一磁光晶体1和双折射晶体贴合形成基板之前，所述方法还可以包括：对双折射晶体和/或第一磁光晶体1进行减薄。其中，减薄方法可以是化学机械研磨、磁流体减薄等。减薄能进一步缩小产品的体积。

进一步的，在刻蚀后的第一磁光晶体1上制作磁光旋转器的具体步骤为：

在刻蚀后的第一磁光晶体1上生长第二磁光晶体4，然后在第二磁光晶体4上制作永磁薄膜5。

其中，第二磁光晶体4可以通过质子交换法生长在第一磁光晶体1上。

永磁薄膜5可以通过电沉积、磁控溅射、激光脉冲沉积等方法制作在第二磁光晶体4上。

进一步的，第一磁光晶体1和第二磁光晶体4的种类相同。采用这种设置，同种晶体的质子交换生长难度小，成品率高，加工成本低。

进一步的，将前段基板对应的双折射晶体构成起偏器2的具体步骤为：将前段基板的端面打磨成与基板的下表面成指定夹角后，前段基板上对应的双折射晶体构成起偏器2；

将后段基板对应的双折射晶体构成检偏器3的具体步骤为：将后段基板的端面打磨成与基板的上表面成指定夹角后，后段基板上对应的双折射晶体构成检偏器3。

其中，上述指定夹角均为22.5°，采用这种设置，可以使由输入光纤6输入的激光，通过检偏器3输出，而反向光被旋转，不能从起偏器2中通过。

下面示例出集成式光隔离器的封装方法：首先在第一磁光晶体1的其中一面镀锡，在双折射晶体的其中一面镀锡；通过压焊工艺将第一磁光晶体1与双折射晶体的镀锡面连接，将第一磁光晶体1和双折射晶体减薄形成基板。然后根据设计尺寸将基板分为制作起偏器2、磁光旋转器和检偏器3的三部分，将制备磁光旋转器部分的双折射晶体采用离子刻蚀去除并暴露出第一磁光晶体1，在暴露出的第一磁光晶体1面上通过质子交换法生长第二磁光晶体4，并在第二磁光晶体4上制作永磁薄膜5构成磁光旋转器。接着将制作起偏器2部分的端面打磨为与基板下表面成指定夹角形成起偏器2，将制作检偏器3部分的端面打磨为与基板上表面成指定夹角形成检偏器3。最后将输入光纤6和输出光纤7分别与起偏器2和检偏器3耦合，封装成集成式光隔离器。

下面为本发明提供的集成式光隔离器封装方法的一个具体实施例：

提供一块第一磁光晶体1，材料为钇铁石榴石(yttrium iron garnet，简称YIG晶体)，在YIG晶体的其中一面蒸发镀锡，镀膜参数为蒸发舟电流550A，电压5-7V，真空度为(5-7)×10^-3Pa，锡膜厚度1μm。

提供一块双折射晶体，材料为钒酸钇晶体(YVO⁴晶体)，在YVO⁴晶体的其中一面蒸发镀锡，镀膜参数为蒸发舟电流550A，电压5-7V，真空度为(5-7)×10^-3Pa，锡膜厚度1μm。

通过真空压焊工艺将YIG晶体与YVO⁴晶体的镀锡面焊接紧密，真空压焊工艺的参数为：真空度(2-3)×10^-4Pa，压力25Kg/cm²，环境温度120℃。然后将YIG晶体与YVO⁴晶体减薄形成基板。

然后根据设计尺寸将基板分为制作起偏器2、磁光旋转器和检偏器3的三部分。将制备磁光旋转器部分的YVO⁴晶体采用离子刻蚀去除并暴露出YIG晶体面，刻蚀深度约为2μm；在暴露出的YIG晶体面上通过质子交换法生长另一块YIG晶体，并在新生长的YIG晶体4上沉积永磁薄膜5，由此构成磁光旋转器。

接着将制作起偏器2部分的端面打磨为与基板下表面夹角成22.5°形成2，将制作检偏器3部分的端面打磨为与基板上表面夹角成22.5°形成检偏器3。

最后将输入光纤6和输出光纤7分别与起偏器2和检偏器3耦合，封装成集成式光隔离器。

本发明另一实施例提供一种应用于上述任一种所述的集成式光隔离器的封装方法加工的集成式光隔离器，如图2所示，包括输入光纤6和输出光纤7，还包括设置在输入光纤6和输出光纤7中间的光隔离器芯；

光隔离器芯，包括第一磁光晶体1、起偏器2、检偏器3和磁光旋转器；

起偏器2固定设置在第一磁光晶体1的前段区的上表面，起偏器2连接输入光纤6；

检偏器3固定设置在第一磁光晶体1的后段区的上表面，检偏器3连接输出光纤7；

磁光旋转器设置在第一磁光晶体1的中段区的上表面。

其中，第一磁光晶体1可以是现有的任何一种磁光晶体，比如：钇铁石榴石体系YIG，掺杂YIG体系；镓酸盐石榴石体系GGG，TGG；稀土铝酸盐石榴石体系TAG，TAG-TGG等，本发明实施例对此不做限定。

起偏器2和检偏器3是双折射晶体，可以是现有的任何一种双折射晶体，比如：方解石、铌酸锂、钽酸锂、钒酸钇等，本发明实施例对此不做限定。

参考图2，起偏器2和第一磁光晶体1的前段区的端面与第一磁光晶体1的下表面设置为指定夹角，检偏器3和第一磁光晶体1的后段区的端面与检偏器3的上表面设置为指定夹角，上述指定夹角均为22.5°。

进一步的，磁光旋转器包括第二磁光晶体4和永磁薄膜5；

第二磁光晶体4固定设置在第一磁光晶体1上，永磁薄膜5设置在第二磁光晶体4的上表面。

其中，第二磁光晶体4也可以是现有的任何一种磁光晶体，比如：钇铁石榴石体系YIG，掺杂YIG体系；镓酸盐石榴石体系GGG，TGG；稀土铝酸盐石榴石体系TAG，TAG-TGG等，本发明实施例对此不做限定。

永磁薄膜5可以是铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等中的任意一种。永磁薄膜5可以通过电沉积、磁控溅射、激光脉冲沉积等方法制作在第二磁光晶体4上。

本发明提供的集成式光隔离器，通过分别在第一磁光晶体1的前段区和后段区上设置起偏器2和检偏器3，在第一磁光晶体1的中段区设置磁光旋转器；其中磁光旋转器包括设置在第一磁光晶体1上的第二磁光晶体4和设置在第二磁光晶体4上的永磁薄膜5，以及与起偏器2连接的输入光纤6、与检偏器3连接的输出光纤7，实现了对反向光的隔离，本发明结构简单，体积小巧，加工成本低。

在该实施例中，由输入光纤6输入的激光经起偏器2后分为线偏振o光和e光，线偏振光经过磁光旋转器后其偏振方向逆时针旋转45°，o光和e光通过光轴角度成45°夹角的检偏器3后被折射到一起，耦合后从输出光纤7输出。反向光通过检偏器3后分为线偏振o’光和e’光，其偏振方向已经逆时针旋转了45°，再通过被覆有永磁薄膜5的第二磁光晶体4后其偏振方向继续逆时针旋转45°。到达起偏器2时o’光和e’光相对于o光和e光的偏振方向已经各偏转了90°，因而不能被起偏器2折射到一起。

由此起到光隔离的作用。

其中，被覆永磁薄膜5的厚度由第二磁光晶体4的长度及其费尔德常数决定。相对于入射的线偏振光，出射线偏振光偏振方向旋转的角度θ可表示为：θ＝VHL。

式中，V表示费尔德常数；

H表示外加磁场作用在第二磁光晶体4主轴方向上的磁场强度；

L表示光在第二磁光晶体4内传播的距离。

由此可见，当出射线偏振光偏振方向旋转的角度、第二磁光晶体4的特性及激光波长确定后，即θ、H和L确定，则V确定；当选定永磁薄膜5的组成成分，则永磁薄膜5的厚度也唯一确定。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims

1.一种集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，所述方法包括：

将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板；

将所述后段基板的端面打磨成与所述基板的上表面成指定夹角后，所述后段基板上对应的双折射晶体构成检偏器；

在所述起偏器上耦合输入光纤，在所述检偏器上耦合输出光纤，从而得到所述集成式光隔离器；

所述在刻蚀后的第一磁光晶体上制作磁光旋转器的具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，所述第一磁光晶体和双折射晶体的贴合方式为压焊连接。

3.根据权利要求2所述的集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，所述第一磁光晶体和双折射晶体压焊连接之前，所述方法还包括：

4.根据权利要求3所述的集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，所述第一磁光晶体和双折射晶体制作连接金属层之前，所述方法还包括：

5.根据权利要求1所述的集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，将第一磁光晶体和双折射晶体贴合形成基板之前，所述方法还包括：

对所述双折射晶体和/或所述第一磁光晶体进行减薄。

6.根据权利要求1所述的集成式光隔离器的封装方法，其特征在于，所述第一磁光晶体和所述第二磁光晶体的种类相同。