CN111025487B - 一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置，属于光纤器件制造技术领域。本发明装置包括端面斜切的集成光学芯片、端面平切的空芯光子带隙光纤环和尾纤夹具；通过尾纤夹具将两尾纤端面以最佳耦合角度和间距分别固定到集成光学芯片两出光口。本发明方法建立空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的直接耦合仿真模型，依据通过仿真计算出的最佳耦合角度和间距设计尾纤夹具，将空芯光子带隙光纤环与尾纤夹具固定，再与集成光学芯片耦合并固定。本发明实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片低损耗、低背向反射、高环境适应性的直接耦合，应用于光纤陀螺中还可以消除熔接点给光路带来的非互易性影响。

Description

一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直 接耦合方法及装置

技术领域

本发明属于光纤器件制造技术领域，具体涉及一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置。

背景技术

空芯光子带隙光纤是一种光子晶体光纤，导光机理是光子带隙效应，包层为周期性排列的薄壁玻璃管，形成二维光子晶体，产生光子带隙，纤芯大空气孔致使光子带隙产生频率极窄的缺陷态，光被限制在纤芯内传输。空芯光子带隙光纤导光时大于95％的光在空气中传输，而空气的环境敏感度远远小于二氧化硅，因此相比于传统的石英光纤，空芯光子带隙光纤大幅度降低了环境因素对光纤传输性能的影响，用其替代光纤陀螺中的传统光纤可以极大地提高光纤陀螺精度等性能，空芯光子带隙光纤陀螺被公认为是下一代光纤陀螺。

光纤陀螺基于Sagnac效应测量系统角速度，其结构中光纤环与集成光学芯片连接形成的闭合光路是产生Sagnac相位差的最关键敏感组件，因此高精度空芯光子带隙光纤陀螺对空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的耦合质量有严格要求。目前空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的主要连接方式是尾纤熔接，由于空芯光子带隙光纤端面的多孔结构，熔接质量极不可靠。并且熔接时由于表面张力，熔接点附件的空气孔发生塌陷，导光性能改变，损耗增大。另外，熔接点两侧材料不同，折射率发生突变，产生很强的背向反射光，背向反射光会与主光束发生干涉，影响主光束相位，造成转速测量误差。总之，目前空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片尾纤熔接连接方式损耗大、背向反射强，熔接点还会增加偏振交叉耦合，降低系统检测精度和可靠性，严重影响陀螺精度，阻碍空芯光子带隙光纤陀螺的发展。

发明内容

针对上述空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片尾纤熔接连接方式的缺点，本发明提出一种低损耗、低背向反射、高环境适应性的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置。

本发明的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，包括：端面斜切的集成光学芯片，空芯光子带隙光纤环，以及光纤环尾纤夹具；所述的与集成光学芯片相耦合的空芯光子带隙光纤环的两尾纤的端面为平切。

所述的尾纤夹具有与集成光学芯片相配合的两个安装面a,b；设一个基准面，基准面与安装面a相互垂直；安装面a和安装面b互相垂直，安装面b与基准面的夹角为最佳耦合角度θ；所述的尾纤夹具还开有两个光纤槽a,b，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面。

将空芯光子带隙光纤环两尾纤的涂覆层剥除并分别插入所述的尾纤夹具的两个光纤槽，当尾纤的端面距离安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具固定；将尾纤夹具的两个安装面贴合到集成光学芯片上，调节尾纤夹具的位置，当探测到集成光学芯片的输出光功率最大时，固定尾纤夹具位置，并在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶。

最佳耦合角度θ和间距Δ通过仿真计算得到，当空芯光子带隙光纤环以设置的最佳耦合角度θ与集成光学芯片耦合，且耦合端面之间的间距为最佳耦合间距Δ时，耦合效率最大。

本装置通过尾纤夹具将两尾纤端面以最佳耦合角度和最佳耦合间距分别固定到集成光学芯片两出光口，尾纤夹具固定在集成光学芯片上还具有对空芯光子带隙光纤环两端面密封的作用，提高了耦合点的环境适应性，最终构成一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置。

本发明的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法，包括如下步骤：

步骤1、确定空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的最佳耦合角度和间距；

建立空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的直接耦合仿真模型，通过仿真模型测得不同耦合角度和间距下的耦合效率，确定最大耦合效率时空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的最佳耦合角度θ和间距Δ，并通过搭建与仿真模型相对应的实验平台来验证。

步骤2、设计具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具；

设计空芯光子带隙光纤环尾纤夹具，保证在直接耦合装置安装时，空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片以最佳耦合角度θ和间距Δ耦合，另外，本发明的耦合过程中空芯光子带隙光纤环尾纤端面暴露于空气中，夹具还需要实现对端面的密封，提高环境适应性。

步骤3、制作空芯光子带隙光纤环尾纤组件；

将空芯光子带隙光纤环两尾纤剥除一定长度涂覆层，分别插入尾纤夹具的光纤槽内，当尾纤的端面距离尾纤夹具的安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具用胶固定，制成空芯光子带隙光纤环尾纤组件。

步骤4、将空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合；

搭建直接耦合调节光路，通过探测器观测集成光学芯片的输出光功率，调节空芯光子带隙光纤环尾纤组件与集成光学芯片的耦合位置，并实时观察探测器示数，当示数达到最大值时，固定尾纤夹具当前位置，在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶，实现对空芯光子带隙光纤环端面的局部密封，从而实现了一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合。

本发明的装置及方法，与现有技术相比，具有以下优势和积极效果：

(1)本发明的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的低损耗直接耦合。本发明适用于空芯光子带隙光纤环的模场直径与集成光学芯片波导模场直径相差不大的情况，耦合方法中光纤环无需熔接，消除了熔接点带来的额外高损耗。

(2)本发明的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的低背向反射直接耦合。直接耦合时集成光学芯片端面10°斜切，有效降低了背向反射光，并且耦合方法中无需熔接，消除了熔接点产生的额外背向反射。

(3)本发明的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的高环境适应性耦合。直接耦合时，空芯光子带隙光纤环的尾端为平切处理，直接暴露于空气中，而空气中的水汽等物质进入空芯光子带隙光纤环端面空气孔内会影响其光学特性。通过设计的光纤环尾纤夹具，在直接耦合过程中固定光纤环尾端位置的同时，实现了对端面的密封，避免了空气成分对耦合特性的影响，大幅度提高环境适应性，更适用于恶劣工作环境。

附图说明

图1是应用本发明得到的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片构成的闭合敏感组件；

图2是本发明所采用的空芯光子带隙光纤环的端面结构图；

图3是本发明的空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片直接耦合时的最佳耦合角度和间距的确定原理图；

图4是本发明设计的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具结构图；

图5是本发明设计的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具左视图；

图6是本发明的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法的流程示意图；

图7是本发明直接耦合装置中空芯光子带隙光纤环尾纤与夹具构成的组件示意图；

图8是本发明直接耦合装置中空芯光子带隙光纤环尾纤组件与集成光学芯片直接耦合结构图；

图9是本发明直接耦合方法中空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合时位置调节方法原理图；

图10是本发明直接耦合装置中端面密封时夹具涂胶示意图。

图中：

1-集成光学芯片；2-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具；3-空芯光子带隙光纤环；4-纤芯大空气孔；5-包层小空气孔；6-石英包层；7-集成光学芯片表面波导a；

8-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的安装面a；9-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的安装面b；

10-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的光纤槽a；11-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的光纤槽b；

12-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具光纤槽顶端面；13-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具内表面；

14-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的前端面；15-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具的后端面；

16-空芯光子带隙光纤环尾纤a；17-空芯光子带隙光纤环尾纤b；18-集成光学芯片端面；

19-集成光学芯片表面波导b。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

作为光纤陀螺结构中的敏感组件，空芯光子带隙光纤环3与集成光学芯片1的耦合质量直接影响着陀螺性能。如图1所示，本发明实现的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，是将空芯光子带隙光纤环3通过具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具2与集成光学芯片1直接耦合。与尾纤熔接方式相比，本发明的具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方式中，不存在空芯光子带隙光纤与石英光纤的熔接点，具有低损耗、低背向反射、高环境适应性等优势，消除了熔接点给光路带来的非互易性和偏振交叉耦合影响，更有助于高性能空芯光子带隙光纤陀螺的研制。

如图2所示，本发明采用的空芯光子带隙光纤环3的端面结构，纤芯为大空气孔4，其外为包层小空气孔5和石英包层6。

空芯光子带隙光纤环3与集成光学芯片1的耦合点产生的背向反射光会引起主光束相位误差，进而影响转速测量精度。为了减小直接耦合点处的背向反射，本发明采用的集成光学芯片1的端面为斜切。如图3所示，本发明实施例中，采用的集成光学芯片1的端面为10°斜切，集成光学芯片1的顶端面和侧端面相互垂直，侧端面具有10°的斜面角度。集成光学芯片1的材料为LiNbO₃晶体。空芯光子带隙光纤环3的端面为平切。如图3所示，空芯光子带隙光纤环3以最佳耦合角度θ与集成光学芯片1进行耦合，集成光学芯片1与空芯光子带隙光纤环3的耦合端面之间的间距为最佳耦合间距Δ，最佳耦合角度θ和间距Δ的确定方法在下面的步骤1中说明。

如图4和图5所示，本发明设计的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具2，具有与集成光学芯片1相配合的两个安装面，分别标记为安装面a8和安装面b9，安装面a8和安装面b9互相垂直。设一个基准面A-A，基准面A-A与安装面a8相互垂直。本发明设计安装面b9的斜面角度为最佳耦合角度θ，表现为安装面b9与基准面A-A的夹角为最佳耦合角度θ。安装面a8和安装面b9分别用于与集成光学芯片1的顶端面和侧端面相接合。尾纤夹具2还开有两个光纤槽，标记为光纤槽a10和光纤槽b11，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a8的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面A-A。空芯光子带隙光纤环的两个尾纤分别插入两个光纤槽中。本发明实施例中，尾纤夹具2的外型为一个开有缺口的圆柱体，缺口位于圆柱体的前端面14处，在尾纤夹具2的安装面a8,b9所在的缺口处挖出一段小圆柱腔，小圆柱腔与圆柱体同轴，标记靠近尾纤夹具前端面14的圆柱腔的一面为尾纤夹具的内表面13，圆柱腔内与内表面13相对的一面为光纤槽顶端面12。光纤槽a10和光纤槽b11贯穿圆柱体的后端面15和光纤槽顶端面12。设计内表面13、安装面b9和尾纤夹具前端面14的斜面角度都是确定的最佳耦合角度θ。设计光纤槽顶端面12距离安装面b9的距离要大于耦合间距Δ。

剥除空芯光子带隙光纤环3两尾纤一定长度的涂覆层，并平切端面，分别插入尾纤夹具2固定。通过尾纤夹具2将两尾纤端面以最佳耦合角度和最佳耦合间距分别固定到集成光学芯片1两出光口，尾纤夹具2固定在集成光学芯片1上还具有对空芯光子带隙光纤环3两端面密封的作用，提高了耦合点的环境适应性，最终构成一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置。

本发明的一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法的实现流程如图6所示，下面分4个步骤说明。

步骤1、确定空芯光子带隙光纤环3尾纤的最佳耦合角度和间距。

如图3所示，为了减小直接耦合点处的背向反射，本发明采用的集成光学芯片1的端面为10°斜切，当空芯光子带隙光纤环尾纤b17与集成光学芯片1直接耦合时，光在芯片表面波导7的端面处入射角i＝10°，发生折射。为了获得最大的耦合效率，应使芯片表面波导7的端面出射的光沿空芯光子带隙光纤环尾纤b17的轴线入射，即应使波导7出射的光能量最大程度的耦合进空芯光子带隙光纤环内传输，因此需要确定空芯光子带隙光纤环尾纤b17的最佳耦合角度θ。光在芯片表面波导7的端面处发生折射，根据折射定律，可确定光偏离芯片表面波导7轴线的角度，从而初步确定耦合角度θ。但芯片表面波导7的端面与空芯光子带隙光纤环尾纤b17的端面间存在一定间距Δ，光场出射后存在发散角而导致模场变大，一部分光能量无法耦合进空芯光子带隙光纤环尾纤b17内，能量损失，造成耦合效率降低，且耦合角度θ越大，间距Δ越大，光出射后模场扩散越严重，能量损失越大，耦合效率降低越严重，所以仅由折射定律确定的耦合角度θ并不是最佳的。综合光的折射和发散问题，利用仿真软件建立空芯光子带隙光纤环尾纤b17与集成光学芯片1直接耦合模型，仿真不同耦合角度θ和间距Δ下的耦合效率，在相同情况下，进行实物对照实验，综合仿真和实验结果，最终确定空芯光子带隙光纤环尾纤b17与集成光学芯片1的最佳耦合角度θ和间距Δ。

步骤2、设计具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具2。

空芯光子带隙光纤环3与集成光学芯片1直接耦合装置安装时，需要保证空芯光子带隙光纤环尾纤3与集成光学芯片1以最佳耦合角度θ和间距Δ耦合，为此设计了具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具2，如图4和图5所示。尾纤夹具2的外形为一个有缺口的圆柱体，缺口的两个表面标记为夹具的安装面a8和安装面b9，安装面b9垂直于圆柱体中轴线，安装面a8的延伸面经过圆柱体轴线。后期直接耦合时尾纤夹具2是通过安装面a8和安装面b9固定到集成光学芯片1上的，因此安装面a8和安装面b9的表面粗糙度一定程度上影响了耦合精度，在切割这两面的时候需要研磨处理，提高表面光滑度。在缺口处挖出一段长度为r的小圆柱腔，圆柱腔与夹具圆柱体共轴线，圆柱腔的一端是垂直的光纤槽顶端面12，另外一端是夹具内表面13，内表面13、安装面b9和夹具前表面14的斜面角度都是前期确定的最佳耦合角度θ，如图7所示。安装面b9的斜面角度θ确保了后期直接耦合装置安装时，空芯光子带隙光纤环3以最佳耦合角度θ与集成光学芯片1耦合。在夹具后表面15上挖两个光纤槽a10、b11，两槽一直贯穿到光纤槽顶端面12，两光纤槽a10、b11的轴线位于安装面a8的延伸面内。

步骤3、制作空芯光子带隙光纤环尾纤组件。

将空芯光子带隙光纤环的两根尾纤a16、b17剥除一定长度的涂覆层并平切，控制剩余裸纤长度，分别插入尾纤夹具2的光纤槽a10、b11内，裸纤的端面伸出光纤槽顶端面12后，未超出夹具安装面b9，距离夹具安装面b9的距离正好是确定的最佳耦合间距Δ，用胶固定两尾纤，制成空芯光子带隙光纤环尾纤组件，如图7所示。空芯光子带隙光纤环的两个尾纤a16、b17的裸纤端面处于悬空状态，有利于避免后期密封时胶水进入空芯光子带隙光纤环端面空气孔内而影响耦合效率。

步骤4、空芯光子带隙光纤环3与集成光学芯片1直接耦合，得到一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置。

调节搭载了空芯光子带隙光纤环尾纤组件的多维位移台，使空芯光子带隙光纤环3与集成光学芯片1直接耦合，如图8所示。直接耦合调节时，搭建如图9所示调节光路，通过探测器测量集成光学芯片1的输出光功率，首先调节空芯光子带隙光纤环尾纤夹具安装面a8和b9分别与集成光学芯片1上表面和端面18贴合，这样便保证了空芯光子带隙光纤环3以最佳耦合角度θ和间距Δ与集成光学芯片1耦合，然后在保证最佳耦合角度θ的前提下进一步微调尾纤夹具2的位置，并实时观察探测器功率，当探测器示数达到最大值时，表示此时光纤环尾纤b16和a17分别与集成光学芯片表面波导a7和b19对准了，固定尾纤夹具2当前位置，在夹具安装面a8和b9分别与集成光学芯片上表面和端面18贴合的部分全部涂上密封胶，固定尾纤夹具2的同时实现对空芯光子带隙光纤环端面的密封。由于光纤环尾纤夹具2的中空结构设计，光纤环尾纤a17和b16的端面是悬空的，防止了密封胶流入光纤环端面而影响耦合性能，如图10所示，阴影部分为密封胶。最终制成了一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置。

本发明提出了一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置，具有低损耗、低背向反射、高环境适应性等优势，为在恶劣环境工作条件下的高精度空芯光子带隙光纤陀螺的发展奠定了基础。

Claims (5)

1.一种空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，其特征在于，包括：集成光学芯片，空芯光子带隙光纤环，以及尾纤夹具；所述的集成光学芯片的端面斜切；所述的与集成光学芯片相耦合的空芯光子带隙光纤环的两尾纤的端面为平切；

所述的尾纤夹具有与集成光学芯片相配合的两个安装面a,b；设一个基准面，基准面与安装面a相互垂直；安装面a和安装面b互相垂直，安装面b与基准面的夹角为最佳耦合角度θ；所述的尾纤夹具还开有两个光纤槽a,b，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面；

将空芯光子带隙光纤环两尾纤的涂覆层剥除并分别插入所述的尾纤夹具的两个光纤槽，当尾纤的端面距离安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具固定；将尾纤夹具的两个安装面贴合到集成光学芯片上，调节尾纤夹具的位置，当探测到集成光学芯片的输出光功率最大时，固定尾纤夹具位置，并在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶；所述的间距Δ是指当空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片进行耦合时，耦合端面之间的间距；

所述的尾纤夹具的外型为一个开有缺口的圆柱体，缺口位于圆柱体的前端面处，缺口所形成的两个面为安装面a,b，在缺口处挖出一段圆柱腔，圆柱腔与圆柱体同轴，标记靠近前端面的圆柱腔的一面为夹具内表面，圆柱腔内与夹具内表面相对的一面为光纤槽顶端面；光纤槽顶端面距离安装面b的距离要大于耦合间距Δ；光纤槽a和光纤槽b贯穿圆柱体的后端面和光纤槽顶端面；夹具内表面和夹具前端面的斜面角度都是最佳耦合角度；

最佳耦合角度θ和间距Δ通过仿真计算得到，当空芯光子带隙光纤环以设置的最佳耦合角度θ与集成光学芯片耦合，且耦合端面之间的间距为最佳耦合间距Δ时，耦合效率最大。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的集成光学芯片的端面具有10°的斜面角度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的尾纤夹具具有中空的内部，空芯光子带隙光纤环两尾纤插入光纤槽后，两尾纤的端面是悬空的。

4.根据权利要求1所述的装置的一种空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的最佳耦合角度和间距；

将集成光学芯片的端面斜切，将空芯光子带隙光纤环尾纤的端面平切，建立端面斜切的集成光学芯片与端面平切的空芯光子带隙光纤环尾纤的直接耦合仿真模型；仿真空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片在不同耦合角度和间距下的耦合效率，确定对应最大耦合效率的最佳耦合角度θ和间距Δ；

步骤2、设计具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具；

所述的尾纤夹具保证在直接耦合装置安装时，空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片以最佳耦合角度θ和间距Δ耦合；

步骤3、制作空芯光子带隙光纤环尾纤组件；

将空芯光子带隙光纤环两尾纤剥除一定长度涂覆层，分别插入尾纤夹具的光纤槽内，当尾纤的端面距离尾纤夹具的安装面b的距离为间距Δ时，用胶将尾纤与尾纤夹具固定，制成空芯光子带隙光纤环尾纤组件；

步骤4、将空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合；

搭建直接耦合调节光路，通过探测器观测集成光学芯片的输出光功率，调节空芯光子带隙光纤环尾纤组件与集成光学芯片耦合的位置，实时观察探测器示数，当示数达到最大值时，固定尾纤夹具当前位置，在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶，实现对空芯光子带隙光纤环端面的局部密封。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的直接耦合仿真模型中，光在集成光学芯片的斜切端面处发生折射，根据折射定律确定光偏离集成光学芯片表面波导轴线的角度，但芯片表面波导的端面与空芯光子带隙光纤环尾纤的端面间存在间距，光场出射后存在发散角而导致模场变大，耦合角度不同，间距也不同，空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的耦合效率也不同。

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