CN112394453A - 基于折射率引导型光子晶体光纤的y波导制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光子晶体光纤的波导制作技术领域，具体涉及一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法。本发明实现的结构包括：UV胶、玻璃套管、折射率引导型光子晶体光纤、铌酸锂波导芯片、金属管壳、粘接胶。本发明将低折射率UV胶填充进TIR‑PCF中，研磨后填充深度控制在50～150um，确保足够低的传输损耗以及尾纤偏振串音，制作成尾纤模块后与波导芯片耦合，最终封装。与现有技术相比较，本发明的充胶方案，既避开了传统光纤与光子晶体光纤的熔接引来的诸多问题，同时解决了直接用光子晶体光纤与波导耦合所带来的损耗大，尾纤偏振串音低等缺点，进一步提高了Y波导的温度稳定性，从而提高了光纤陀螺的环境适应性。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体光纤的波导制作技术领域，具体涉及一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，用于高精度的光纤陀螺，可进一步提高光纤陀螺的精度和环境适应性。
背景技术
Y波导器件作为光纤陀螺的核心部件在实际工程应用中存在着温度敏感、噪声大、磁敏感以及抗辐射能力差等问题，严重影响光纤陀螺性能。目前通过优化结构，更精密的光纤绕制，更完善的信号处理方案以及有效的屏蔽技术可以较好的解决上述问题，但是这些技术措施使得陀螺更为复杂，成本大大增加。而光子晶体光纤的独特构造具有以下独特优势：(1)对温度，电磁场，空间辐射等环境因素的敏感度低；(2)散射低，损耗小，传输参数稳定，对弯曲不敏感；(3)折射率引导型光子晶体光纤具有无限单模传输能力。报道表明，光子晶体光纤的温度稳定性比普通单模保偏光纤提高3至6倍，敏感性降低10至20倍，用光子晶体光纤替代常规的单模保偏光纤，可有效减小光纤陀螺的偏振误差，降低系统噪声，提高陀螺精度及其温度稳定性，减小陀螺尺寸。
由于折射率引导型光子晶体光纤的特性优势，国内科研院所及企业竞相将光子晶体光纤替代常规单模保偏光纤，由于国外的技术封锁以及较高的工艺难度致使单位注意力集中在光子晶体光纤与常规光纤的熔接技术上面。然而，光子晶体光纤与普通保偏光纤熔接，熔接端面会形成光反射区域从而引入背向反射光噪声；空气孔内的空气在温度变化环境下，折射率的变化量与石英不匹配从而导致模场失配，而如果采用光子晶体光纤直接耦合Y波导技术，可避免上述问题，提高器件整体消光比及温度稳定性，为后期Y波导芯片直接耦合光子晶体光纤环打下良好的基础。另一方面由于光子晶体光纤传输损耗低，对弯曲不敏感的特性，而可进一步减小光纤陀螺尺寸，对于研制小型化高精度光纤陀螺技术提供有力的技术支持。
专利CN201510853161.X以及CN201510827293.5显示了光子晶体光纤与常规熊猫纤熔接方法，虽然可以明显提高熔接损耗，但是依然存在传统光纤与光子晶体光纤的耦合端面反射，给陀螺系统带入光噪声，且温度特性不如全光子晶体光纤的陀螺效果好。
专利CN201410484241.8重点是光子晶体光纤环的绕制，波导器件的出纤部位通过缩孔工艺调整模场直径和光纤环间的匹配，未说明光子晶体光纤的尾纤制作方法。
专利CN200610113700.7是将有机树脂加入到耦合断面，形成固态的连接结构，损耗相对较低，但有机树脂胶体的折射率和热敏系数较大，不利于温差大的环境应用，因此只适用于常温器件的耦合，并不能提高全文状态下光纤陀螺的整体稳定性需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高器件的性能以及环境适应性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：准备折射率引导型光子晶体光纤及玻璃管，将折射率引导型光子晶体光纤作为尾纤，利用光纤对轴工艺实现尾纤模块的对轴工作；
步骤2：尾纤模块经过筛选后，切割尾纤模块突出部分尾纤，与玻璃管端面高度偏差不大于0.5mm，经镜检剔除偏差较大的模块；
步骤3：采用充胶夹具将尾纤模块固定，并填充入UV胶；紫外曝光，镜检筛除填充不均匀以及深度不合格工件；
步骤4：尾纤模块的研磨工艺经过粗磨及精磨，期间加入研磨陪块，减小摩擦力以防止端面由于传统工艺压力较大引起碎裂；
步骤5：尾纤模块研磨后清洗并镜检，确保填充深度控制在50～150um之间，研磨角度15±1°；
步骤6：将尾纤模块的输入端接入SLD光源，输出端连接光偏振计，检测尾纤模块偏振串音，测量值选取大于30dB的尾纤模块进入耦合工艺流程；
步骤7：依次按照波导芯片制作工艺、质子交换工艺、铌酸锂退火工艺、芯片通光工艺、光刻与镀膜工艺、划片工艺制作Y波导器件所需的波导芯片；
步骤8：将上述完成的波导芯片与尾纤模块进行尾纤模块与芯片的耦合工艺步骤；选取耦合胶，严格控制耦合胶量以确保胶层厚度满足投射定律；
步骤9：将耦合好的芯片封进管壳。
其中，所述方法中，将折射率引导性光子晶体光纤与玻璃管粘接在一起制作尾纤模块，尾纤模块高温烘烤后，切割光纤并填充低折射率紫外胶，确保110-210um的填充深度，研磨尾纤模块，与垂直方向成45°，与波导芯片耦合成器件并封装进金属管壳。
其中，所述步骤1中，尾纤突出玻璃管端面1cm左右，将两大应力孔中心点连线方向平行于玻璃管的水平方向实现对轴，对轴精度≤1°。
其中，所述步骤2中，尾纤模块经过48小时高温85℃筛选。
其中，所述步骤3中，充胶时间为5min，充胶深度110～210um，紫外曝光2小时。
其中，所述步骤4中，粗磨30min，研磨精度控制在3um以内，精磨2小时，精度控制在0.5um。
其中，所述步骤3中，确保充胶前气孔内洁净度。
其中，所述步骤3中，用低折射率紫外胶对光子晶体光纤进行填充，确保填充深度控制在110-210um，以保证足够低的损耗和尾纤偏振串音。
其中，所述步骤4及步骤5中，尾纤模块研磨工艺加入陪块，延长研磨时间，降低摩擦力，研磨后填充深度控制在50-150um，尾纤偏振串音大于30dB，满足耦合的光学性能需求。
其中，所述步骤8中，所述耦合工艺控制胶量，耦合端面不引入其他杂质。
(三)有益效果
本发明的整体结构如图1所示，1、2、3为光子晶体光纤，4、5、6为玻璃套管，7为铌酸锂芯片，8为金属电极，9为金丝，10为管壳。
本发明的特征之一是：用折射率引导性光子晶体光纤替代传统熊猫保偏纤用于制作Y波导器件。
本发明的特征之二是：通过图3所示充胶工艺设备，通过在光纤空气孔中填充uv胶实现图2所示的尾纤模块的制作，实现满足高精度光纤陀螺的应用要求。
本发明的特征之三是：通过调整研磨方法制作出满足耦合需求的图2所示尾纤模块，并通过耦合封装以及老化试验制作出Y波导器件。
本发明的特征之四是：通过选取耦合胶，控制耦合胶量的工艺方法，制作出满足指标要求的Y波导器件。
与现有技术相比较，本发明提出的充胶方案，既避开了传统光纤与光子晶体光纤的熔接引来的诸多问题，同时解决了直接用光子晶体光纤与波导耦合所带来的损耗大，尾纤偏振串音低等缺点，进一步提高了Y波导的温度稳定性，从而提高了光纤陀螺的环境适应性，为后续光子晶体光纤环直接耦合技术奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明尾纤模块结构示意图。
图3为本发明充胶夹具结构示意图。
图4为本发明Y波导器件制作工艺流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，如4所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1：准备折射率引导型光子晶体光纤及玻璃管，将折射率引导型光子晶体光纤作为尾纤，利用光纤对轴工艺实现尾纤模块的对轴工作；
步骤2：尾纤模块经过筛选后，切割尾纤模块突出部分尾纤，与玻璃管端面高度偏差不大于0.5mm，经镜检剔除偏差较大的模块；
步骤3：采用充胶夹具将尾纤模块固定，并填充入UV胶；紫外曝光，镜检筛除填充不均匀以及深度不合格工件；
步骤4：尾纤模块的研磨工艺经过粗磨及精磨，期间加入研磨陪块，减小摩擦力以防止端面由于传统工艺压力较大引起碎裂；
步骤5：尾纤模块研磨后清洗并镜检，确保填充深度控制在50～150um之间，研磨角度15±1°；
步骤6：将尾纤模块的输入端接入SLD光源，输出端连接光偏振计，检测尾纤模块偏振串音，测量值选取大于30dB的尾纤模块进入耦合工艺流程；
步骤7：依次按照波导芯片制作工艺、质子交换工艺、铌酸锂退火工艺、芯片通光工艺、光刻与镀膜工艺、划片工艺制作Y波导器件所需的波导芯片；
步骤8：将上述完成的波导芯片与尾纤模块进行尾纤模块与芯片的耦合工艺步骤；选取耦合胶，严格控制耦合胶量以确保胶层厚度满足投射定律；
步骤9：将耦合好的芯片封进管壳。
其中，所述方法中，将折射率引导性光子晶体光纤(TIR-PCF)与玻璃管粘接在一起制作尾纤模块，尾纤模块高温烘烤后，切割光纤并填充低折射率紫外胶，确保110-210um的填充深度，研磨尾纤模块，与垂直方向成45°，与波导芯片耦合成器件并封装进金属管壳。
其中，所述步骤1中，尾纤突出玻璃管端面1cm左右，将两大应力孔中心点连线方向平行于玻璃管的水平方向实现对轴，对轴精度≤1°。
其中，所述步骤2中，尾纤模块经过48小时高温85℃筛选。
其中，所述步骤3中，充胶时间为5min，充胶深度110～210um，紫外曝光2小时。
其中，所述步骤4中，粗磨30min，研磨精度控制在3um以内，精磨2小时，精度控制在0.5um。
其中，所述步骤3中，确保充胶前气孔内洁净度。
其中，所述步骤3中，用低折射率紫外胶对光子晶体光纤进行填充，确保填充深度控制在110-210um，以保证足够低的损耗和尾纤偏振串音。
其中，所述步骤4及步骤5中，尾纤模块研磨工艺加入陪块，延长研磨时间，降低摩擦力，研磨后填充深度控制在50-150um，尾纤偏振串音大于30dB，满足耦合的光学性能需求。
其中，所述步骤8中，所述耦合工艺控制胶量，耦合端面不引入其他杂质。
实施例1
本实施例包括如下步骤：
1、按照图4流程进行Y波导器件的制作工艺。利用光纤对轴工艺实现尾纤模块的对轴工作，如图2所示，1为光子晶体光纤，4为玻璃管。此时尾纤突出玻璃管端面1cm左右，将两大应力孔中心点连线方向平行于玻璃管的水平方向实现对轴，对轴精度≤1°。
2、尾纤模块经过48小时高温85℃筛选后，切割尾纤模块突出部分尾纤，与玻璃管端面高度偏差不大于0.5mm，经镜检剔除偏差较大的模块。
3、用充胶夹具(图3所示)将尾纤模块固定，并填充入选定的UV胶，充胶时间为5min，充胶深度110～210um。紫外曝光2小时，镜检筛除填充不均匀以及深度不合格工件。
4、研磨工艺粗磨30min，研磨精度控制在3um以内，精磨2小时，精度控制在0.5um，期间加入研磨陪块，减小摩擦力以防止端面由于传统工艺压力较大引起碎裂。
5、研磨后清洗并镜检，确保填充深度控制在50～150um之间，研磨角度15±1°。
6、将器件输入端接入SLD光源，输出端连接光偏振计，检测尾纤偏振串音，测量值选取大于30dB的尾纤模块进入耦合工艺流程。
7、按照步骤7～步骤12制作Y波导器件所需波导芯片，插入损耗与分光比分别满足表1相关指标。
8、将上述完成的波导芯片与尾纤模块进行S13的耦合工艺步骤。选取特定的耦合胶，严格控制耦合胶量以确保胶层厚度满足投射定律，耦合完成的器件指标满足表1所示。
9、将耦合好的芯片封进管壳如图1所示，按照GJB 4026A-2014《铌酸锂集成光学器件通用规范》中的筛选条件对器件进行温度筛选，筛选试验后进行测试，满足表1指标。
表1 Y波导器件指标要求
| 参数指标 | 数值要求 |
| 常温插入损耗/dB | ≤4.0 |
| 全温插入损耗变化量/dB | ≤0.5 |
| 分光比/％ | ≤3 |
| 常温尾纤偏振串音/dB | ≤-27 |
| 全温尾纤偏振串音/dB | ≤-23 |
综上，本发明属于光子晶体光纤的波导制作技术领域，具体涉及一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其将折射率引导性光子晶体光纤应用在光纤陀螺核心器件Y波导的制作工艺中，替换常规的熊猫性保偏光纤，具有对环境因素不敏感，损耗小，单模传输能力强等优势。本发明的结构由如下要素组成：UV胶、玻璃套管、折射率引导型光子晶体光纤、铌酸锂波导芯片、金属管壳、粘接胶。本发明的特征是：低折射率UV胶填充进TIR-PCF中，研磨后填充深度控制在50～150um，确保足够低的传输损耗以及尾纤偏振串音，制作成尾纤模块后与波导芯片耦合，最终封装。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：准备折射率引导型光子晶体光纤及玻璃管，将折射率引导型光子晶体光纤作为尾纤，利用光纤对轴工艺实现尾纤模块的对轴工作；
步骤2：尾纤模块经过筛选后，切割尾纤模块突出部分尾纤，与玻璃管端面高度偏差不大于0.5mm，经镜检剔除偏差较大的模块；
步骤3：采用充胶夹具将尾纤模块固定，并填充入UV胶；紫外曝光，镜检筛除填充不均匀以及深度不合格工件；
步骤4：尾纤模块的研磨工艺经过粗磨及精磨，期间加入研磨陪块，减小摩擦力以防止端面由于传统工艺压力较大引起碎裂；
步骤5：尾纤模块研磨后清洗并镜检，确保填充深度控制在50～150um之间，研磨角度15±1°；
步骤6：将尾纤模块的输入端接入SLD光源，输出端连接光偏振计，检测尾纤模块偏振串音，测量值选取大于30dB的尾纤模块进入耦合工艺流程；
步骤7：依次按照波导芯片制作工艺、质子交换工艺、铌酸锂退火工艺、芯片通光工艺、光刻与镀膜工艺、划片工艺制作Y波导器件所需的波导芯片；
步骤8：将上述完成的波导芯片与尾纤模块进行尾纤模块与芯片的耦合工艺步骤；选取耦合胶，严格控制耦合胶量以确保胶层厚度满足投射定律；
步骤9：将耦合好的芯片封进管壳。
2.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述方法中，将折射率引导性光子晶体光纤与玻璃管粘接在一起制作尾纤模块，尾纤模块高温烘烤后，切割光纤并填充低折射率紫外胶，确保110-210um的填充深度，研磨尾纤模块，与垂直方向成45°，与波导芯片耦合成器件并封装进金属管壳。
3.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤1中，尾纤突出玻璃管端面1cm左右，将两大应力孔中心点连线方向平行于玻璃管的水平方向实现对轴，对轴精度≤1°。
4.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤2中，尾纤模块经过48小时高温85℃筛选。
5.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤3中，充胶时间为5min，充胶深度110～210um，紫外曝光2小时。
6.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤4中，粗磨30min，研磨精度控制在3um以内，精磨2小时，精度控制在0.5um。
7.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤3中，确保充胶前气孔内洁净度。
8.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤3中，用低折射率紫外胶对光子晶体光纤进行填充，确保填充深度控制在110-210um，以保证足够低的损耗和尾纤偏振串音。
9.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤4及步骤5中，尾纤模块研磨工艺加入陪块，延长研磨时间，降低摩擦力，研磨后填充深度控制在50-150um，尾纤偏振串音大于30dB，满足耦合的光学性能需求。
10.如权利要求1所述的基于折射率引导型光子晶体光纤的Y波导制造方法，其特征在于，所述步骤8中，所述耦合工艺控制胶量，耦合端面不引入其他杂质。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |