CN112987168A - 一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列及其制备方法，包括至少一根保偏光纤，至少一段高数值孔径光纤以及光纤阵列组件：所述的保偏光纤与所述的高数值孔径光纤相连接；将与所述的保偏光纤相连接的所述的高数值孔径光纤放置于所述的光纤阵列组件中，并旋转所述的保偏光纤，使其快/慢轴朝向达到所需角度；对所述的光纤阵列组件进行封装并做必要的研磨抛光。本发明所述的保偏光纤阵列通过与高数值孔径光纤相连接，在不破坏保偏光纤保偏特性同时，实现保偏光纤中的模斑到高数值孔径光纤中更小模斑的低损耗转换，利于实现保偏光纤与高折射率差集成光学芯片的高效耦合。

Description

一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于光通信中相关光接收、以相干检测为基础的光纤传感以及光纤陀螺等领域，涉及一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列及其制备方法。
背景技术
光在普通单模光纤中传输时，理想情况下，纤芯具有良好的对称性，其所传输的基模是相互正交的二重简并态，即两个偏振模式的传播传输相同，其合成光场为线偏振光，偏振态不随光的传输而发生变化。在实际制备过程中，光纤中不可避免存在一些缺陷如折射率分布不均匀、纤芯不是理想的圆、纤芯的粗细变化等，且在使用过程中，光纤受到外界环境的变化如温度变化、弯曲等造成光纤受到应力的，使得实际在普通单模光纤中，
Figure BDA0002317452120000011
和
Figure BDA0002317452120000012
模式是非简并的，且两模式的传播常数差别不大，即存在双折射现象。光在传输过程中会发现两个模式间的耦合，使得输出光的偏振态是随机的。保偏光纤通过在光纤中人为地引入很强的双折射如在纤芯两侧引入应力棒等，造成两个偏振模式的传播常数相差很大，当入射光的偏振方向与保偏光纤中的一个轴平行时，光纤中诸如弯曲等普通的扰动不能使两个偏振模式发生有效地耦合，从而使得光的偏振态在保偏光纤中传输时不会发生变化，可有效提高相干信噪比，使其在相干检测、光纤陀螺等领域有广泛地应用。
随着集成光学技术的发展，传统的分离光学系统朝着集成度更高、稳定性更高、成本更低的集成光学发展，特别是基于硅材料的硅基集成平台，凭借着与业已成熟的CMOS工艺相兼容的优势成为集成光学的主要平台之一。硅基集成光学平台的另一主要特点是波导的折射率差大，波导截面尺寸小。通常在C波段满足单模条件下波导的尺寸在450nm×220nm，而单模光纤模场包括保偏光纤的尺寸在10.4μm，两者相差巨大，难以实现低损耗的直接耦合。为提高硅波导和单模光纤高效率的耦合，一种方案是在硅基芯片的输入/输出端设计制作模斑转换器，这会额外增加工艺难度，另一种方案是采用高数值孔径光纤作为中间媒介，连接硅基芯片和单模光纤，实现光纤与硅基芯片的输入/输出，该方案可以避免在硅基芯片上制备复杂的模斑转换器。在C波段，高数值孔径光纤的模斑尺寸可以从3.2μm到4.8μm供选择。
本发明就是在此基础上，提出一种通过在保偏光纤上熔接一段高数值孔径光纤来实现具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，即满足了应用中光纤所需的偏振态保持不变的特点，又可以实现光纤与硅基芯片的低损耗耦合。
发明内容
1、本发明的目的
本发明针对硅基等高折射率差的集成光学芯片波导尺寸与保偏光纤尺寸相差大，难以实现高效率的直接耦合的问题，提出一种通过在保偏光纤上熔接一段高数值孔径的光纤作为中间媒介实现保偏光纤与芯片之间的直接耦合，并将其阵列化，实现光学集成芯片与保偏光纤之间阵列化的低损耗耦合。
2、本发明所采用的技术方案
本发明提出了一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，包括至少一根保偏光纤，至少一段高数值孔径的光纤，一个光纤阵列组件：所述的保偏光纤与所述的高数值孔径光纤相连接；将连接后的保偏光纤置于旋转夹具中，之后放入所述的阵列组件中，利用偏振分析设备实时监控光纤快/慢轴的方向，并旋转光纤调整快/慢轴方向至所需的角度；通过点胶曝光工艺对光纤阵列组件进行封装并进行研磨抛光处理。
优选的，高数值孔径光纤是指数值孔径大于0.2的光纤。
优选地，高数值孔径光纤的数值孔径为0.41；
优选地，保偏光纤和高数值孔径光纤通过熔接机进行熔接；
优选地，高数值孔径光纤的长度应确保是放置光纤阵列组件后其与保偏光纤熔接点位于光纤阵列组件的点胶区；
优选地，所述的光纤阵列组件为V槽型光纤阵列组件。
本发明还提出了一种保偏光纤阵列的制备方法：
S1.用剥离钳分别在保偏光纤和高数值孔径光纤剥离出一段裸纤，并用光纤切割刀切割光纤；
S2.利用熔接机熔接保偏光纤和高数值孔径光纤；
S3.测量因熔接造成的损耗；
S4.将熔接后的高数值孔径光纤用切割刀再次切割，保留的长度根据光纤阵列组件尺寸做适当调整，确保熔接点在光纤阵列组件点胶区；
S5.将熔接的保偏光纤用光纤旋转夹具固定，输出端连接偏振分析设备；
S6.旋转光纤旋转夹具，并实时监控保偏光纤输出端偏振角度，当达到所需角度时停止旋转，并固定好光纤；
S7.将固定好角度的保偏光纤放置于光纤阵列组件中，固定保偏光纤于光纤阵列组件中，移除旋转夹具；
S8.重复S1-S7步，直至所有通道完成；
S9.点胶固化，完成保偏光纤阵列封装；
S10.根据实际需求对保偏光纤阵列进行研磨抛光；
S11.对保偏光纤阵列光学性能及外观进行检测。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明有效地解决了保偏光纤与高折射率差集成光学芯片之间低损耗耦合的问题，使得广泛应用于光陀螺、相干检测等利用的光学芯片在不影响其对输入光偏振态严格要求的同时，实现了两者之间的低成本、低损耗的有效耦合。
(2)本发明利于对于波导尺寸为180nm×220nm的硅波导，直接与单模光纤(MFD为10.4μm)耦合，其耦合效率为45％，而通过与数值孔径为0.41的高数值孔径光纤(MFD为3.2μm)耦合，其耦合效率可以提高至90％。
附图说明
图1本发明所述的保偏光纤阵列结构示意图；
图2本发明所述保偏光纤阵列V槽处示意图；
图3本发明所述保偏光纤阵列高数值孔径光纤与保偏光纤熔接点处截面示意图；
图4本发明所述保偏光纤阵列制备流程示意图。
附图标记说明
保偏光纤1、固化胶2、V槽型光纤阵列组件--盖板3、高数值孔径光纤4、保偏光纤与高数值孔径光纤熔接点5、V槽型光纤阵列组件--基板6
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
图1显示的是本发明所述的保偏光纤阵列采用V槽型光纤阵列组件时的结构示意图，其中1是保偏光纤，2是胶水，3是盖板，4是高数值孔径光纤，5是保偏光纤与高数值孔径光纤熔接点，6是基板，7是V型槽。基板6上有V型槽7，保偏光纤1的裸纤与高数值孔径光纤4通过熔接机熔接后放置于V型槽7中，其熔接点5在基板6的尾部处。保偏光纤1、高数值孔径光纤4通过胶水2与基板6固定粘接。盖板3通过胶水2与基板6固定粘接。基板6和盖板3可采用石英玻璃、硼硅玻璃、单晶硅材料等任意一种制成，本实施例采用硼硅玻璃制成。胶水2可采用热固化胶、紫外固化胶或双固化胶中的任一种，本实施例选用紫外固化胶。保偏光纤可采用熊猫眼型保偏光纤、领结型保偏光纤，本实施例中选用熊猫眼型保偏光纤，图3显示的是熔接点5处不同通道保偏光纤熊猫眼方向，其朝向可根据实际需求通过偏振分析设备及旋转光纤夹具来设置。
实施例2
图4是本发明所述的保偏光纤阵列制作的流程图。
S1.用剥离钳分别在保偏光纤和高数值孔径光纤剥离出一段裸纤，并用光纤切割刀切割光纤，测量保偏光纤输出光功率；
S2.利用熔接机熔接保偏光纤和高数值孔径光纤；
S3.测量因熔接造成的损耗；
S4.将熔接后的高数值孔径光纤用切割刀再次切割，保留的长度根据光纤阵列组件尺寸调整，确保熔接点在光纤阵列组件点胶区，测量熔接高数值孔径光纤输出的光功率计算溶接损耗，当损耗满足要求后进行S5；
S5.将熔接的保偏光纤用光纤旋转夹具固定，输出端连接偏振分析设备；
S6.旋转光纤旋转夹具，并实时监控保偏光纤输出端偏振角度，当达到所需角度时停止旋转，并固定好光纤；
S7.将固定好角度的保偏光纤放置于光纤阵列组件中，固定保偏光纤于光纤阵列组件中，移除旋转夹具；
S8.重复S1-S7步，直至所有通道完成；
S9.点胶固化，完成保偏光纤阵列封装；
S10.根据实际需求对保偏光纤阵列进行研磨抛光；
S11.对保偏光纤阵列光学性能及外观进行检测。

Claims (8)

1.一种具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，包括至少一根保偏光纤，至少一段高数值孔径的光纤，一个光纤阵列组件，其特征在于，所述的保偏光纤与所述的高数值孔径光纤相连接；将连接后的保偏光纤放置于所述的光纤阵列组件中；旋转保偏光纤使其快/慢轴满足需求；对放置保偏光纤的所述的光纤阵列组件进行封装及研磨抛光处理。
2.根据权利要求1所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：所述的高数值孔径光纤是指数值孔径大于0.2的光纤。
3.根据权利要求2所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：高数值孔径光纤的数值孔径为0.41。
4.根据权利要求1所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：对所述的放置保偏光纤后的光纤阵列组件经过封装及研磨抛光处理。
5.根据权利要求1所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：所述的连接方式可以通过熔接机直接熔接、也可以通过加热熔融来实现连接。
6.根据权利要求1所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：所述的光纤阵列组件可以是V槽型光纤阵列、平板型光纤阵列、毛细管型光纤阵列中任一种。
7.根据权利要求1所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：将所述的与高数值孔径光纤连接后的保偏光纤放置于光纤阵列组件时，通过旋转光纤使输出光的快/慢轴达到设定的角度。
8.一种制备如权利要求2-7任一所述的具有模斑转换功能的保偏光纤阵列，其特征在于：
S1.剥离保偏光纤和高数值孔径光纤的包层，通过光纤熔接技术将保偏光纤与高数值孔径光纤相连接，并测试熔接造成的损耗；
S2.将连接好的保偏光纤放置于可旋转的光纤夹具中；
S3.通过偏振分析仪监控保偏光纤输出光的快/慢轴角度，旋转保偏光纤至所需的角度；
S4.将保偏光纤放置光纤阵列组件中，固定保偏光纤，然后移除旋转夹具；
S5.重复S1-S4直至所有通道均完成；
S5.通过常规光纤阵列制备工序制备光纤阵列；
S5.将装配好的保偏光纤阵列进行研磨抛光；
S6.对保偏光纤阵列进行光学性能测试及外观检验。
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