CN113189703A - 一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法 - Google Patents

一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法，该起偏分束器包括：波导芯片，波导芯片内集成有至少两层波导结构；以及光纤，包括分别设置于波导芯片两端的多芯光纤和单芯光纤；多芯光纤的纤芯分别与波导芯片输入端的波导结构耦合，单芯光纤分别与波导芯片输出端的波导结构耦合。本发明通过在波导芯片内集成至少两层波导结构，解决了多芯光纤的分束限制，实现了三芯以上的起偏分束功能。

Description

一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法。
背景技术
多芯光纤(MCF)是一种在共同的包层区中存在多个独立纤芯的新型光纤。是由多根纤芯以及围绕着纤芯的包层组成，即在光纤包层内通过控制纤芯间距合理排布多个纤芯，增加包层的纤芯数目增加空间信道数。能够实现长距离低串扰的空分复用光信号传输。目前，国内已有多家公司可以批量生产2-14芯的高质量多芯光纤，但多芯光纤依然没有大规模出现在实际的通信链路中。这是因为目前在应用端还没有一种成熟的技术解决多芯光纤通道分束问题--即如何实现多芯光纤与标准的单芯光纤连接的问题。
专利CN105589223(一种具有相位调制功能的多芯光纤分束器)提出了一种具有相位调制功能的多芯光纤分束器，该方案是以单层铌酸锂为衬底实现了三芯光纤的分束，但由于包层尺寸的限制，三芯以上的多芯光纤很难排布在一个水平面上，因此该专利的中方案不适合于实现三芯以上的起偏分束功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器及其制备方法，以解决现有技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器，该起偏分束器包括：
波导芯片，波导芯片内集成有至少两层波导结构；以及
光纤，包括分别设置于波导芯片两端的多芯光纤和单芯光纤；
多芯光纤的纤芯分别与波导芯片输入端的波导结构耦合，单芯光纤分别与波导芯片输出端的波导结构耦合。
优选地，波导芯片输入端的波导结构的排列与多芯光纤的纤芯的排列相同，且波导的中心间距与多芯光纤的纤芯的中心间距一致；波导为曲线，经过一段距离的扩展，在输出端波导中心间距大于单芯光纤的包层直径。
优选地，波导芯片包括上层波导芯片以及下层波导芯片，上层波导芯片以及下层波导芯片上均集成有光波导，且波导面相对设置，上层波导芯片以及下层波导芯片之间通过隔离层聚合。
优选地，波导芯片为铌酸锂波导芯片，铌酸锂波导芯片经过质子交换处理。
优选地，隔离层厚度与多芯光纤各层纤芯之间的中心间距一致。
优选地，波导芯片的两端分别设置有输入端V型槽和输出端V型槽。
一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，该制备方法包括：
S1：制备双层波导芯片；
S2：将输入端多芯光纤与输出端的单芯光纤分别与双层波导芯片输入端以及输出端耦合。
优选地，制备双层波导芯片过程包括：
S11：制备单层的上层波导芯片以及下层波导芯片；
S12：聚合上层波导芯片以及下层波导芯片。
优选地，聚合上层波导芯片以及下层波导芯片的过程包括：
S121：将一层波导芯片的波导面表面涂覆一层隔离层，并进行固化；
S122：将隔离层刻蚀至目标厚度；
S123：将另一层波导芯片与第一层波导芯片对准并在真空下进行压合。
优选地，步骤S2包括：
S21：制备V型槽；
S22：将光纤固定于V型槽上，并将V型槽与波导芯片对接。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过在波导芯片内集成至少两层波导结构，解决了多芯光纤的分束限制，实现了三芯以上的起偏分束功能。
附图说明
图1是本发明的双层光波导的多芯光纤起偏分束器的结构示意图；
图2是本发明的六芯光纤V型槽示意图；
图3是本发明的波导芯片的输入端端面图；
图4是本发明的单芯光纤V型槽示意图；
图5是本发明的波导芯片的输出端端面图；
图中：1、多芯光纤 2、输入端V型槽 3、上层波导芯片 4、隔离层 5、下层波导芯片6、输出端V型槽 7、单芯光纤 8、波导结构。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
本发明提供一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器，包括：
波导芯片，波导芯片内集成有至少两层波导结构；以及
光纤，包括分别设置于波导芯片两端的多芯光纤和单芯光纤；
多芯光纤的纤芯分别与波导芯片输入端的波导结构耦合，单芯光纤分别与波导芯片输出端的波导结构耦合。
本发明通过在波导芯片内集成至少两层波导结构，解决了多芯光纤的分束限制，实现了三芯以上的起偏分束功能。
进一步地，波导芯片输入端的波导结构的排列与多芯光纤的纤芯的排列相同，且波导的中心间距与多芯光纤的纤芯的中心间距一致；波导为曲线，经过一段距离的扩展，在输出端波导中心间距大于单芯光纤的包层直径；多芯光纤可以实现双层或者多层的排列，突破了多芯光纤的包层的限制。
进一步地，如图1所示，在本发明的一个具体的实施例中，波导芯片内集成有波导结构8，波导芯片的输入端耦合有多芯光纤1、输出端耦合有若干单芯光纤7；在该实施例中，多芯光纤1为六芯光纤，纤芯为双排排列，具体如图2所示，要实现多芯光纤1的纤芯与波导芯片的输入端的波导结构 8的一一耦合，波导芯片的输入端的波导结构8的排列方式需要和多芯光纤 1的排列保持相同，且波导的中心间距与多芯光纤1的纤芯的中心间距保持一致，对应的波导芯片的输入端的波导结构8的排列如图3所示。
波导芯片内的波导结构8为曲线，具体如图1所示，从波导芯片的输入端延伸至输出端，在输出端与平铺或者其他形式排列的单芯光纤7耦合，输出端的波导结构8之间的中心间距需要大于单芯光纤的包层，以满足若干单芯光纤7平铺或者其他形式的排列；在该实施例中，单芯光纤7交错分布，具体如图4所示，对应的波导芯片的输出端的波导结构8的排列如图5所示。
进一步地，如图1至5所示，在本发明的一个具体的实施例中，波导芯片包括上层波导芯片3以及下层波导芯片5，上层波导芯片3以及下层波导芯片5上均集成有光波导，且波导面相对设置，上层波导芯片3以及下层波导芯片5之间通过隔离层4聚合；本发明采用现有的波导制备工艺即可实现对单层波导芯片的制备，然后将两单层波导芯片进行聚合，在工艺上简单易实现。
上层波导芯片3以及下层波导芯片5的基底材料可为但不限于商用铌酸锂晶片，在一个具体的实施例中，铌酸锂波导芯片经过质子交换处理，由于退火质子交换工艺制作的铌酸锂光波导只支持TE模式的传输，从而实现了起偏功能。
隔离层4一方面实现对上波导芯片3以及下层波导芯片5的聚合，另一方面，其厚度与多芯光纤1各层纤芯之间的中心间距一致，以保证多芯光纤 1与波导芯片输入端的波导结构的耦合；在一个具体的实施例中，如图2所示，多芯光纤1上下两层的纤芯的中心间距为40μm，输出端单芯光纤7交错平铺分布，上层纤芯与下层纤芯的中心间距也为40μm，如图4所示，对应的隔离层的厚度为40μm，以保证波导芯片两端的波导结构分别与多芯光纤1和单芯光纤7的纤芯精确地耦合。
隔离层可以采用高分子聚合物，例如光刻胶SU8。
进一步地，如图1、图2和图4所示，波导芯片的两端分别设置有输入端V型槽2和输出端V型槽6，以实现对多芯光纤1以及单芯光纤7的固定。
本发明的第二方面提供一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，该制备方法包括：
S1：制备双层波导芯片；
S2：将输入端多线光纤与输出端的单芯光纤分别与双层波导芯片输入端以及输出端耦合。
制备双层波导芯片过程包括：
S11：制备单层的上层波导芯片以及下层波导芯片；
S12：聚合上层波导芯片以及下层波导芯片。
以下，波导芯片为铌酸锂波导芯片，隔离层4为光刻胶SU8为例来说明双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法。
具体地，S11：制备单层的上层波导芯片以及下层波导芯片包括：
S111：在铌酸锂表面形成二氧化硅薄膜并在二氧化硅薄膜表面形成波导图形，以形成单层的波导芯片；
S112：将带有波导图形的铌酸锂晶片放置在缓冲质子源溶液中进行质子交换。
在一个具体的实施例中，选用直径3英寸、厚度为1mm的同成份X切铌酸锂圆晶作为初始材料；制作波导的具体过程主要有晶片的清洗、溅射二氧化硅薄膜、光刻、切割、质子交换、退火和端面抛光等几个步骤；为了减小交换过程对晶体的损伤，可采用缓冲的交换液，即在苯甲酸中加入一定量的苯甲酸锂，降低质子源的酸度。
具体包括：清洗铌酸锂基片；采用磁控溅射镀膜设备，在铌酸锂晶体表面射频溅射沉积二氧化硅薄膜，厚度约为100nm；利用光刻技术，把掩膜版上的波导图形转移到铌酸锂表面二氧化硅层上；将清洗并烘干后的铌酸锂晶片放置在缓冲质子源溶液(苯甲酸和苯甲酸锂混合粉末)中进行质子交换，待到达交换时间后，冷却至室温取出晶片进行清洗；开启退火炉并预热至退火温度后，将放有晶片的石英板推入炉内管中退火，时间到后取出石英板，冷却至室温；晶片分切成目标大小，并进行端面抛光。
进一步地，聚合上层波导芯片以及下层波导芯片的过程包括：
S121：将一层波导芯片的波导面表面涂覆一层隔离层，并进行固化；
S122：将隔离层刻蚀至目标厚度；
S123：将另一层波导芯片与第一层波导芯片对准并在真空下进行压合。
具体地，将上层波导芯片3的波导面朝上放置在精密平台上，在波导表面涂覆>40μm厚的高分子聚合物SU8，固化后作为隔离层，使用离子刻蚀机把隔离层精确减薄至与多芯光纤芯间距一致(例如为40μm)其上放置一片上层波导芯片5，通过电子显微镜精密对准使上下层波导芯片的波导对齐到指定位置，在真空下，一定温度和压力作用下实现上下层波导芯片的聚合。
进一步地，步骤S2包括：
S21：制备V型槽；
S22：将光纤固定于V型槽上，并将V型槽与波导芯片对接。
具体地，制备V型槽。根据多芯光纤的半径大小，通过数控机床编程控制系统计算出V形槽的各个顶点高度。使用精密划槽机自动切削出V槽形状，制作输入端V槽。使用同样的方法制作输出端V槽，根据上下纤芯之间的距离编程计算各个V槽顶点的距离，从而形成六个错落有致分布的输出端V型槽。
然后进行耦合封装，首先将多芯光纤固定在输入端V形槽上，将其侧向与波导芯片对接，不断调整多芯光纤位置，使消光比和插入损耗尽可能小，当损耗和消光比值均达到最好值时，要对波导芯片和光纤进行点胶固化，实现波导阵列芯片与多芯光纤和单芯光纤阵列对准耦合，最后封装于套管中。
通过上述流程可完成本发明所述的多芯光纤偏振分束器，其主要性能指标为插入损耗<1dB，偏振消光比>30dB，满足通信领域的应用要求。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：该起偏分束器包括：
波导芯片，波导芯片内集成有至少两层波导结构；以及
光纤，包括分别设置于波导芯片两端的多芯光纤和单芯光纤；
多芯光纤的纤芯分别与波导芯片输入端的波导结构耦合，单芯光纤分别与波导芯片输出端的波导结构耦合。
2.根据权利要求1所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：波导芯片输入端的波导结构的排列与多芯光纤的纤芯的排列相同，且波导的中心间距与多芯光纤的纤芯的中心间距一致；波导为曲线，经过一段距离的扩展，在输出端波导中心间距大于单芯光纤的包层直径。
3.根据权利要求1所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：波导芯片包括上层波导芯片以及下层波导芯片，上层波导芯片以及下层波导芯片上均集成有光波导，且波导面相对设置，上层波导芯片以及下层波导芯片之间通过隔离层聚合。
4.根据权利要求1所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：波导芯片为铌酸锂波导芯片，铌酸锂波导芯片经过质子交换处理。
5.根据权利要求1所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：隔离层厚度与多芯光纤各层纤芯之间的中心间距一致。
6.根据权利要求1所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器，其特征在于：波导芯片的两端分别设置有输入端V型槽和输出端V型槽。
7.一种双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，其特征在于：该制备方法包括：
S1：制备双层波导芯片；
S2：将输入端多芯光纤与输出端的单芯光纤分别与双层波导芯片输入端以及输出端耦合。
8.根据权利要求7所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，其特征在于：制备双层波导芯片过程包括：
S11：制备单层的上层波导芯片以及下层波导芯片；
S12：聚合上层波导芯片以及下层波导芯片。
9.根据权利要求8所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，其特征在于：聚合上层波导芯片以及下层波导芯片的过程包括：
S121：将一层波导芯片的波导面表面涂覆一层隔离层，并进行固化；
S122：将隔离层刻蚀至目标厚度；
S123：将另一层波导芯片与第一层波导芯片对准并在真空下进行压合。
10.根据权利要求6所述的双层光波导的多芯光纤起偏分束器的制备方法，其特征在于：步骤S2包括：
S21：制备V型槽；
S22：将光纤固定于V型槽上，并将V型槽与波导芯片对接。
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