CN1991426A - 单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置及方法。该装置包括：激光器，单模透镜输入光纤，光纤输运器，光纤固定器，调节架，光纤调节槽，玻璃基底，波导样品，单模透镜输出光纤，光功率计等。该方法包括如下步骤：1)单模透镜输入光纤固定到光纤输运器；2)光纤输运器固定到第一调节架；3)将玻璃基底与光纤调节槽固定；4)平板脊形波导样品固定在基底上面；5)单模透镜输出光纤固定到第二调节架上，与平板脊形波导样品对准；6)粗对准固定过程；7)细对准固定过程：8)对准固定完成。本发明的对准固定具有较高的耦合效率和稳定性，降低了操作难度和技术成本，达到无损坏性拆卸和重复利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种单模光纤与平板波导的对准固定装置及方法，特别涉及一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置及方法。
背景技术
单模光纤与平板脊形波导的对准和固定在光纤通信领域具有重要的地位，从二十世纪七十年代开始，人们就开始了这项工作的研究。Ramer在J.Opt.Comm.2.122(1981)发表的文献“Single Mode Fiber-To-Channel Waveguide Coupling”中探讨了单模光纤与平板脊形波导的耦合问题。为了提高单模光纤与波导的耦合效率，通常采用以下三种方式：①单模光纤与波导之间加入微透镜；②波导设计为渐变式波导；③输入光纤采用单模透镜光纤。这三种方式中，采用第一种方式即加入微透镜增大了固定封装后的体积，给应用带来不便；而第二种方式即将波导设计为渐变式却增大了集成光路加工的困难；第三种方式即采用透镜光纤提高耦合效率具有高效方便的优点，广泛为人们使用。特别是近几年在近红外光通讯领域具有重要应用的平板光子晶体成为研究的热点以来，单模透镜光纤与光子晶体输入输出波导的对准和固定是研究中的重要环节。而且由于平板光子晶体中光耦合层的厚度一般小于300nm(如SOI空气孔式光子晶体)，因而它在对准固定的精度和稳定性方面提出了更高的要求。
目前光纤通信领域关于单模透镜光纤与波导或光源的对准方法可以分为两大类：无源对准和有源对准。无源对准虽然插入损耗较大，对加工精度要求较高，但由于其造价低而广泛应用于光纤通讯领域。对于有源对准，它虽然对于对准设备要求较高，但对于加工精度的要求相对降低，并且具有较高的耦合效率，因而在对准要求严格的单模透镜光纤与光子晶体平板波导对准固定方面具有重要的作用。正如集成光路中光纤与平板波导或有源器件的固定一样，透镜光纤与平板波导的永久固定是光子晶体目前研究和在未来集成光路实用化过程中终究要解决的问题。例如，由于近场光学显微镜结构的限制，光子晶体波导和微腔的场分布研究就涉及到透镜光纤与平板脊形波导的对准及永久固定问题。
无论是无源对准还是有源对准，目前关于单模透镜光纤与平板脊形波导或光源的固定方面多采用紫外曝光装置或金属熔融焊接装置将单模透镜光纤固定，其间还需用到其它复杂的装置。如目前已经公开的Donald J.Albares等人在1990年发明的关于光学光纤-波导管耦合器专利中需要用到紫外曝光装置以及真空夹持器等复杂装置。2004年Madhumita Datta等人在IEEE Transactions on Components andPackaging Technologies第27卷第2期上发表的关于单模激光器和光纤的焊接集成上需用到复杂的上下表面焊接技术。目前现有固定技术中，装置复杂、昂贵等因素给生产和通常的科学研究带来了不便，为了降低技术成本，因此就需要一种新型的单模透镜光纤与平板脊形波导有源对准固定装置和方法。
发明内容
本发明的目的是克服已有的集成光路领域光纤与平板波导对准固定技术中存在的设备复杂、费用高昂的问题，提供一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置，如图1所示，包括：
激光器1，发出的激光耦合进入单模透镜输入光纤2的平面端；
光纤输运器6，用于固定所述光纤2的透镜端；所述光纤输运器6通过第一光纤固定器5固定在第一调节架4上；
光纤调节槽7固定在一个玻璃基底9的侧面；平板脊形波导样品11固定在所述玻璃基底9的上面；所述玻璃基底9可拆卸性地安置在托架12上；
单模透镜输出光纤14的透镜端通过第二光纤固定器16固定在第二调节架13上；平面端耦合到光功率计15。
进一步地，在上述技术方案中，所述样品11是通过两个垫片10固定在所述玻璃基底9上。
在上述技术方案中，所述单模透镜输入光纤2通过环氧树脂固定在光纤输运器6的输运槽中。
在上述技术方案中，所述光纤调节槽7的中心槽厚度与所述玻璃基底9相同。
结合上述装置，一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，包括如下步骤：
1)将单模透镜输入光纤2的透镜端固定到光纤输运器6中，平面端与激光器1的输出光耦合；
2)用第一光纤固定器5把光纤输运器6固定到第一调节架4上；
3)将玻璃基底9与光纤调节槽7的侧面进行固定；
4)将平板脊形波导样品11固定在基底9的上面；
5)将单模透镜输出光纤14的透镜端通过第二光纤固定器16固定到第二调节架13上，平面端与光功率计15连接；并调节第二调节架13使得单模透镜输出光纤14与平板脊形波导样品11对准；
6)单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11的粗对准固定过程：(a)调节第一调节架4使得单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11对准；(b)通过调节第一调节架4，使单模透镜输入光纤2中心轴位于波导样品11的上方，且使单模透镜输入光纤2沿纵向伸入平板脊形波导样品11上方；(c)用环氧树脂3将光纤输运器6和光纤调节槽7粘接到一起；
7)单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11的细对准固定过程：①将玻璃基底9与光纤调节槽7分离；②重复步骤6)中的子步骤(a)再次使得单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11对准；③再次将光纤调节槽7与玻璃基底9相对的侧面粘接在一起；
8)打开第一光纤固定器5，并移开第一调节架4，此时单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11实现对准并和光纤输运器6、光纤调节槽7以及玻璃基底9固定成为一体。
在上述技术方案中，所述步骤1)中是采用环氧树脂将单模透镜输入光纤2的透镜端固定到光纤输运器6中。
在上述技术方案中，所述步骤3)中是采用强力胶将玻璃基底9与光纤调节槽7的侧面进行固定。
在上述技术方案中，所述步骤4)中是通过两个垫片10将平板脊形波导样品11固定在基底9的上面；两垫片10通过强力胶固定在基底9上，波导样品11通过熔融石蜡固定在两垫片10上；相应地，在上述步骤4)和步骤5)之间，最好还包括步骤4’)对玻璃基底9和光纤调节槽7之间的粘结处以及双垫片10与玻璃基底9的粘结处用强力胶再次加固。
在上述技术方案中，所述步骤7)中子步骤①将玻璃基底9沿向下的方向与光纤调节槽7分离。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)能够顺利完成单根单模透镜光纤和平板脊形波导的对准固定，具有较高的耦合效率和稳定性。
2)本发明中单模透镜光纤与波导的对准固定利用粗对准和细对准两个环节，采用上、下面和侧面两种固定技术，降低了操作难度和技术成本，提高了光纤与波导对准固定的可行性。
3)本发明中使用的单模透镜光纤可以达到无损坏性拆卸和重复利用，降低了科研和生产成本。
4)本发明中样品的固定方法可以满足样品无破坏性拆卸的需要。
附图说明
图1表示本发明的单模透镜输入光纤与平板脊形波导对准固定装置示意图；
图2a表示本发明实施例的光纤输运器示意图；
图2b表示本发明实施例的光纤调节槽示意图；
图2c表示本发明实施例的光纤固定器示意图；
图3表示本发明单模透镜光纤与平板脊形波导对准固定后的一体化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参照附图1、2和3，制作本发明的单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置。首先参照图1，激光器1采用近红外连续可调激光器，连续输出波长为1500nm～1640nm，最大输出功率为10mW，比如日本GN Nettest公司的产品。单模透镜输入、输出光纤2和14采用近红外单模透镜光纤，磨锥形，曲率半径8～9μm，锥角55～56度，工作距离为4～5μm，可购买市场所售产品，如武汉楚星光纤应用技术有限公司生产的产品。第一调节架4采用市场所售产品，比如日本骏河公司生产的电动六维精密调节架。第二调节架13采用市场所售的手动六维精密调节架。光功率计15采用市场所售产品，如上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的JW3201型单通道台式功率计。
如图2a所示，光纤输运器6采用不锈钢材料制成，长度为13mm，宽度为5mm，高度为1mm，它具有一个V型槽61，该槽61顶角为90度，深度0.5mm。
如图2b所示，光纤调节器7采用不锈钢材料制成，长度为7mm，宽度为15mm，高度为1.5mm。它具有一个槽71，该槽71深度为0.5mm，宽度大于光纤输运器6的底面宽度约6mm，从而在光纤输运器6放入光纤调节器7后，光纤输运器6的位置可以在一定范围内调节。并且光纤调节器7的两侧各包括至少一个，最好是两个，或者更多个V型槽72，该V型槽72顶角为90度，深度为0.5mm，便于环氧树脂胶将光纤输运器6很好地固定在光纤调节器7中。
如图2c所示，第一光纤固定器5采用不锈钢材料制成，包括一个不动片和一个活动片，两者通过紧固件固定在一起；所述不动片的长度为50mm，宽度为40mm，高度为6mm；所述活动片的长度为30mm，宽度为40mm，高度为2mm。其中，所述不动片具有可放入光纤输运器6的第一方槽结构51，其宽度略大于光纤输运器6的宽度约0.2mm，高度小于光纤输运器6的高度约1mm，保证可以牢固固定光纤输运器6；所述不动片还具有与第一调节架4相配合的第二方槽结构54，可以牢固固定在第一调节架4上；还具有用来固定所述活动片的结构52，图中所示结构52是指孔和槽结构，孔结构用于固定所述活动片的一端，槽结构用于适应性地固定不同长度的活动片；如图2c所示，活动片具有多个用于紧固件，比如螺钉，进入的孔53。
玻璃基底9采用直角六面体形状的玻璃材料，长度约为光纤调节槽整体宽度的1.2倍，宽度为10mm，厚度为1mm。本领域技术人员清楚，这些参数可以根据具体需要来确定。
两个垫片10采用石英材料制成，为方形结构，边长为3mm，高度为0.8mm。
波导样品11采用SOI(silicon on insulator)材料，长度为10mm，宽度为0.3mm，高度为0.5mm。该SOI材料最上层刻蚀有220nm厚度的Si脊形波导。
第二光纤固定器16采用具有至少一个V形槽的市场所售光纤固定器，用于固定单模透镜输出光纤14。第二光纤固定器16固定在第二调节架13上，用于调节单模透镜输出光纤14的位置。
结合实施例提供的上述对准固定装置，一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，包括如下步骤：
1)将单模透镜输入光纤2的透镜端固定到光纤输运器6中，平面端与激光器1的输出光耦合；将单模透镜光纤2放入光纤输运器6的V型槽，光纤磨锥透镜端距离光纤输运器6的出射端约为4mm，再将环氧树脂胶微热后由直径约0.1mm的针尖引入V型槽，保证光纤不动，几十分钟后环氧树脂胶基本固化，10～12小时环氧树脂胶完全固化。
2)用第一光纤固定器5把光纤输运器6固定到第一调节架4上；
3)将玻璃基底9与光纤调节槽7的侧面进行固定；将侧壁磨平的玻璃基底9的一侧平面和光纤调节槽7一侧面拭净，用安特固强力胶将两侧壁粘接，此时要保障脊形波导和光纤调节槽的中心线基本一致以及槽内平面与玻璃基底上端面水平，保证光纤输运器在对准范围内自由移动。
4)将平板脊形波导样品11固定在基底9的上面；根据实际脊形波导的高度，为达到光纤2与波导11的耦合匹配以及平板脊形波导样品11的无损伤拆卸，首先在玻璃基底9上加入两个石英垫片10，将双垫片和玻璃基底9由安特固强力胶粘接；然后在双垫片上放置少量石蜡，从玻璃基底下端加热至石蜡均匀熔融在双垫片上，待冷却后，将样品的两端放置于双垫片上，再熔融冷却，使样品固定于双垫片上。
4’)由于上一步骤4)中石蜡熔融加热使安特固强力胶的粘度降低，对玻璃基底9和光纤调节槽7两侧壁粘结处以及双垫片10和玻璃基底9的粘结处用安特固强力胶再次粘接加固。然后将粘结后的样品置于样品托架上。调节使之水平，且平板脊形波导11的入射面与入射光纤方向垂直。
5)将单模透镜输出光纤14的透镜端通过第二光纤固定器16固定到第二调节架13上，平面端与光功率计15连接；并调节第二调节架13使得单模透镜输出光纤14与平板脊形波导样品11对准。打开近红外连续可调激光器电源后有激光输出，与单模透镜输入光纤连接。调节电动(手动)六维精密调节架，就可以调节单模透镜输入(输出)光纤的位置。利用上述调节架可以实现单模透镜输入光纤与平板脊形波导耦合效率的测定：利用红外CCD成像系统，调节显微镜找到所需的平板脊形波导11；再将显微镜移至光纤2，调节第一调节架4，使光纤2和平板脊形波导11在显微镜同一高度处成像，然后使光纤2前进，调节光纤2与平板脊形波导11的耦合，使波导输出端光功率达到最大。这可以从与单模透镜输出光纤14相连接的光功率计15读知。单模透镜输出光纤14与波导11的对准调节同单模透镜输入光纤2。
6)单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11的粗对准固定过程：
(a)调节第一调节架4使得单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11对准，测定最大对准输出功率；
(b)通过调节第一调节架4，使单模透镜输入光纤2调节到轴心距平板脊形波导11上表面约120μm，然后再向前调节单模透镜输入光纤2，使之向前伸入平板脊形波导样品11约25～30μm，本领域技术人员清楚，此值与透镜光纤2的工作距离d有关，长工作距离光纤应使伸入长度相应减小d-4～5μm；此时光完全不能耦合进平板脊形波导，但这种过程抵消了细对准过程中由于玻璃基底与光纤调节槽分离后再次结合产生的压应力的影响，保障单模透镜光纤与平板脊形波导的高效率耦合。粗对准固定的优点是确定了单模透镜光纤与平板脊形波导的基本位置关系，无需考虑粗对准固定后单模透镜输入光纤偏移对耦合效果的影响。
(c)固定光纤输运器6与光纤调节槽7；用针尖将环氧树脂胶滴于光纤输运器6两侧的光纤调节槽7上，使光纤输运器6与光纤调节槽7粘接为一体；由于环氧树脂胶干燥过程中产生的应力作用，单模透镜输入光纤2与平板脊形波导11相对位置会发生微小变化，这种微小变化对于单模透镜光纤和平板脊形波导的耦合状况能产生很大影响，但是光纤与波导的横向相对位移不超过8μm，不影响粗对准过程确定基本位置关系的目的。
7)单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11的细对准过程：
①待步骤6)中环氧树脂完全干燥后，将第一光纤固定器5旋松，使光纤固定器5远离光纤输运器6，此时平板脊形波导样品11、双垫片10、玻璃基底9、光纤输运器6、光纤调节槽7以及单模透镜输入光纤2成为一体化，将一体化样品从样品托架12卸下，使光纤调节槽7与玻璃基底9自上向下分离，保证光纤2完好无损；将玻璃基底和光纤调节槽粘接侧面清洗干净；这样玻璃基底、双垫片和平板脊形波导样品为一体，而光纤调节槽、光纤输运器、单模透镜输入光纤为一体，将前者一体化产物放于样品托上，后者一体化产物固定于第一调节架的光纤固定器。
②重复步骤6)中的子步骤(a)再次使得单模透镜输入光纤2与平板脊形波导样品11精确对准，并保持5～6μm输入距离；
③再次将光纤调节槽7与玻璃基底9相对的侧面粘接在一起：待耦合效率最高后用安特固强力胶将光纤调节槽7与玻璃基底9侧壁粘接固定；此胶干燥过程产生的应力主要是导致单模透镜输入光纤2与样品波导11间输入距离减小约1μm，对于光纤2与波导11的横向对准基本无影响。与步骤6)中的子步骤(a)相比，单模透镜输入光纤2与波导11固定后耦合效率相对于固定前超过70％。
8)待步骤7)中安特固强力胶完全干燥后，打开第一光纤固定器5，并移开第一调节架4，将单模透镜输入光纤1从第一光纤固定器5中退出。将玻璃基底9从样品托12卸下，如图3所示，此时单模透镜输入光纤2、平板脊形波导样品11、双垫片10、玻璃基底9、光纤输运器6以及光纤调节槽7一体化对准固定完成，标号3表示环氧树脂胶固化的液滴，在光纤输运器6的两侧各有两滴，图中仅示出一侧。
作为本发明的优点，本发明还可以实现单模透镜输入光纤2和平板脊形波导样品11的拆卸以及光纤2的重复利用。光纤2拆卸时首先将光纤调节槽7与玻璃基底9的侧面粘接面自上而下分离，保证光纤完好无损。然后将光纤输运器6与光纤调节槽7粘接面自光纤透镜端分离。最后将玻璃基底9均匀加热，样品可以无损伤取下。重复步骤1)～步骤8)过程即可完成单模透镜光纤与平板脊形波导的对准固定，实现光纤的再次利用。
对本发明的单模透镜输入光纤与波导对准固定后的稳定性测试表明：单模透镜光纤、波导等固定一体化后，经过几个月的使用，耦合效率基本不发生变化。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1、一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置，包括：激光器(1)，发出的激光耦合进入单模透镜输入光纤(2)的平面端；其特征在于，还包括：
光纤输运器(6)，用于固定所述光纤(2)的透镜端；所述光纤输运器(6)通过第一光纤固定器(5)固定在第一调节架(4)上；
光纤调节槽(7)固定在一个玻璃基底(9)的侧面；平板脊形波导样品(11)固定在所述玻璃基底(9)的上面；所述玻璃基底(9)可拆卸性地安置在托架(12)上；
单模透镜输出光纤(14)的透镜端通过第二光纤固定器(16)固定在第二调节架(13)上；平面端耦合到光功率计(15)。
2、根据权利要求1所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置，其特征在于，所述波导样品(11)是通过两个垫片(10)固定在所述玻璃基底(9)上。
3、根据权利要求1或2所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置，其特征在于，所述单模透镜输入光纤(2)通过环氧树脂胶固定在光纤输运器(6)的输运槽中。
4、根据权利要求3所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定装置，其特征在于，所述光纤调节槽(7)的中心槽厚度与所述玻璃基底(9)相同。
5、一种单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，包括如下步骤：
步骤1)将单模透镜输入光纤(2)的透镜端固定到光纤输运器(6)中，平面端与激光器(1)的输出光耦合；
步骤2)用第一光纤固定器(5)把光纤输运器(6)固定到第一调节架(4)上；
步骤3)将玻璃基底(9)与光纤调节槽(7)的侧面进行固定；
步骤4)将平板脊形波导样品(11)固定在玻璃基底(9)的上面；
步骤5)将单模透镜输出光纤(14)的透镜端通过第二光纤固定器(16)固定到第二调节架(13)上，平面端与光功率计(15)连接；并调节第二调节架(13)使得单模透镜输出光纤(14)与平板脊形波导样品(11)对准；
步骤6)单模透镜输入光纤(2)与平板脊形波导样品(11)的粗对准固定过程：
步骤(a)调节第一调节架(4)使得单模透镜输入光纤(2)与平板脊形波导样品(11)对准；
步骤(b)通过调节第一调节架(4)，使单模透镜输入光纤(2)中心轴位于波导样品(11)的上方，且使单模透镜输入光纤(2)沿纵向伸入平板脊形波导样品(11)上方；
步骤(c)用环氧树脂胶将光纤输运器(6)和光纤调节槽(7)粘接到一起；
步骤7)单模透镜输入光纤(2)与平板脊形波导样品(11)的细对准固定过程：
步骤①将玻璃基底(9)与光纤调节槽(7)分离；
步骤②重复步骤6)中的子步骤(a)再次使得单模透镜输入光纤(2)与平板脊形波导样品(11)对准；
步骤③再次将光纤调节槽(7)与玻璃基底(9)相对的侧面粘接在一起；
步骤8)打开第一光纤固定器(5)，并移开第一调节架(4)，此时单模透镜输入光纤(2)与平板脊形波导样品(11)实现对准并和光纤输运器(6)、光纤调节槽(7)以及玻璃基底(9)固定成为一体。
6、根据权利要求5所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，其特征在于，所述步骤4)中是通过两个垫片(10)将平板脊形波导样品(11)固定在玻璃基底(9)的上面；两垫片(10)通过强力胶固定在玻璃基底(9)上，波导样品(11)通过熔融石蜡固定在两垫片(10)上。
7、根据权利要求6所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，其特征在于，在所述步骤4)和步骤5)之间，还包括步骤4’)对玻璃基底(9)和光纤调节槽(7)之间的粘结处以及双垫片(10)与玻璃基底(9)的粘结处用强力胶再次加固。
8、根据权利要求5-7任一项所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，其特征在于，所述步骤1)中是采用环氧树脂将单模透镜输入光纤(2)的透镜端固定到光纤输运器(6)中。
9、根据权利要求8所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，其特征在于，所述步骤3)中是采用强力胶将玻璃基底(9)与光纤调节槽(7)的侧面进行固定。
10、根据权利要求9所述单模透镜光纤与平板脊形波导的有源对准固定方法，其特征在于，所述步骤7)中子步骤①将玻璃基底(9)沿向下的方向与光纤调节槽(7)分离。
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