阅读说明：本技术 一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法 (method for coupling photonic crystal fiber assembly ) 是由 白国财 郑国康 黄韬 刘瑞丹 周建伟 丁东发 夏君磊 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法,包括：清洗波导芯片和尾纤；固定芯片和尾纤；确定芯片输出端位置；调节尾纤位置,找到消光比和功率的最大输出点；耦合点胶,曝光粘接,尾纤保护。本发明的方法,能够实现光子晶体光纤的耦合而且不堵塞其空气空隙,操作便捷,并且提高了光子晶体光纤连接的可靠性。(the invention provides a method for coupling a photonic crystal fiber assembly, which comprises the following steps: cleaning the waveguide chip and the tail fiber; fixing the chip and the tail fiber; determining the position of the output end of the chip; adjusting the position of the tail fiber to find the maximum output point of the extinction ratio and the power; coupling dispensing, exposure bonding and tail fiber protection. The method can realize the coupling of the photonic crystal fiber without blocking the air gap, is convenient and fast to operate, and improves the reliability of the connection of the photonic crystal fiber.)

一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤的连接工艺，更具体说是一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法。

背景技术

光波导的耦合本质上是光纤和芯片在六个自由度下的连接。普通保偏光纤受环境影响较大，而且温度稳定性较差，这就导致它的应用范围极大的受限于环境，但是由于光子晶体光纤具有低弯曲损耗，高双折射特性、低色散、高温度稳定性等优点，它为普通保偏光纤环境适应性差提供了的一种全新的解决思想。而且光子晶体光纤高双折射特性，即使在外力、温度以及辐射作用下，也能保持很好地偏振态传输。

但是在工程应用中，由于光子晶体光纤端面构型存在孔洞，按照原有的光纤耦合方法进行点胶，会导致耦合胶流入光子晶体光纤端面的空洞，光子晶体光纤的空洞结构具有虹吸效应，而光路粘接胶一般为紫外固化胶，流动性较强，在虹吸效应下，胶黏剂会被吸入孔隙中一段距离，进而导致通光效率急剧下降，甚至导致光无法传输。耦合粘接胶属于一种光路粘接胶，既承担光路粘接作用，还要承担芯片和光纤的折射率匹配作用，选用流动性好的紫外胶可以通过芯片和光纤的相互作用均匀布满粘接面，增强粘接作用。因此，需要控制点胶工艺，既能保证粘接可靠性，又能保证光传输能量最大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：在用光子晶体光纤连接的方法中，提供一种新的光子晶体光纤耦合方法，该方法通过控制点胶位置及点胶量，避免堵塞光子晶体光纤的空气孔洞，提高光纤光路连接精度。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

本发明一种用于光子晶体光纤组件的耦合方法，包括如下步骤：

一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法，包括以下步骤：

A1、用蘸酒精的棉签擦拭芯片的耦合端面；

A2、将芯片、输入端尾纤、输出端尾纤固定在光学平台上；

A3、将输入端尾纤的入口光纤处切割好后接入红光光源，通过光学平台调节输入端尾纤和芯片输入端的相对位置，直至在芯片输出端找到红光光斑；

A4、将输入端尾纤的入口光纤处接入光源，芯片输出端通过输出端尾纤接入光功率计，调节输入端尾纤、输出端尾纤相对芯片的位置，直至找到最大输出功率点，在输入端尾的纤耦合端面上远离光纤包层的位置涂耦合粘接胶，并且曝光固化；

A5、在输出端尾纤的耦合端面上远离光纤包层的位置涂耦合粘接胶，并且曝光固化；

A6、在输入端尾纤端面的光纤根部、输出端尾纤端面的光纤根部涂保护胶；由此完成光子晶体光纤的耦合。

所述光学平台为六维光学调节架，提供六自由度的调节，包括上、下、左、右、内旋和外旋六个自由度。

耦合粘接胶为紫外固化胶，保护胶的粘度大于耦合粘接胶，保护胶的粘度范围为20000～30000cps，耦合粘接胶的粘度范围为300～1000cps，折射率范围为1.45～1.55。

输入端尾纤和输出端尾纤结构相同，均通过如下步骤制备：

S1、在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；

S2、将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；

S3、将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；

S4、将所述阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；

S5、将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；

S6、将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；

S7、将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层，再用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤头，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴；

S8、把经过S7定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；

S9、将S8切割后的光纤放入经过S5处理后的分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆 V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂定轴粘接胶，紫外曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。

定轴粘接胶的粘度范围为200～500cps，无折射率要求。

步骤S1中在硅晶圆上腐蚀出的晶圆V型槽，深度为45μm～52μm，宽度为95μm～105μm，相邻晶圆V型槽之间的距离为1.3mm～1.6mm；

将硅晶圆划切阵列时，垂直于晶圆V型槽的方向进行切割，每个切割得到的阵列中晶圆V型槽的长度相同，均为1.9mm～2.2mm。

步骤S3中将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面，具体为：将所述阵列研磨成长度为1.8mm～2mm、端面为15°±0.5°角的形式。

步骤S4将所述阵列切割成多个分立单元，具体为：切割方向平行于阵列上的晶圆V型槽，且每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽，每个分立单元的端面均为15°±0.5°角。

步骤S6中光纤卡具具体包括：光纤固定座(1)、盖板(2)、光纤定位装置(3)、定轴装置(4)；

定轴装置(4)截面为Z字形，光纤固定座(1)装配在定轴装置(4) 的上表面，光纤固定座(1)上设置有卡具V型槽，将从光纤定位装置(3) 中伸出的光子晶体光纤放置在卡具V型槽中，通过盖板(2)将光子晶体光纤压紧在卡具V型槽中，调整光子晶体光纤伸出卡具V型槽的长度；

第一次光子晶体光纤的定轴，具体为：使光子晶体光纤的保偏轴垂直于光纤卡具上卡具V型槽的上表面，然后固定光纤。

对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割，具体为：光子晶体光纤固定好之后，旋转第二固定装置90°，令第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤扭曲90°，刀头切割后，光子晶体光纤形成15°斜面的端面角度。

通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度小于50 μm。

本发明的有益效果是：

(1)相比于传统的光子晶体光纤连接方法中，在固定块端面点胶后，会有胶溢到光纤端面，由于光子晶体光纤端面的空洞尺寸小，容易造成虹吸效应，将溢到表面的胶吸进空洞一段距离，从而导致光纤的空气孔被堵塞，本发明所述的用于光子晶体光纤组件的耦合方法，通过控制点胶位置和点胶量，可避免耦合胶溢到光纤端面。

(2)本发明所述方法需要在输入端和输出端尾纤端面的光纤根部涂黏度大的保护胶来保护尾纤。

(3)本发明研究光子晶体光纤高可靠低损耗连接工艺，从根本上突破阻碍光子晶体光纤陀螺工程化生产的瓶颈。在光子晶体光纤连接技术中，点胶时需要避免将耦合胶点到光子光纤空洞中，从而避免光纤空洞的虹吸效应，保证光传输模场形状不发生变化，输出光功率最大。

附图说明

图1是本发明所用的耦合方法流程图；

图2是本发明所用的耦合装置示意图；

图3是本发明的芯片与光纤耦合示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施对根据本发明的一种用于光子晶体光纤组件耦合的方法做进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于光子晶体组件耦合的方法，包括以下步骤：

A1、用蘸酒精的棉签擦拭芯片的耦合端面；

A2、将芯片、输入端尾纤、输出端尾纤固定在光学平台上；光学平台为六维光学调节架，提供六自由度的调节，包括上、下、左、右、内旋和外旋六个自由度。

A3、将输入端尾纤的入口光纤处切割好后接入红光光源，通过光学平台调节输入端尾纤和芯片输入端的相对位置，直至在芯片输出端找到红光光斑；

实践中，输入端尾纤和输出端尾纤安装在光学平台的六维调节架上，并且调整尾纤位置，直至芯片输出端位置出现最亮的点，以此确定输入端和输出端位置。

A4、将输入端尾纤的入口光纤处接入光源，芯片输出端通过输出端尾纤接入光功率计，调节输入端尾纤、输出端尾纤相对芯片的位置，直至找到最大输出功率点，在输入端尾的纤耦合端面上远离光纤包层的位置涂耦合粘接胶，并且曝光固化；

A5、在输出端尾纤的耦合端面上远离光纤包层的位置涂耦合粘接胶，并且曝光固化；如图3所示。

A6、在输入端尾纤端面的光纤根部、输出端尾纤端面的光纤根部涂保护胶；由此完成光子晶体光纤的耦合。

耦合粘接胶为光学紫外固化胶，兼具光学性能和粘接性能，保护胶的粘度大于耦合粘接胶，保护胶的粘度范围为20000～30000cps，耦合粘接胶的粘度范围为300～1000cps，折射率为1.45～1.55。

进一步的，本发明提出一种输入端尾纤和输出端尾纤的制备方法，包括以下步骤：

S1、在硅晶圆上腐蚀出晶圆V型槽；

步骤S1中在硅晶圆上腐蚀出的晶圆V型槽，深度为55um～65um，宽度为85um～95um，相邻晶圆V型槽之间的距离为25um～35um。

S2、将已经划切出晶圆V型槽的硅晶圆切成多个阵列；

将硅晶圆划切阵列时，垂直于晶圆V型槽的方向进行切割，每个切割得到的阵列中晶圆V型槽的长度相同，均为2.2um～2.2um。

S3、将所述阵列进行研磨，其端面研磨为斜面；

具体为：将所述阵列研磨成长度为1.8mm～2mm、端面为15°±0.5°角的形式。目的是与15°角的光子晶体光纤匹配。

S4、将所述阵列切割成多个分立单元，每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽；

具体为：切割方向平行于阵列上的晶圆V型槽，且每个分立单元上有且仅有一个晶圆V型槽，每个分立单元的端面均为15°±0.5°角。

S5、将每个分立单元上的晶圆V型槽清洗干净并吹干；

S6、将光子晶体光纤装夹在光纤卡具上，使得光子晶体光纤的端面位于显微镜视场的中心位置；

光纤卡具具体包括：光纤固定座1、盖板2、光纤定位装置3、定轴装置4；

定轴装置4截面为Z字形，光纤固定座1装配在定轴装置4的上表面，光纤固定座1上设置有卡具V型槽，将从光纤定位装置3中伸出的光子晶体光纤放置在卡具V型槽中，通过盖板2将光子晶体光纤压紧在卡具V型槽中，调整光子晶体光纤伸出卡具V型槽的长度。

S7、将光子晶体光纤伸出光纤卡具的光纤头用光纤热拨器剥除涂覆层 15～20mm，用光纤切割刀垂直切割裸纤的光纤9～15mm，使其端面平整，并进行第一次光子晶体光纤的定轴。

第一次光子晶体光纤的定轴，具体为：旋转光子晶体光纤，使其保偏轴垂直于所述卡具V型槽的上表面，然后固定光纤。第一次定轴是为确定光子晶体光纤的保偏轴向，方便将光子晶体光纤端面切割成特定角度。

卡具V型槽的宽度在158～162μm，深度在68～76μm。

S8、把经过S7定轴、伸出光纤卡具的光纤头放入光纤切割刀上，并将该光纤头通过第一固定装置和第二固定装置进行固定，光纤切割刀的刀头位于第一固定装置和第二固定装置之间，用于对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割；

对第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤进行切割，具体为：光子晶体光纤固定好之后，旋转第二固定装置90°，令第一固定装置和第二固定装置之间的光子晶体光纤扭曲90°，刀头切割后，光子晶体光纤形成15°斜面的端面角度。

S9、将S8切割后的光纤放入经过S5处理后的分立单元上的晶圆V型槽内，通过水平CCD使光子晶体光纤的保偏轴平行于所述分立单元上晶圆 V型槽的上表面，通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度，且涂适量紫外固化胶，曝光固化，由此完成光子晶体光纤的第二次定轴，从而完成光子晶体光纤组件的制备。通过垂直CCD控制伸出所述分立单元上晶圆V型槽的光纤长度小于50μm，如图2所示。

本发明研究光子晶体光纤高可靠低损耗连接工艺，从根本上突破阻碍光子晶体光纤陀螺工程化生产的瓶颈。在光子晶体光纤连接技术中，点胶时需要避免将耦合胶点到光子光纤空洞中，从而避免光纤空洞的虹吸效应，保证光传输模场形状不发生变化，输出光功率最大。

实施例：

通过两次定轴进行了光子晶体尾纤组件制备和性能测试。首先，将光子晶体光纤固定在卡具V型槽上，旋转光子晶体光纤到特定保偏轴，用压盖压紧光子晶体光纤，完成第一次定轴；然后将光子晶体光纤放到切割刀上，切割出15°光纤倾斜角度；最后将光子晶体光纤放入晶圆V型槽，调整光子晶体光纤的保偏轴方向和伸出晶圆V型槽的长度，完成第二次定轴。

在测量显微镜下测量光纤角度，结果如下：

表1.光线角度测量表

编号	光纤角度(°)
		1	74.15
2	75.76
		3	74.05
4	75.32
		5	75.96
6	74.05
		7	75.48
8	75.5
		平均值	75.03
误差	≤0.95

通过上述测量表可以看出，这种方法切割出的光线角度误差≤0.95°，根据能计算出尾纤的***损耗为0.21dB，而使用磨抛方法得到的尾纤***损耗在0.3～0.5dB，使用本发明的方法要优于传统磨抛的方法。