光子晶体光纤端面研磨抛光方法及由此获得的器件.pdf

一种光子晶体光纤端面研磨抛光方法，在光子晶体光纤的端面孔隙内预先填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对光子晶体光纤端面进行光学级的研磨抛光处理；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。本发明的有益技术效果是：使光子晶体光纤端面可以在常规研磨抛光工艺条件下进行光学级研磨抛光，同时，解决了光子晶体光纤端面与光波导芯片耦合固接时胶体浸入光子晶体光纤内部的问题。

权利要求书
1.  一种光子晶体光纤端面研磨抛光方法，其特征在于：在光子晶体光纤的端面孔隙内预先填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对光子晶体光纤端面进行光学级的研磨抛光处理；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。

2.  一种用于光子晶体光纤和光波导芯片耦合的工艺，包括光波导芯片和光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤用于耦合操作的那端记为耦合端，在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光处理，研磨抛光操作结束后，将耦合端与光波导芯片耦合对准并采用紫外固化胶固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。

3.  一种采用权利要求2所述工艺制作出的带尾纤的光波导器件，其特征在于：所述尾纤（1-1）采用光子晶体光纤制作，尾纤（1-1）上与光波导芯片相连接的那端记为耦合端，所述耦合端的端面抛光度达到光学级，耦合端与光波导芯片经耦合对准后采用紫外固化胶固接。

4.  一种光纤环传感器制作方法，包括Y波导相位调制器（1）、两根尾纤（1-1）和光纤环（2）；所述两根尾纤（1-1）的耦合端分别与Y波导相位调制器（1）上的两个输出端连接，两根尾纤（1-1）的另一端分别与光纤环（2）的两端相熔接；其特征在于：所述光纤环（2）采用光子晶体光纤绕制；所述尾纤（1-1）采用光子晶体光纤制作；所述耦合端与输出端之间采用如下方式连接：在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光处理，研磨抛光处理结束后，将耦合端与光波导芯片耦合对准并采用紫外固化胶固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。

5.  一种采用权利要求4所述方法制作出的光纤陀螺仪。

6.  一种采用权利要求4所述方法制作出的光纤电流传感器。

说明书光子晶体光纤端面研磨抛光方法及由此获得的器件
技术领域
本发明涉及一种光纤端面加工技术，尤其涉及一种光子晶体光纤端面研磨抛光方法及由此获得的器件。
背景技术
光纤环是最常用的光纤传感光路之一，其结构和传感原理如图1、2所示，一列光波从M点耦合进入光纤环后被分成两列强度相等的光波，分别沿顺时针方向（图中标记CW所示方向）和逆时针方向（图中标记CCW所示方向）在光纤环中传播，当光纤环相对惯性空间静止时（即图1中所示情况），两列光波经历完全相等的光程，同相到达M点；而当光纤环相对惯性空间以角速度Ω绕垂直于其平面的中心轴旋转时（即图2中所示情况），两束光到达M’点（即图1中M点旋转后的位置点）因经历不同的光程而产生正比于角速度Ω的相位差，该现象称为萨格奈克相移效应。
光纤陀螺仪即是一种基于萨格奈克相移效应的角速度传感仪表，它具有全固态结构、体积小、抗电磁干扰、高精度及长寿命等优点；参见图3，图中所示即为光纤陀螺仪的一种典型结构，它由低相干光源、保偏耦合器、Y波导相位调制器、保偏光纤环和光电探测器以及信号处理电路和相应的A/D、D/A转换模块组成，各光学元件以尾纤熔接的方式相连接形成闭合光路，电路部分采用全数字闭环检测方案。当保偏光纤环相对惯性空间以角速率                                               转动时，其中分别沿正反两个方向传输的两列光波由于经历不同光程而产生萨格奈克相位差Фs，信号处理电路在Y波导相位调制器上引入一个调制信号抵消光纤环旋转引起的萨格奈克相位差Фs，通过检测该调制信号即可获得系统相对于惯性空间转动的角速率信息。
光纤电流传感器是另一类基于光纤环结构的传感器，如图4所示，其传感光路和信号处理电路与光纤陀螺相类似，但光波通过保偏光纤环后所产生的相位差是由载流母线中的电流产生的磁场引起的，通过相位差可得到载流母线中的电流大小。
在前面两种应用示例中，Y波导相位调制器和保偏光纤环以尾纤熔接方式构成的闭合敏感环路是系统中的关键传感光路，其性能指标和稳定性直接决定传感器的精度；常规的应力型或几何型保偏光纤均是通过在包层中掺杂引入应力或通过非圆对称几何结构产生双折射，其典型的双折射值在10-4量级；由现有技术可知，基于应力或非圆对称几何结构的保偏光纤存在温度敏感、弯曲损耗大及抗辐射能力差等问题，已成为制约光纤环传感光路向高精度和小型化方向发展的瓶颈。
近年发展起来的光子晶体光纤是一种新型微结构光纤，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔形成光子禁带（光子晶体光纤的端面结构如图5所示），从而将光波约束在纤芯中传输；对光子晶体光纤结构进行深入分析后，我们就会发现，如果能将光子晶体光纤应用于光纤环传感光路，较常规保偏光纤，光子晶体光纤具有以下无可比拟的优势：1、设计自由度大：通过对结构参数的控制，光子晶体光纤能同时满足光路和相关光器件的多种要求；2、如果将光子晶体光纤设计为几何型保偏结构，那么光子晶体光纤将具有至少高于常规保偏光纤一个数量级的双折射；3、光子晶体光纤由单一材料拉制，温度敏感性比常规光纤低100~1000倍；4、光子晶体光纤的弯曲损耗低，可绕制较常规光纤小6倍的光纤环，易于实现系统的小型化。如果能将光子晶体光纤应用于光纤环结构的传感光路，那么有望制作了更高性能指标、更小体积尺寸的光纤陀螺、光纤电流传感器等产品。目前，全内反射型光子晶体光纤性能上已达到实用化水平，并有商用产品出售。
前文对光子晶体光纤应用前景进行了展望，那么我们再来看一下光子晶体光纤应用的具体可行性：要将光子晶体光纤应用于光纤陀螺或光纤电流传感器等传感装置，首先要解决的问题就是如何将光子晶体光纤接入光路，当将光子晶体光纤应用于光纤陀螺或光纤电流传感器时，实质上就是将光子晶体光纤绕制成光纤环并用其替代图1、2中的保偏光纤环，这就涉及到需要将光纤环与Y波导相位调制器的尾纤（也即图中的保偏输出尾纤，现有Y波导相位调制器上的尾纤为常规保偏光纤）相熔接，由于常规保偏光纤和光子晶体光纤熔接时的单点熔接损耗就高达4.0dB，此外还存在偏振轴对准误差大等问题，于是业内又提出直接用光子晶体光纤来形成Y波导相位调制器的尾纤，然后由光子晶体光纤的尾纤来与光子晶体光纤的光纤环相互熔接，理论上就可实现两者之间极低的熔接损耗。然而，发明人在对前述构想进行验证时却发现如下问题：在现有技术中，为了实现低的耦合附加损耗，需要对尾纤耦合端端面进行光学级的抛光研磨处理；然而由于光子晶体光纤的端面存在密排的空气孔，采用常规的化学机械研磨抛光工艺对其端面进行研磨时，磨料颗粒和抛光液会通过光子晶体光纤端面孔隙进入光子晶体光纤内部的空气孔内，破坏其原有的导模特性，导致传输损耗增大甚至失效，同时，研磨抛光中机械压力导致的光子晶体光纤端面多孔结构的坍塌和变形也会破坏导模特性，此外，在现有的光纤、光波导耦合工艺（即使用紫外固化胶实现光纤光波导的固接）条件下，紫外固化胶会不可避免的从光子晶体光纤端面孔隙浸入光子晶体光纤内部的空气孔内，改变光纤的导模特性，造成传输损耗增大甚至导模截至，因此，业内一直未有报道光子晶体光纤耦合的Y波导相位调制器。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种光子晶体光纤端面研磨抛光方法，其创新在于：在光子晶体光纤的端面孔隙内预先填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对光子晶体光纤端面进行光学级的研磨抛光处理；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。
前述方法的原理是：光子晶体光纤的结构特点导致其端面存在孔隙，这是引起背景技术中所述问题的根本原因，而采用本发明方案后，填充在光子晶体光纤端面孔隙内的低折射率光学胶固化后，在不改变光子晶体光纤导模特性的前提下，可以使光子晶体光纤的端部形成实心结构，此实心结构不仅使得光子晶体光纤端面的机械强度得到大大增强，同时还将光子晶体光纤的内孔与外部环境隔离开来，从工艺性来看，在进行研磨抛光时，由于光子晶体光纤端面被固化了的低折射率光学胶填充，光子晶体光纤的端面结构不会被机械应力所破坏，磨料颗粒和抛光液也不会进入光子晶体光纤内部的空气孔内，在进行后续的光纤、光波导耦合工艺时，紫外固化胶也不会浸入光子晶体光纤内部的空气孔内，这就很好的解决了光子晶体光纤端面研磨和耦合固接的问题；为了尽量减小光学胶本身对光子晶体光纤光波导特性的影响，低折射率光学胶的折射率应越小越好，但发明人通过大量试验后发现，只要将低折射率光学胶的折射率控制在小于光子晶体光纤芯层材料折射率的水平，就能取得到较好的效果，当然，在有条件的情况下，本领域技术人员可以选择更低折射率的光学胶来实施本发明方案；在具体实施本发明时，由于现有的光学胶种类繁多，不同光学胶的折射率也存在差异，本领域技术人员可以预先对光学胶固化后的折射率进行测定，并根据需要择优采用。
基于前述方案，本发明还提出了一种用于光子晶体光纤和光波导芯片耦合的工艺，包括光波导芯片和光子晶体光纤，其创新在于：所述光子晶体光纤上用于耦合操作的那端记为耦合端，在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光操作，研磨抛光操作结束后，将耦合端与光波导芯片耦合对准并采用紫外固化胶固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。该工艺的核心创新点与前述的研磨抛光方法相同，即通过填充低折射率光学胶来使光子晶体光纤端面形成实心结构，从而实现对光子晶体光纤端面的光学级研磨抛光以及与光波导芯片的固接
基于前述工艺，本发明还提出了一种带尾纤的光波导芯片，其创新在于：所述尾纤采用光子晶体光纤制作，尾纤上与光波导芯片相连接的那端记为耦合端，所述耦合端的端面抛光度达到光学级，耦合端与光波导芯片经耦合对准后采用紫外固化胶固接。
另外，本发明还提出了一种光纤环传感器制作方法，包括Y波导相位调制器、两根尾纤和光纤环；所述两根尾纤的耦合端分别与Y波导相位调制器上的两个输出端连接，两根尾纤的另一端分别与光纤环的两端相熔接；其创新在于：所述光纤环采用光子晶体光纤绕制；所述尾纤采用光子晶体光纤制作；所述耦合端与输出端之间采用如下方式连接：在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光处理，研磨抛光处理结束后，将耦合端与光波导芯片耦合对准并采用紫外固化胶固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。
一种采用光纤环传感器制作方法所制作出的光纤陀螺仪。
一种采用光纤环传感器制作方法所制作出的光纤电流传感器。
本发明的有益技术效果是：使光子晶体光纤端面可以在常规研磨抛光工艺条件下进行光学级研磨抛光，同时，解决了光子晶体光纤端面与光波导芯片耦合固接时胶体浸入光子晶体光纤内部的问题。
附图说明
图1、光纤环相对惯性空间静止时的原理示意图；
图2、光纤环相对惯性空间旋转时的原理示意图；
图3、光纤陀螺仪结构示意图；
图4、光纤电流传感器结构示意图；
图5、光子晶体光纤端面结构示意图（图中所示端面结构仅为一种示例，本领域技术人员可根据现有技术条件对光子晶体光纤端面结构进行具体设计）；
图6、本发明的Y波导相位调制器结构示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：Y光波导相位调制器1、尾纤1-1、输入光纤1-2、光纤环2。
具体实施方式
一种光子晶体光纤端面研磨抛光方法，其创新在于：在光子晶体光纤的端面孔隙内预先填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对光子晶体光纤端面进行光学级的研磨抛光处理；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。
一种用于光子晶体光纤和光波导芯片耦合的工艺，包括光波导芯片和光子晶体光纤，其创新在于：所述光子晶体光纤上用于耦合操作的那端记为耦合端，在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光处理，研磨抛光操作结束后，采用紫外固化胶将光波导芯片和耦合端耦合固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。
一种前述工艺制作出的带尾纤的光波导器件，其创新在于：所述尾纤1-1采用光子晶体光纤制作，尾纤1-1上与光波导芯片相连接的那端记为耦合端，所述耦合端的端面抛光度达到光学级，耦合端与光波导芯片之间采用紫外固化胶粘结耦合。
一种光纤环传感器制作方法，包括Y波导相位调制器1、两根尾纤1-1和光纤环2；所述两根尾纤1-1的耦合端分别与Y波导相位调制器1上的两个输出端连接，两根尾纤1-1的另一端分别与光纤环2的两端相熔接；其创新在于：所述光纤环2采用光子晶体光纤绕制；所述尾纤1-1采用光子晶体光纤制作；所述耦合端与输出端之间采用如下方式连接：在耦合端的端面孔隙内填充低折射率光学胶，待低折射率光学胶固化后，对耦合端端面进行光学级的研磨抛光处理，研磨抛光处理结束后，将耦合端与光波导芯片耦合对准并采用紫外固化胶固接；所述低折射率光学胶的折射率小于光子晶体光纤芯层材料的折射率。
由前述光纤环传感器制作方法得到的光纤陀螺仪和光纤电流传感器。