一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置，属于光纤器件制造技术领域。本发明专利技术装置包括端面斜切的集成光学芯片、端面平切的空芯光子带隙光纤环和尾纤夹具；通过尾纤夹具将两尾纤端面以最佳耦合角度和间距分别固定到集成光学芯片两出光口。本发明专利技术方法建立空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的直接耦合仿真模型，依据通过仿真计算出的最佳耦合角度和间距设计尾纤夹具，将空芯光子带隙光纤环与尾纤夹具固定，再与集成光学芯片耦合并固定。本发明专利技术实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片低损耗、低背向反射、高环境适应性的直接耦合，应用于光纤陀螺中还可以消除熔接点给光路带来的非互易性影响。

A method and device for direct coupling of hollow core PBG fiber ring and integrated optical chip

【技术实现步骤摘要】
一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置
本专利技术属于光纤器件制造
，具体涉及一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置。
技术介绍
空芯光子带隙光纤是一种光子晶体光纤，导光机理是光子带隙效应，包层为周期性排列的薄壁玻璃管，形成二维光子晶体，产生光子带隙，纤芯大空气孔致使光子带隙产生频率极窄的缺陷态，光被限制在纤芯内传输。空芯光子带隙光纤导光时大于95％的光在空气中传输，而空气的环境敏感度远远小于二氧化硅，因此相比于传统的石英光纤，空芯光子带隙光纤大幅度降低了环境因素对光纤传输性能的影响，用其替代光纤陀螺中的传统光纤可以极大地提高光纤陀螺精度等性能，空芯光子带隙光纤陀螺被公认为是下一代光纤陀螺。光纤陀螺基于Sagnac效应测量系统角速度，其结构中光纤环与集成光学芯片连接形成的闭合光路是产生Sagnac相位差的最关键敏感组件，因此高精度空芯光子带隙光纤陀螺对空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的耦合质量有严格要求。目前空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的主要连接方式是尾纤熔接，由于空芯光子带隙光纤端面的多孔结构，熔接质量极不可靠。并且熔接时由于表面张力，熔接点附件的空气孔发生塌陷，导光性能改变，损耗增大。另外，熔接点两侧材料不同，折射率发生突变，产生很强的背向反射光，背向反射光会与主光束发生干涉，影响主光束相位，造成转速测量误差。总之，目前空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片尾纤熔接连接方式损耗大、背向反射强，熔接点还会增加偏振交叉耦合，降低系统检测精度和可靠性，严重影响陀螺精度，阻碍空芯光子带隙光纤陀螺的发展。
技术实现思路
针对上述空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片尾纤熔接连接方式的缺点，本专利技术提出一种低损耗、低背向反射、高环境适应性的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法及装置。本专利技术的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，包括：端面斜切的集成光学芯片，空芯光子带隙光纤环，以及光纤环尾纤夹具；所述的与集成光学芯片相耦合的空芯光子带隙光纤环的两尾纤的端面为平切。所述的尾纤夹具有与集成光学芯片相配合的两个安装面a,b；设一个基准面，基准面与安装面a相互垂直；安装面a和安装面b互相垂直，安装面b与基准面的夹角为最佳耦合角度θ；所述的尾纤夹具还开有两个光纤槽a,b，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面。将空芯光子带隙光纤环两尾纤的涂覆层剥除并分别插入所述的尾纤夹具的两个光纤槽，当尾纤的端面距离安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具固定；将尾纤夹具的两个安装面贴合到集成光学芯片上，调节尾纤夹具的位置，当探测到集成光学芯片的输出光功率最大时，固定尾纤夹具位置，并在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶。最佳耦合角度θ和间距Δ通过仿真计算得到，当空芯光子带隙光纤环以设置的最佳耦合角度θ与集成光学芯片耦合，且耦合端面之间的间距为最佳耦合间距Δ时，耦合效率最大。本装置通过尾纤夹具将两尾纤端面以最佳耦合角度和最佳耦合间距分别固定到集成光学芯片两出光口，尾纤夹具固定在集成光学芯片上还具有对空芯光子带隙光纤环两端面密封的作用，提高了耦合点的环境适应性，最终构成一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置。本专利技术的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法，包括如下步骤：步骤1、确定空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的最佳耦合角度和间距；建立空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的直接耦合仿真模型，通过仿真模型测得不同耦合角度和间距下的耦合效率，确定最大耦合效率时空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片的最佳耦合角度θ和间距Δ，并通过搭建与仿真模型相对应的实验平台来验证。步骤2、设计具有密封作用的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具；设计空芯光子带隙光纤环尾纤夹具，保证在直接耦合装置安装时，空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片以最佳耦合角度θ和间距Δ耦合，另外，本专利技术的耦合过程中空芯光子带隙光纤环尾纤端面暴露于空气中，夹具还需要实现对端面的密封，提高环境适应性。步骤3、制作空芯光子带隙光纤环尾纤组件；将空芯光子带隙光纤环两尾纤剥除一定长度涂覆层，分别插入尾纤夹具的光纤槽内，当尾纤的端面距离尾纤夹具的安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具用胶固定，制成空芯光子带隙光纤环尾纤组件。步骤4、将空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合；搭建直接耦合调节光路，通过探测器观测集成光学芯片的输出光功率，调节空芯光子带隙光纤环尾纤组件与集成光学芯片的耦合位置，并实时观察探测器示数，当示数达到最大值时，固定尾纤夹具当前位置，在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶，实现对空芯光子带隙光纤环端面的局部密封，从而实现了一种具有环境宽适的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合。本专利技术的装置及方法，与现有技术相比，具有以下优势和积极效果：(1)本专利技术的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的低损耗直接耦合。本专利技术适用于空芯光子带隙光纤环的模场直径与集成光学芯片波导模场直径相差不大的情况，耦合方法中光纤环无需熔接，消除了熔接点带来的额外高损耗。(2)本专利技术的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的低背向反射直接耦合。直接耦合时集成光学芯片端面10°斜切，有效降低了背向反射光，并且耦合方法中无需熔接，消除了熔接点产生的额外背向反射。(3)本专利技术的装置及方法实现了空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片的高环境适应性耦合。直接耦合时，空芯光子带隙光纤环的尾端为平切处理，直接暴露于空气中，而空气中的水汽等物质进入空芯光子带隙光纤环端面空气孔内会影响其光学特性。通过设计的光纤环尾纤夹具，在直接耦合过程中固定光纤环尾端位置的同时，实现了对端面的密封，避免了空气成分对耦合特性的影响，大幅度提高环境适应性，更适用于恶劣工作环境。附图说明图1是应用本专利技术得到的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片构成的闭合敏感组件；图2是本专利技术所采用的空芯光子带隙光纤环的端面结构图；图3是本专利技术的空芯光子带隙光纤环尾纤与集成光学芯片直接耦合时的最佳耦合角度和间距的确定原理图；图4是本专利技术设计的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具结构图；图5是本专利技术设计的空芯光子带隙光纤环尾纤夹具左视图；图6是本专利技术的空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合方法的流程示意图；图7是本专利技术直接耦合装置中空芯光子带隙光纤环尾纤与夹具构成的组件示意图；图8是本专利技术直接耦合装置中空芯光子带隙光纤环尾纤组件与集成光学芯片直接耦合结构图；图9是本专利技术直接耦合方法中空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合时位置调节方法原理图；图10是本专利技术直接耦合装置中端面密封时夹具涂胶示意图。图中：1-集成光学芯片；2-空芯光子带隙光纤环尾纤夹具；3-空芯光子带隙光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，其特征在于，包括：集成光学芯片，空芯光子带隙光纤环，以及尾纤夹具；所述的集成光学芯片的端面斜切；所述的与集成光学芯片相耦合的空芯光子带隙光纤环的两尾纤的端面为平切；/n所述的尾纤夹具有与集成光学芯片相配合的两个安装面a,b；设一个基准面，基准面与安装面a相互垂直；安装面a和安装面b互相垂直，安装面b与基准面的夹角为最佳耦合角度θ；所述的尾纤夹具还开有两个光纤槽a,b，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面；/n将空芯光子带隙光纤环两尾纤的涂覆层剥除并分别插入所述的尾纤夹具的两个光纤槽，当尾纤的端面距离安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具固定；将尾纤夹具的两个安装面贴合到集成光学芯片上，调节尾纤夹具的位置，当探测到集成光学芯片的输出光功率最大时，固定尾纤夹具位置，并在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶；所述的间距Δ是指当空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片进行耦合时，耦合端面之间的间距。/n

【技术特征摘要】
1.一种空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片直接耦合装置，其特征在于，包括：集成光学芯片，空芯光子带隙光纤环，以及尾纤夹具；所述的集成光学芯片的端面斜切；所述的与集成光学芯片相耦合的空芯光子带隙光纤环的两尾纤的端面为平切；
所述的尾纤夹具有与集成光学芯片相配合的两个安装面a,b；设一个基准面，基准面与安装面a相互垂直；安装面a和安装面b互相垂直，安装面b与基准面的夹角为最佳耦合角度θ；所述的尾纤夹具还开有两个光纤槽a,b，两个光纤槽的中心轴线位于安装面a的延伸面内，且两个光纤槽的中心轴线均垂直于基准面；
将空芯光子带隙光纤环两尾纤的涂覆层剥除并分别插入所述的尾纤夹具的两个光纤槽，当尾纤的端面距离安装面b的距离为间距Δ时，将尾纤与尾纤夹具固定；将尾纤夹具的两个安装面贴合到集成光学芯片上，调节尾纤夹具的位置，当探测到集成光学芯片的输出光功率最大时，固定尾纤夹具位置，并在尾纤夹具与集成光学芯片的接触面上涂满密封胶；所述的间距Δ是指当空芯光子带隙光纤环与集成光学芯片进行耦合时，耦合端面之间的间距。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的尾纤夹具的外型为一个开有缺口的圆柱体，缺口位于圆柱体的前端面处，缺口所形成的两个面为安装面a,b，在缺口处挖出一段圆柱腔，圆柱腔与圆柱体同轴，标记靠近前端面的圆柱腔的一面为夹具内表面，圆柱腔内与夹具内表面相对的一面为光纤槽顶端面；光纤槽顶端面距离安装面b的距离要大于耦合间距Δ；光纤槽a和光纤槽b贯穿圆柱体的后端面和光纤槽顶端面；夹具内表面和夹具前端面的斜面角度都是最佳耦合角度。


3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的集成光学芯片的端面具有10°的斜面角度。


4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的尾纤夹具具有中空的内部，空芯光子带隙光纤环两尾纤插入光纤槽后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凝芳，何程，徐小斌，刘嘉琪，高福宇，朱云浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11