本发明专利技术公开了一种基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，包括第一保偏光纤、第二保偏光纤、倒装键合铌酸锂波导耦合器和空芯光子晶体光纤环，其中：所述的第一保偏光纤和第二保偏光纤，用于传输光波并稳定其偏振态，所述第一保偏光纤和第二保偏光纤分别与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器两端对接集成；所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器，用于将接收光信号按预定比例分光并实现光信号在谐振腔中单偏振运行；所述的空芯光子晶体光纤环两端与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器两端对接，形成空芯光子晶体光纤谐振腔。本发明专利技术有助于提高光纤陀螺的稳定性和灵敏度，且无偏振噪声。且无偏振噪声。
【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔
[0001]本申请涉及集成光学和惯性传感
，尤其涉及一种基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔。
技术介绍
[0002]谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,RFOG)通过检测光纤谐振环中顺逆两个方向的谐振频率差来测量角速度。在同等精度下，RFOG所需光纤长度相较于干涉式光纤陀螺可以缩短1
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2个数量级。在集成化、小型化、高精度等方面具有优势，是陀螺领域重要的发展方向。
[0003]光纤谐振腔是RFOG的核心敏感单元，其性能直接影响陀螺精度。目前谐振腔多采用传统的实芯光纤绕制，环境温度适应性差，寄生噪声较大，限制了RFOG的实用化。相比之下，空芯光子晶体光纤(Hollow Core Photonic Crystal Fiber,HCPCF)具有更优良的性能，HCPCF利用周期性结构使得传播光束95％以上的能量位于中央空气中，可大大降低克尔效应、温度效应等寄生误差，并且其弯曲损耗小，有利于小型化。但由于缺少成熟的空芯光子晶体光纤耦合器，限制了RFOG中HCPCF的应用。目前已有研究人员对该问题提出了相应的解决方法，如专利(CN202010662325.1)中提出使用硅基耦合组件，利用空间光耦合的形式进行HCPCF谐振腔的搭建，但由于其耦合组件由多个分立部件组成，后续的装配工艺较为复杂。此外，有研究者将HCPCF与现有的光纤耦合器尾纤熔接得到的光纤谐振腔不仅损耗大，且无法避免熔接点引入的噪声误差。
[0004]采用多功能集成光学器件很早就被认为是研制光纤陀螺的一种有效途径，其中最典型的就是集成光学调制器(Y波导)的应用，它采用退火质子交换工艺，在铌酸锂(LiNbO3)晶体上集成了高于50dB消光比的起偏器、Y型分束器和两个相位调制器，以其极低的传输损耗、优良的电光调制特性，完美的实现了光纤陀螺仪所需的分束器、起偏器和调制器三种功能。因此应用退火质子交换铌酸锂波导制备光纤谐振腔的耦合器部分，并将光纤与波导直接对准耦合，搭建光纤谐振腔，可以实现谐振腔集成小型化、高消光比腔内起偏，低损耗传输等目的。但该方案仍存在以下两个难点：第一，铌酸锂波导出射的光斑模场不是对称分布，造成其与光纤匹配时耦合损耗较大，约在1dB左右，这限制了RFOG的探测灵敏度；第二，空芯光纤与波导对准耦合时，由于空芯光纤的中心为空气介质，直接在空芯光纤与波导接触面添加胶水固化，容易污染空芯光纤，导致空芯光纤出光不正常，无法有效进行角速度测量。
技术实现思路
[0005]针对现有空芯光子晶体光纤谐振腔的难点，本专利技术的目的是提供一种基于倒装键合铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，旨在解决现有空芯光子晶体光纤谐振腔装配工艺复杂，集成程度低，谐振性能较差，密封稳定性欠佳的问题。
[0006]根据本申请实施例，提供一种基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振
腔，包括第一保偏光纤、第二保偏光纤、倒装键合铌酸锂波导耦合器和空芯光子晶体光纤环，其中：
[0007]所述的第一保偏光纤和第二保偏光纤，用于传输光波并稳定其偏振态，所述第一保偏光纤和第二保偏光纤分别与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器两端对接集成；
[0008]所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器，用于将接收光信号按预定比例分光并实现光信号在谐振腔中单偏振运行；
[0009]所述的空芯光子晶体光纤环两端与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器两端对接，形成空芯光子晶体光纤谐振腔。
[0010]可选的，所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器包括光纤固定槽、键合对准标记、第一铌酸锂波导和第二铌酸锂波导，
[0011]所述第一铌酸锂波导与第二铌酸锂波导中部互相平行形成耦合区，所述第一铌酸锂波导与第二铌酸锂波导两端分别与光纤固定槽连接；
[0012]所述光纤固定槽用于与所述第一保偏光纤、第二保偏光纤和空芯光子晶体光纤环连接。
[0013]所述键合对准标记对称分布于所述第一铌酸锂波导和第二铌酸锂波导的端部附近，并与所述第一铌酸锂波导和第二铌酸锂波导间隔大于100μm。
[0014]可选的，所述光纤固定槽是由刻蚀的“V”型槽经倒装键合工艺后，对准闭合形成的菱形密封固定槽。
[0015]可选的，所述键合对准标记通过退火质子交换工艺制备，用于倒装键合时光波导芯片的精确对准。
[0016]可选的，所述第一铌酸锂波导、第二铌酸锂波导为倒装键合后合二为一的铌酸锂波导耦合器两个分支。
[0017]可选的，所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器的制备过程为：
[0018](1)、使用退火质子交换工艺在硅基铌酸锂薄膜上制备铌酸锂波导和键合标记；
[0019](2)、基于相同参数，在另一片硅基铌酸锂薄膜上制备铌酸锂波导和键合标记；
[0020](3)、通过刻蚀工艺在硅基铌酸锂薄膜上制备“V”型槽；
[0021](4)、通过化学机械抛光工艺将刻蚀后的硅基铌酸锂薄膜进行抛光，磨去表面一定厚度的质子交换区；
[0022](5)、将铌酸锂波导与倒装后的另一片铌酸锂波导通过键合对准标记对准后键合成为第一铌酸锂波导和第二铌酸锂波导。
[0023]可选的，所述的硅基铌酸锂薄膜从底向上依次为硅衬底，铌酸锂薄膜层；所述的硅衬底厚度为1mm，所述铌酸锂薄膜层厚度为15～20μm。
[0024]可选的，所述的所述第一保偏光纤、第二保偏光纤为慢轴输入，与第一铌酸锂波导和第二铌酸锂波导起偏轴向保持一致。
[0025]可选的，所述的第一保偏光纤、第二保偏光纤和空芯光子晶体光纤环通过对准放入光纤固定槽中与波导端面耦合，并与光纤固定槽边缘通过光学紫外胶粘接，起到固定、密封保护空芯光子晶体光纤和保偏光纤的作用。
[0026]可选的，光波在空芯光子晶体光纤谐振腔中的传输过程如下：
[0027]所述由第一保偏光纤输入进波导的光波定义为顺时针光波，顺时针光波由倒装键
合铌酸锂波导耦合器a端输入后，一部分光由倒装键合铌酸锂波导耦合器b端输出，其余光波耦合进入第二铌酸锂波导中，开始在谐振腔中运行，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器d端进入空芯光子晶体光纤环；光波在空芯光子晶体光纤环中传输，输入倒装键合铌酸锂波导耦合器c端后，一部分光波经耦合进入第一铌酸锂波导中，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器b端，由第二保偏光纤输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；
[0028]由第二保偏光纤输入进波导的光波定义为逆时针光波，逆时针光波由倒装键合铌酸锂波导耦合器b端输入后，一部分光由倒装键合铌酸锂波导耦合器a端输出，其余光波耦合进入第二铌酸锂波导中，开始在谐振腔中运行，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器c端进入空芯光子晶体光纤环；光波在空芯光子晶体光纤环中传输，输入倒装键合铌酸锂波导耦合器d端后，一部分光波经耦合进入第一铌酸锂波导中，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器a端，由第一保偏光纤输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输。
[0029]本申本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，包括第一保偏光纤(1)、第二保偏光纤(2)、倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)和空芯光子晶体光纤环(4)，其中：所述的第一保偏光纤(1)和第二保偏光纤(2)，用于传输光波并稳定其偏振态，所述第一保偏光纤(1)和第二保偏光纤(2)分别与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)两端对接集成；所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)，用于将接收光信号按预定比例分光并实现光信号在谐振腔中单偏振运行；所述的空芯光子晶体光纤环(4)两端与所述倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)两端对接，形成空芯光子晶体光纤谐振腔。2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)包括光纤固定槽(5)、键合对准标记(6)、第一铌酸锂波导(7)和第二铌酸锂波导(8)，所述第一铌酸锂波导(7)与第二铌酸锂波导(8)中部互相平行形成耦合区，所述第一铌酸锂波导(7)与第二铌酸锂波导(8)两端分别与光纤固定槽(5)连接；所述光纤固定槽(5)用于与所述第一保偏光纤(1)、第二保偏光纤(2)和空芯光子晶体光纤环(4)连接；所述键合对准标记(6)对称分布于所述第一铌酸锂波导(7)和第二铌酸锂波导(8)的端部附近，并与所述第一铌酸锂波导(7)和第二铌酸锂波导(8)间隔大于100μm。3.根据权利要求2所述的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，所述光纤固定槽(5)是由刻蚀的“V”型槽(51，52)经倒装键合工艺后，对准闭合形成的菱形密封固定槽。4.根据权利要求2所述的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，所述键合对准标记(6)通过退火质子交换工艺制备，用于倒装键合时光波导芯片的精确对准。5.根据权利要求2所述的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，所述第一铌酸锂波导(7)、第二铌酸锂波导(8)为倒装键合后合二为一的铌酸锂波导耦合器两个分支。6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔，其特征在于，所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器(3)的制备过程为：(1)、使用退火质子交换工艺在硅基铌酸锂薄膜(31)上制备铌酸锂波导(71，81)和键合标记(61)；(2)、基于相同参数，在另一片硅基铌酸锂薄膜(32)上制备铌酸锂波导(72，82)和键合标记(62)；(3)、通过刻蚀工艺在硅基铌酸锂薄膜(31，32)上制备“V”型槽(51，52)；(4)、通过化学机械抛光工艺将刻蚀后的硅基铌酸锂薄膜(31，32...
【专利技术属性】
技术研发人员：佘玄，申河良，毕然，范文，陈侃，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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