专利名称：全光纤绕环调相器及其加工方法
技术领域：
本发明涉及一种全光纤绕环调相器及其加工方法。
背景技术：
目前，光调相器一般有LiNbO3晶体调相器和压电陶瓷调相器。LiNbO3晶体的电光系数很大，但它与光纤的耦合损耗也较大，同时在耦合过程中存在一定的背向散射和背向反射，限制了它在某些特殊场合的应用。对于压电陶瓷调相器，虽然耦合损耗和耦合时产生的背向散射和背向反射比较小，但它的带宽非常窄，无法用直流电压驱动。因而目前还没有一种线性，带宽都极其优良的，以直流或低频电压驱动的全光纤相位调制器，这大大限制了全光纤干涉型光纤陀螺的实现与应用。
构成光纤的材料是SiO2，是具有中心反演对称的晶体，因而通常不显示二阶非线性效应。通过对光纤材料进行极化处理，包括热极化、紫外极化、电弧极化、电子植入极化及质子轰击等一系列极化手段，虽然能够使材料显示出二阶非线性效应，但是都非常小。具体可参见以下文献(1)P.G.Kazasky，P.St.J.Russell，L.Dong，and C.N.Pannell，“Pockels effect in thermally poled silica optical fibers，”Electron.Lett.，vol.31，pp.62-63，1995；(2)X.-C.Long and S.R.J.Brueck，“Large-SignalPhase Retardation with a Poled Electrooptic Fiber，”IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，VOL.9，NO.6，JUNE 1997；(3)T.Fujiwara，D.Wong，Y.Zhao，S.Fleming，S.Poole，and M.Sceats，“Electrooptic modulation in germanosilicatefiber with UV-excited poling，”Electron.Lett.，vol.31，pp.573-575，1995；(4)P.G.Kazansky，A.Kamal，and P.St.J.Russell，“High second-order nonlinearities induced inlead silicate glass by electron-beam irradiation，”OPTICS LETTERS，Vol.18，No.9。通常的处理方法是将一段几个厘米到十几厘米的光纤去包层，两面抛，到剩下部分厚度达到十几微米，然后进行加温加电压极化得到二阶非线性。但得到的二阶非线性非常小，在10厘米左右的距离上通常不能实现所需要的π弧度相位调制，而制作更长的一段光纤实现上又非常困难甚至不可能。
发明内容
针对上述现有的调相器所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可将入射光的相位在0-π的范围内进行调制、输出耦合损失小、加工方便、成本低廉、具有优良带宽性能的全光纤绕环调相器及其加工方法。
本发明是这样实现的一种全光纤绕环调相器，包括有电极棒、紧密缠绕于所述电极棒上的去皮光纤，所述光纤与所述电极棒通过环氧树脂粘牢，所述光纤外包层被腐蚀，使外包层与光芯距离足够小，并于所述光纤表面镀上一层电极，在该光纤电极与所述电极棒上的电极之间通高压加高温使所述光纤极化。
进一步地，所述电极棒具体为绝缘材料的圆柱形棒，经表面打磨、抛光处理后再均匀镀上一层电极后制得。
进一步地，所述绝缘材料为陶瓷。
进一步地，所述光纤为单模光纤。
一种前述全光纤绕环调相器的加工方法，包括以下步骤，1)将圆柱形绝缘材料棒的表面进行打磨、抛光处理，然后均匀地镀上一层电极，形成电极棒；2)将光纤去皮，然后在电极棒上涂上环氧树脂，再将光纤紧密缠绕在电极棒上；3)再在光纤的缝隙和绝缘材料棒表面裸露电极的部分涂上环氧树脂，以保护电极和电极棒；4)将步骤2)、3)中制得的绝缘材料棒浸入预先配置好的HF酸和NH4F的混合液中进行腐蚀，将光纤的外包层腐蚀掉50-60微米，以腐蚀不到光芯为准；5)将步骤4)的光纤表面镀电极；6)在电极棒电极与光纤电极之间加高电压，使环氧树脂上的电场保持在10千伏特每毫米至20千伏特每毫米范围，以不击穿环氧树脂为准，然后升高温度到300摄氏度，保持20至30分钟，然后降温到室温，再撤掉电压，这样，光纤便显示出二阶非线性效应。
进一步地，所述绝缘材料为陶瓷。
进一步地，所述HF酸和NH4F的混合液的HF酸与NH4F溶液的体积比为6∶1，其中，氟化铵浓度40％，氢氟酸浓度49％。
进一步地，所述光纤为单模光纤。
本发明通过将光纤紧密缠绕于电极棒上，然后再将光纤包层腐蚀，再在光纤表面镀上电极，并在两电极之间通高电压并加温将光纤极化，这样，即可使光纤显示出二阶非线性效应；虽然非常小，但由于本发明可加工比较长的极化光纤，因此同样可保证0-π的相位调制要求。
本发明是全光纤的，这样，本发明就非常容易和其他光纤部分熔接在一起。连接部分的反射，散射和损耗小，这对于一些特殊的应用，比方光纤陀螺非常有意义。另外，本发明通过绕环方法制造的。因为采用绕环方法，所以光纤可以做得很长，光纤的电光系数即使小一些，也能达到0-π的相位调制要求，因为光纤长，调相器长，可以补偿不足。本发明加工简单、成本低并可批量生产。
下面结合附图，对本发明作出详细描述。
图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明光纤镀电极前剖视示意图；图3为本发明的剖视示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明首先在绝缘圆柱形棒外表面镀上电极，在电极棒外表面涂上环氧树脂，并直接将光纤缠绕在电极棒上，将光纤外包层腐蚀掉，然后再在光纤外表面镀电极，再在两电极之间加高电压加高温，将光纤极化即可。
本发明的加工过程分为两大步，第一步是制作光纤绕环，镀电极，具体如下1)选择一个绝缘材料的圆柱形棒，长度3-4cm，直径2-3cm，材料最好为陶瓷。将圆柱形棒的表面进行打磨、抛光处理，然后均匀的镀上一层电极(内电极)，形成电极棒，并留出引线。
2)将一根长约3-5m的单模光纤去皮，用环氧树脂在电极棒的表面涂覆，然后紧密缠绕在电极棒上。利用环氧树脂可将光纤粘牢。如图1所示。
3)在光纤的缝隙和圆柱表面裸露电极部分都涂上环氧树脂，以保护好电极。如图2所示，为加工到现在的调相器的剖面图。其中中心处为圆柱棒1，其外层依次是为内电极2、光纤芯区3、环氧树脂层和光纤包层4。
4)将光纤绕环浸入预先配置好的HF酸和NH4F的混合液中进行腐蚀，以使光纤包层尽量薄。腐蚀的具体时间根据HF酸与NH4F的比率、浓度以及温度来确定，本发明实际加工时可以腐蚀一段时间测量一下腐蚀量来确定腐蚀速度，以估计所需的腐蚀时间。腐蚀只要不破坏光纤的芯径即可。如果光纤的芯径受到破坏，将造成大的传输损耗。腐蚀后经过清洗即可取出。由于光纤为二氧化硅，因此选用氢氟酸会和二氧化硅会发生化学反应，从而生成氟化硅和水，氟化硅是气体。从而导致二氧化硅的腐蚀脱落，达到蚀刻的目的。至于加入氟化铵，主要是为了控制腐蚀速度。这是由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速度相当高，在制造过程中很难控制，因此本发明可用稀释后的氢氟酸溶液，或是添加氟化铵作为缓冲剂的混合液，来进行二氧化硅的蚀刻，这也是业内常用方法之一。另外，氟化铵的加入也可避免氟化物离子的消耗，以保持稳定的时刻速率。
本发明典型的缓冲氧化硅腐蚀液是由体积比6∶1的氟化铵与氢氟酸配成。氟化铵浓度为40％，氢氟酸浓度为49％，这时的腐蚀速率约为1000A/min。1000埃每分钟，也就是1微米每分钟。这个速度是相当块的，以本发明为例，需要腐蚀的厚度约为50-60微米。如果以该速度，1个小时左右的腐蚀时间就够了。另外，腐蚀时间也和光纤的纯度和制造工艺有关系，不同厂家的产品将会略有差异。腐蚀时的温度为室温。如图3所示，腐蚀后的外包层约为10微米，比图2薄了很多。
5)对腐蚀的光纤部分进行蒸镀电极，如图3所示，形成外电极5。
这样，本发明光纤绕环制作工作完成，再对上述光纤绕环进行极化处理即可，具体如下本发明采用真空极化方法进行极化，因为真空极化可以有效地避免电压击穿，大大提高成品率。一般而言，本发明的极化电压越高越好，因为极化电压越高，所得到的光纤的二阶非线性效应就越大，即电光效应就越大。电光效应的大小与极化电压的平方成正比。所以本发明希望的极化电压尽可能的高。但是这个电压受到极化层的击穿电压的限制，超过这个电压将会导致击穿。对于环氧树脂而言，击穿电场为约10千伏特每毫米至20千伏特每毫米之间。具体要根据不同的环氧树脂而确定，极化时所加的电压不超过环氧树脂的击穿电压就可以。极化过程是首先升高温度到300摄氏度左右，然后加电压，保持20至30分钟，然后降温到室温，再撤掉电压，这样，光纤便显示出光电效应。
权利要求
1.一种全光纤绕环调相器，包括有电极棒、紧密缠绕于所述电极棒上的去皮光纤，所述光纤与所述电极棒通过环氧树脂粘牢，其特征在于，所述光纤外包层被腐蚀，使外包层与光芯距离足够小，并于所述光纤表面镀上一层电极，在该光纤电极与所述电极棒上的电极之间通高压使所述光纤极化。
2.如权利要求1所述的全光纤绕环调相器，其特征在于，所述电极棒具体为绝缘材料的圆柱形棒，经表面打磨、抛光处理后再均匀镀上一层电极后制得。
3.如权利要求2所述的全光纤绕环调相器，其特征在于，所述绝缘材料为陶瓷。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的全光纤绕环调相器，其特征在于，所述光纤为单模光纤。
5.一种权利要求1所述全光纤绕环调相器的加工方法，包括以下步骤，1)将圆柱形绝缘材料棒的表面进行打磨、抛光处理，然后均匀地镀上一层电极，形成电极棒；2)将光纤去皮，然后在电极棒上涂上环氧树脂，再将光纤紧密缠绕在电极棒上；3)再在光纤的缝隙和绝缘材料棒表面裸露电极的部分涂上环氧树脂，以保护电极；4)将步骤3)中制得的绝缘材料棒浸入预先配置好的HF酸和NH4F的混合液中进行腐蚀，将光纤的外包层腐蚀掉50-60微米，以腐蚀不到光芯为准；5)将步骤4)的光纤表面镀电极；6)在电极棒电极与光纤电极之间加高电压，使环氧树脂上的电场保持在10千伏特每毫米至20千伏特每毫米范围，以不击穿环氧树脂为准，然后升高温度到300摄氏度，保持20至30分钟，然后降温到室温，再撤掉电压，这样，光纤便显示出二阶非线性。
6.如权利要求5所述的全光纤绕环调相器的加工方法，其特征在于，所述绝缘材料为陶瓷。
7.如权利要求5所述的全光纤绕环调相器的加工方法，其特征在于，所述HF酸和NH4F的混合液的HF酸与NH4F溶液的体积比为6∶1，其中，氟化铵浓度40％，氢氟酸浓度49％。
8.如权利要求5或6所述的所述的全光纤绕环调相器的加工方法，其特征在于，所述光纤为单模光纤。
全文摘要
一种全光纤绕环调相器，包括有电极棒、紧密缠绕于电极棒上的去皮光纤，光纤与电极棒通过环氧树脂粘牢，光纤外包层被腐蚀，使外包层与光芯距离足够小，并于光纤表面镀上一层电极，在该光纤电极与电极棒上的电极之间通高压加高温使光纤极化。本发明是全光纤的，就非常容易和其他光纤部分熔接在一起。连接部分的反射，散射和损耗小，这对于光纤陀螺等非常有意义。另外，本发明通过绕环方法制造的。因为采用绕环方法，所以光纤可以做得很长，光纤的电光系数即使小一些，也能达到0－π的相位调制要求，因为光纤长，调相器长，可以补偿不足。本发明加工简单、成本低并可批量生产。
文档编号G02F1/035GK1725063SQ20041000963
公开日2006年1月25日 申请日期2004年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者伍刚, 王子宇 申请人:北京大学