一种光子晶体光纤磨抛工艺方法
【专利摘要】本发明公开了一种光子晶体光纤磨抛工艺方法包括：光子晶体尾纤磨抛前准备；光子晶体尾纤的装卡；光子晶体光纤端面的粗磨；光子晶体光纤端面的细磨；光子晶体光纤端面的精磨；光子晶体光纤端面的抛光；光纤端面检查。由于本发明中的磨抛工艺方法采用湿法腐蚀光刻工艺或划切工艺在光纤固定块上形成V型槽以及在常规光子晶体端面磨抛基础上引入了光子晶体光纤端面的抛光平面为与光纤横截面成一定角度的CMP技术，采用该工艺方法制备的光子晶体光纤能够确保尾纤具有较小的损耗，可用于全内反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤端面角度的磨抛。
【专利说明】一种光子晶体光纤磨抛工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成光学器件【技术领域】，具体地，涉及一种光子晶体光纤的磨抛工艺方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体光纤为包层具有周期性排列的空气孔的光纤,又称微结构光纤或多孔光纤。其可分为全内反射型和光子带隙型两种。由于光子晶体光纤的特殊结构和导光机理，使得其具有以往传统的纤芯或包层结构光纤没有的高耦合效率、低弯曲损耗、低非线性、低色散性以及高双折射性的特点。
[0003]随着光纤通信和光纤传感技术的迅猛发展，集成光学器件对系统和元器件的作用越发重要。尾纤作为集成光学器件的关键组成部件之一，发挥着独特的作用，由于尾纤体积小、重量轻、消光比高、与集成光学系统的兼容性强，因而备受青睐。集成光学器件作为重要的无源器件，在光纤通信和光纤传感等领域应用极广，如光纤陀螺、光纤调制器、光纤电流传感器、光纤水听器以及相干式光纤通信系统等。
[0004]目前，尾纤制备中用于固定光纤的光纤固定块为U型槽结构，该结构的固定块加工难度较大，并且采用该结构的光纤固定块制备成的尾纤的偏振串音(简称为消光比)比较小。同时尾纤的光学性能随温度的变化发生较大的波动，导致采用该种光子晶体尾纤制成的集成光学器件的温度稳定性能较差。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种光子晶体光纤的磨抛工艺方法。该方法通过设计光纤固定块的V型槽结构实现光子晶体光纤与光纤固定块的固定，进而实现了光子晶体尾纤的制备。同时采用CMP技术实现了对光子晶体光纤端面一定角度的磨抛。
[0006]本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括:
[0007]—种光子晶体光纤磨抛工艺方法，包括以下步骤:
[0008]S1、光子晶体尾纤磨抛前准备
[0009]在单晶硅晶圆的表面形成用于支承并粘结固定光纤的V型槽，该具有V型槽的单晶硅晶圆作为光子晶体光纤固定用的光纤固定块；将经剥除表面涂覆层的光子晶体光纤清洗、切端头后装入光纤定轴用的卡具中；将光纤固定块的V型槽内涂上一定量的粘胶，然后，将光子晶体光纤放入该V型槽，通过定轴用的卡具调整光子晶体光纤，使其慢轴或快轴与V型槽的底面成一定角度，调整到位后，将光子晶体光纤粘结固定在光纤固定块上，由光纤和光纤固定块粘结构成的组件称为光子晶体尾纤；
[0010]S2、光子晶体尾纤的装卡
[0011]将光子晶体尾纤装卡在尾纤磨抛卡具上，用具有一定气体压力的气体保持光子晶体光纤的空气微孔的通畅；[0012]S3、光子晶体光纤端面的粗磨
[0013]将用粒度在8-40微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将安装有光子晶体尾纤的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨；
[0014]S4、光子晶体光纤端面的细磨
[0015]将用粒度在3-8微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将前述的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨；
[0016]S5、光子晶体光纤端面的精磨
[0017]将用粒度在0.2-1微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将前述的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨；
[0018]S6、光子晶体光纤端面的抛光
[0019]将装有抛光液的抛光液盒放到研磨机上，设定抛光液的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将尾纤磨抛卡具设定到一定抛光压力后放到研磨机的抛光盘上；设定抛光盘的抛光转速在5-60转/分的范围内；然后对光子晶体尾纤端面进行抛光，同时监控光子晶体尾纤端面的抛光长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的抛光速率，当计算得到的抛光速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行抛光；
[0020]S7、光纤端面检查
[0021]检查抛光后的光子晶体光纤端面的抛光效果，如符合要求则结束磨抛；如不符合要求，继续步骤S6，直至光子晶体光纤端面的抛光效果符合要求。
[0022]优选地，在所述步骤SI中，通过湿法腐蚀光刻工艺或划片机划切的方式在单晶硅晶圆的表面形成V型槽。
[0023]优选地，在所述步骤SI中，V型槽内所涂的粘胶可为聚氨酯型胶黏剂、环氧树脂型胶黏剂、丙烯酸型紫外固化型胶黏剂、环氧-丙烯酸型紫外固化型胶黏剂、或有机硅型固化胶黏剂。
[0024]优选地，在所述步骤S2中，用具有一定气体压力的气体保持光子晶体光纤的空气微孔的通畅通过以下方式实现:将光子晶体光纤的未被光纤固定块固定的一端密封固定在带有减压阀的气瓶的出气管路中，使得自气瓶输出的高压气体经减压阀减压后进入光子晶体光纤的空气微孔中，以保持空气微孔的通畅。
[0025]优选地，在所述步骤S2中，使用的气体可为氩气、二氧化碳、或氮气。
[0026]优选地，在所述步骤S3-S5中采用的微粉的类型可为金刚石微粉、碳化硅微粉、氧化铝微粉、氧化铈微粉、或二氧化硅微粉。
[0027]优选地，在所述步骤S3-S5中，使用的研磨浆料的磨料浓度范围(重量百分比)可为
1-80%ο
[0028]优选地，在所述步骤S6中采用的抛光液的主要成分可为金刚石微粉、碳化硅微粉、氧化铝微粉、氧化铈微粉、或二氧化硅微粉。
[0029]优选地，在所述步骤S6中，抛光液的质量百分比浓度为1_90%。
[0030]与现有技术相比，根据本发明的光子晶体光纤磨抛工艺方法具有有益的技术效果:
[0031](I)本发明通过设计和规范光子晶体光纤与光纤固定块的固定方法，包括采用湿法腐蚀光刻工艺或划切工艺在光纤固定块上形成V型槽，该V型槽结构制备工艺具有加工精度高和工艺一致性好等特点，并且采用该V型槽结构的光纤固定块与光子晶体光纤固定后制备的光子晶体尾纤具有尾纤偏振串音高、尾纤的光学性能随温度变化波动小的优点，因此采用本工艺方法制备的光子晶体尾纤耦合制成的集成光学器件的温度稳定性能较好。同时，在光子晶体光纤与光纤固定块固定的过程中，可以有效地实现对光子晶体光纤的快轴或慢轴在光纤固定块V型槽内角度的调节。
[0032](2)通过更换具有不同角度基准块的磨抛夹持卡具，可以有效地实现光子晶体光纤端面一定角度的磨抛。
[0033](3)本发明通过采用CMP (化学机械磨抛)技术，即通过步骤S3-S5的磨抛工艺，可以实现对光子晶体光纤的磨抛端面整体纳米级表面粗糙度的制备。
[0034](4)本发明的光子晶体光纤端面磨抛制备方法，可用于全内反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤端面角度的磨抛。
【专利附图】
【附图说明】:
[0035]图1是根据本发明的光子晶体光纤的端面示意图；
[0036]图2是根据本发明的光纤固定块的示意图；
[0037]图3是根据本发明的光子晶体尾纤的示意图:
[0038]图4是根据本发明的光子晶体光纤磨抛工艺方法的流程示意图；
[0039]图5是根据本发明的光子晶体尾纤的磨抛示意图；
[0040]图6是根据本发明的光纤端面粗糙表面对光线反射产生的光程差的示意图；
[0041]图7是根据本发明的光子晶体光纤磨抛工艺方法中采用的通气装置的示意图。
【具体实施方式】
[0042]根据本发明的方法基于以下基本原理:
[0043]光子晶体光纤的主要成分是二氧化硅，属于硬脆性材料。加工时，材料去除机理一般为脆性断裂，如果不采取合适的措施，加工过程中就不可避免地在加工端面上产生大量的微裂纹(主要是在光子晶体光纤的空气孔洞边沿位置)。光纤端面研磨，即对脆性材料进行磨削和研磨抛光。加工时，只要磨料粒度的切削深度小于与被加工材料性能相关的某临界值，脆性材料就会以塑性断裂的方式去除，从而可获得较高表面粗糙度的光纤端面。
[0044]采用显微压痕法建立磨削光纤材料时实现脆性转变为塑性断裂的方式的条件，SP单个磨粒的切削深度应小于脆性材料的临界切削深度，临界切削深度的表达式如下面的公式(I):
【权利要求】
1.一种光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，包括以下步骤: S1、光子晶体尾纤磨抛前准备 在单晶硅晶圆的表面形成用于支承并粘结固定光纤的V型槽，该具有V型槽的单晶硅晶圆作为光子晶体光纤固定用的光纤固定块；将经剥除表面涂覆层的光子晶体光纤清洗、切端头后装入光纤定轴用的卡具中；将光纤固定块的V型槽内涂上一定量的粘胶，然后，将光子晶体光纤放入该V型槽，通过定轴用的卡具调整光子晶体光纤，使其慢轴或快轴与V型槽的底面成一定角度，调整到位后，将光子晶体光纤粘结固定在光纤固定块上，由光纤和光纤固定块粘结构成的组件称为光子晶体尾纤； S2、光子晶体尾纤的装卡 将光子晶体尾纤装卡在尾纤磨抛卡具上，用具有一定气体压力的气体保持光子晶体光纤的空气微孔的通畅； S3、光子晶体光纤端面的粗磨 将用粒度在8-40微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将安装有光子晶体尾纤的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨； S4、光子晶体光纤端面的细磨 将用粒度在3-8微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将前述的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨； S5、光子晶体光纤端面的精磨 将用粒度在0.2-1微米的微粉和水配制成的研磨浆料装入研磨料筒内，并将研磨料筒放到研磨机的浆料分散装置上，使研磨料筒滚动从而使其内部的研磨浆料分散均匀；设定研磨浆料的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将前述的尾纤磨抛卡具设定到一定的研磨压力后放到研磨机的研磨盘上；设定研磨盘的研磨转速在5-60转/分的范围内；然后，对光子晶体尾纤的端面进行研磨，同时，监控光子晶体尾纤端面的研磨长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的研磨速率，当计算得到的研磨速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行研磨； S6、光子晶体光纤端面的抛光 将装有抛光液的抛光液盒放到研磨机上，设定抛光液的滴出速度在5-100滴/分的范围内；将尾纤磨抛卡具设定到一定抛光压力后放到研磨机的抛光盘上；设定抛光盘的抛光转速在5-60转/分的范围内；然后对光子晶体尾纤端面进行抛光，同时监控光子晶体尾纤端面的抛光长度和时间，并据以计算光子晶体光纤的抛光速率，当计算得到的抛光速率在0.1-30微米/分的范围内时，在此速率下对光子晶体尾纤的整个端面进行抛光； S7、光纤端面检查 检查抛光后的光子晶体光纤端面的抛光效果，如符合要求则结束磨抛；如不符合要求，继续步骤S6，直至光子晶体光纤端面的抛光效果符合要求。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤SI中，通过湿法腐蚀光刻工艺或划片机划切的方式在单晶硅晶圆的表面形成V型槽。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤SI中，V型槽内所涂的粘胶可为聚氨酯型胶黏剂、环氧树脂型胶黏剂、丙烯酸型紫外固化型胶黏剂、环氧-丙烯酸型紫外固化型胶黏剂、或有机硅型固化胶黏剂。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S2中，用具有一定气体压力的气体保持光子晶体光纤的空气微孔的通畅通过以下方式实现:将光子晶体光纤的未被光纤固定块固定的一端密封固定在带有减压阀的气瓶的出气管路中，使得自气瓶输出的高压气体经减压阀减压后进入光子晶体光纤的空气微孔中，以保持空气微孔的通畅。
5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S2中，使用的气体可为氩气、二氧化碳、或氮气。
6.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S3-S5中采用的微粉的类型可为金刚石微粉、碳化硅微粉、氧化铝微粉、氧化铈微粉、或二氧化硅微粉。
7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S3-S5中，使用的研磨浆料的磨料浓度范围(重量百分比)可为1_80%。
8.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S6中采用的抛光液的主要成分可为金刚石微粉、碳化硅微粉、氧化铝微粉、氧化铈微粉、或二氧化硅微粉。
9.根据权利要求1所述的光子晶体光纤磨抛工艺方法，其特征在于，在所述步骤S6中，抛光液的质量百分比浓度为1_90%。
【文档编号】G02B6/25GK103792619SQ201410023312
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】宋武, 汪飞琴, 黄韬, 郑国康, 李晶 申请人:北京航天时代光电科技有限公司