一种用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法与流程

本发明涉及微结构光纤研磨工艺技术领域，尤其涉及一种用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法。

背景技术：

光纤陀螺是一种利用萨格纳克(Sagnac)效应制成的光纤角速度传感器，其拥有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、精度高、体积小等优点，在航空、航天、航海等军事和民用领域发挥了重要的作用。

光纤陀螺的五大光学组成部件为宽谱光源、光纤耦合器、集成光学调制器、探测器和光纤环。集成光学调制器1与光纤环2之间连接有两种方式，如图1a和图1b所示：一种是集成光学调制器尾纤端子3与光纤环2的尾纤熔接，形成光纤尾纤熔点4，如图1a所示；另一种是集成光学调制器1的芯片与光纤环尾纤端子5直接耦合连接，如图1b所示。

光纤陀螺中的光纤环作为光波的传输介质，其性能很大程度上决定了光纤陀螺的稳定性和可靠性。传统的光纤陀螺的光纤环使用的是熊猫型保偏光纤，它使得入射光在光纤中偏振方向保持不变以降低偏振非互易误差。随着光纤陀螺应用领域与需求的不断扩大，熊猫型保偏光纤的性能已不能完全满足应用需求，特别是光纤陀螺对空间辐照以及温度敏感性等的需求，因此，需要寻找精度更高、抗干扰能力更强的光纤代替熊猫型保偏光纤。光子晶体光纤具有受温度影响小、抗辐射干扰能力强等重要应用特点，同时实芯光子晶体光纤的拉制工艺已较为成熟，因此使用实芯光子晶体光纤代替熊猫型保偏光纤的方案逐渐成为研究热点。

使用实芯光子晶体光纤环代替熊猫型保偏光纤环的过程中存在着许多问题。目前光纤陀螺中集成光学调制器的尾纤为熊猫型保偏光纤，熊猫型保偏光纤环的尾纤也为熊猫型保偏光纤，集成光学调制器尾纤与熊猫型保偏光纤环尾纤采用熔接的方式连接，形成熔点，由于集成光学调制器的尾纤与熊猫型保偏光纤环的尾纤为同种类型的光纤，因此，熔接损耗、强度以及反射等性能均满足应用需求。若利用实芯光子晶体光纤代替熊猫型保偏光纤制作光纤环，如图2a和图2b所示，实芯光子晶体光纤(如图2a所示)中涂覆层6内包层7的直径与熊猫型保偏光纤(如图2b所示)中涂覆层6内包层7的直径存在差异，且二者模场失配，如果使用传统光纤熔接的方法将实芯光子晶体光纤环的尾纤与集成光学调制器的两个熊猫型保偏光纤的尾纤进行熔接，会使得熔点损耗和强度均不及两根熊猫型保偏光纤的对接，同时熔点处产生的背向散射会大大增强，从而会增大光纤陀螺的噪声水平，降低光纤陀螺的精度和稳定性。基于此，集成光学调制器芯片可以与实芯光子晶体光纤环的尾纤直接耦合连接。

在工程和应用中，将光纤与其他光学器件进行耦合连接时，为了降低插入损耗，需要保证两个接触端面具有紧密的物理接触，这对光纤的端面质量提出了很高的要求。经过普通切割后的实芯光子晶体光纤，端面平整度和光洁度不高，难以满足两个端面紧密对接的要求，因此，需要对切割后的实芯光子晶体光纤进行端面研磨和抛光处理。

由于实芯光子晶体光纤结构的特殊性，实芯光子晶体光纤不能使用传统光纤端面的处理方法进行研磨和抛光。实芯光子晶体光纤属于硬脆材料，如图2a所示，在包层7内有很多空气孔8，在传统研磨和抛光的过程中空气孔壁极易产生微裂纹，而空气中的水汽很容易进入其中，劣化光纤器件的性能甚至发生断裂。

为了实现集成光学调制器芯片与实芯光子晶体光纤环尾纤的直接耦合，解决光纤陀螺中熔点产生的背向反射等问题，设计合理的实芯光子晶体光纤端面处理方式是解决问题的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法，用以实现光纤陀螺中集成光学调制器芯片与实芯光子晶体光纤环尾纤的直接耦合。

因此，本发明提供了一种用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法，包括如下步骤：

S1：将实芯光子晶体光纤环尾纤端部的涂覆层剥除，对裸露出的裸纤进行切割，保留预设长度的裸纤；

S2：将切割后的尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量；

S3：从固化胶中取出尾纤，对吸入尾纤空气孔中的固化胶进行固化；其中，固化胶固化后的填充深度大于待研磨量；

S4：将尾纤固定在铌酸锂小块的U型凹槽中，对端面进行研磨与抛光，得到实芯光子晶体光纤环端子。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，步骤S2，将切割后的尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量，具体包括：

S20：将切割后的尾纤浸入折射率小于1.43的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，固化胶固化后的邵氏硬度大于80。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，空气孔内固化胶上升高度为h时所需的浸入时长tm为：

其中，η为固化胶的黏度，r为空气孔的半径，σ为固化胶的表面张力，θ为固化胶与空气孔壁的接触角；

固化胶固化后的填充深度lg为：

lg＝h(1-α)

其中，α为单位面积的固化深度变化系数。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，固化胶固化后的填充深度大于250μm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，浸入时长小于90s。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制作方法中，固化胶的黏度范围为3000cps～5000cps。

本发明提供的上述制作方法，在将实芯光子晶体光纤环尾纤端部的涂覆层剥除，并对裸纤进行切割之后，在对尾纤的端面进行研磨与抛光之前，将尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，使尾纤空气孔中填充有固化胶，且固化胶固化后的填充深度大于待研磨量，这样，在对尾纤的端面进行研磨与抛光时，可以避免空气孔壁产生微裂纹使得空气中的水汽进入空气孔造成实芯光子晶体光纤性能劣化甚至发生断裂的问题，从而可以利用直接耦合连接方式替代现有的熔接方式，将实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片直接连接，为高精度光子晶体光纤陀螺中实现实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片的直接耦合提供了有力支撑，进而可以解决由于集成光学调制器的熊猫型保偏光纤与实芯光子晶体光纤环的尾纤尺寸与模场失配产生的熔点性能劣化问题，可以扩展高精度光子晶体光纤陀螺在空间中的应用；并且，上述制作方法具有可靠性与普适性，不仅不影响实芯光子晶体光纤的光波传输以及实芯光子晶体光纤端面的研磨、抛光，还可以适用于不同结构设计的实芯光子晶体光纤的端面处理；此外，上述制作方法是在熊猫型保偏光纤端面处理方式的基础上进行优化，无附加工艺难度。

附图说明

图1a为集成光学调制器尾纤与光纤环尾纤采用熔接方式连接的结构示意图；

图1b为集成光学调制器芯片与光纤环尾纤采用直接对轴耦合方式连接的结构示意图；

图2a为实芯光子晶体光纤的端面结构示意图；

图2b为熊猫型保偏光纤的端面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法的流程图之一；

图4a为实芯光子晶体光纤的基模尺寸随空气孔填充的固化胶的折射率的变化曲线图；

图4b为实芯光子晶体光纤的基模限制损耗随空气孔填充的固化胶的折射率的变化曲线图；

图5a为空气孔填充的固化胶的折射率为1.41时实芯光子晶体光纤的快轴模场与集成光学调制器模场的耦合损耗理论值随集成光学调制器模场重心位置的变化曲线图；

图5b为空气孔填充的固化胶的折射率为1.41时实芯光子晶体光纤的慢轴模场与集成光学调制器模场的耦合损耗理论值随集成光学调制器模场重心位置的变化曲线图；

图6为本发明实施例提供的用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法的流程图之二；

图7为空气孔的毛细现象动力学分析示意图；

图8为实芯光子晶体光纤环尾纤空气孔填充固化胶的操作示意图；

图9为实芯光子晶体光纤环尾纤完成定轴后的显微图；

图10为实芯光子晶体光纤环尾纤端面研磨抛光后的端面显微图。

附图说明：1、集成光学调制器；2、光纤环；3、集成光学调制器尾纤端子；4、光纤尾纤熔点；5、光纤环尾纤端子；6、涂覆层；7、包层；8、空气孔；9、实芯光子晶体光纤环；10、带涂覆层的实芯光子晶体光纤；11、实芯光子晶体光纤环裸纤；12、固化胶。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

本发明实施例提供的一种用于光纤陀螺的实芯光子晶体光纤环端子的制作方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：将实芯光子晶体光纤环尾纤端部的涂覆层剥除，对裸露出的裸纤进行切割，保留预设长度的裸纤；具体地，裸纤切割后的长度根据后续步骤S4中铌酸锂小块的U型凹槽的长度确定；

S2：将切割后的尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量；具体地，二氧化硅折射率nSiO2＝1.45；

S3：从固化胶中取出尾纤，对吸入尾纤空气孔中的固化胶进行固化；其中，固化胶固化后的填充深度大于待研磨量；

S4：将尾纤固定在铌酸锂小块的U型凹槽中，对端面进行研磨与抛光，得到实芯光子晶体光纤环端子。

本发明实施例提供的上述制作方法，在将实芯光子晶体光纤环尾纤端部的涂覆层剥除，并对裸纤进行切割之后，在对尾纤的端面进行研磨与抛光之前，将尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，使尾纤空气孔中填充有固化胶，且固化胶固化后的填充深度大于待研磨量，这样，在对尾纤的端面进行研磨与抛光时，可以避免空气孔壁产生微裂纹使得空气中的水汽进入空气孔造成实芯光子晶体光纤性能劣化甚至发生断裂的问题，从而可以利用直接耦合连接方式替代现有的熔接方式，将实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片直接连接，为高精度光子晶体光纤陀螺中实现实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片的直接耦合提供了有力支撑，进而可以解决由于集成光学调制器的熊猫型保偏光纤与实芯光子晶体光纤环的尾纤尺寸与模场失配产生的熔点性能劣化问题，可以扩展高精度光子晶体光纤陀螺在空间中的应用；并且，上述制作方法具有可靠性与普适性，不仅不影响实芯光子晶体光纤的光波传输以及实芯光子晶体光纤端面的研磨、抛光，还可以适用于不同结构设计的实芯光子晶体光纤的端面处理；此外，上述制作方法是在熊猫型保偏光纤端面处理方式的基础上进行优化，无附加工艺难度。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述制作方法的关键在于选取合理的固化胶，包括固化胶的折射率、黏度和固化后的硬度，以及固化胶被吸入空气孔的深度。具体地，采用不同折射率的固化胶填充空气孔对光束传输性能的影响不同，这里选取的低折射率固化胶需要满足不破坏光束在实芯光子晶体光纤中的传播特性，并且，固化胶的黏度应当满足在限定时间内能够被吸入空气孔，此外，固化胶固化后的硬度需要满足不影响端面的研磨和抛光，另外，固化胶被吸入空气孔的深度会影响尾纤端面处理时的研磨抛光容差。

本发明针对高精度光子晶体光纤陀螺对光路低损耗、低背向反射等性能指标的需求，采用实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片直接耦合的方式，消除了由于二者尾纤尺寸、模场失配产生的附加熔接损耗和背向反射。实现实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片直接耦合的关键在于实芯光子晶体光纤环端子的制作，即对实芯光子晶体光纤环尾纤进行端面处理以满足实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片耦合时对端面平整度等的要求。下面从固化胶的折射率、固化后硬度的选取方案，固化胶黏度的选取方案以及固化胶填充空气孔的方案三个方面进行详细叙述。

(1)固化胶的折射率、固化后硬度的选取方案。

实芯光子晶体光纤环尾纤包层中分布有多层空气孔，空气孔内的折射率为1，当固化胶填充空气孔时，使得空气孔内的折射率增大，即改变了光束的传输介质，进而改变了光纤的基模传输条件。为了研究空气孔内的折射率(即填充的固化胶的折射率)对光束传输的影响，建立实芯光子晶体光纤的有限元模型进行仿真计算，建立的有限元模型与实芯光子晶体光纤的实际尺寸相同，对空气孔内的折射率参数进行参数扫描，计算不同参数条件下的光束模场变化，计算结果如图4a和图4b所示。图4a中曲线的横坐标为空气孔内的折射率(即填充的固化胶的折射率)，纵坐标为实芯光子晶体光纤的基模尺寸(MFD)，图4a中散点分别为计算得到的横向基模尺寸和纵向基模尺寸，曲线分别为二者的拟合结果。由图4a中的仿真结果可以看出，随着空气孔内的折射率的增大，实芯光子晶体光纤的基模尺寸逐渐变大，然而，实芯光子晶体光纤的基模尺寸需要与波导的基模尺寸相匹配，因此不能太大。图4b中曲线的横坐标为空气孔内的折射率(即填充的固化胶的折射率)，纵坐标为实芯光子晶体光纤基模限制损耗，图4b中散点为计算得到的实芯光子晶体光纤基模限制损耗，曲线为拟合结果。如图4b所示，随着空气孔内的折射率越来越接近SiO2的折射率(1.45)，包层对光束的限制能力随之减弱，实芯光子晶体光纤基模限制损耗即光束传输的损耗也随之增大。当空气孔内的折射率大于或等于1.43时，实芯光子晶体光纤中将不存在基模，即不再满足光纤基模的传输条件。基于此，选取固化胶的折射率的临界条件为不影响光纤的单模传输条件，即固化胶的折射率应小于1.43，同时需考虑应用背景对光纤损耗的要求。

根据模场的重叠积分理论：

能够计算集成光学调制器光模场与实芯光子晶体光纤环尾纤填充固化胶部分的基模耦合损耗理论值，其中，Ewg为集成光学调制器的光模场分布，EPCF为实芯光子晶体光纤环尾纤填充固化胶部分的光模场分布，S为积分面积。光纤陀螺中集成光学调制器具有起偏的功能，图5a表示实芯光子晶体光纤的快轴与集成光学调制器传输光模场的偏振方向对轴耦合时由于模场失配产生的理论耦合损耗，图5b表示实芯光子晶体光纤的慢轴与集成光学调制器传输光模场的偏振方向对轴耦合时由于模场失配产生的理论耦合损耗，图5a和图5b以空气孔填充的固化胶的折射率为1.41为例。图5a和图5b中横坐标表示两个模场的耦合位置，纵坐标为耦合损耗理论值。从图5a和图5b的计算结果可以看出，快轴耦合产生的最小耦合损耗理论值为1.91dB，慢轴耦合产生的最小耦合损耗理论值为0.90dB，均在能够接受的范围内，并且，慢轴耦合的损耗更小。

因此，较佳地，在执行本发明实施例提供的上述制作方法中的步骤S2，将切割后的尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量时，如图6所示，具体可以通过以下方式来实现：

S20：将切割后的尾纤浸入折射率小于1.43的固化胶中，通过控制尾纤浸入固化胶中的浸入深度和浸入时长控制固化胶被吸入尾纤空气孔中的量；这样，可以保证实芯光子晶体光纤环尾纤空气孔中填充的固化胶不影响光纤的单模传输条件，且集成光学调制器光模场与实芯光子晶体光纤环尾纤填充固化胶部分的基模耦合损耗理论值较小。

除固化胶的折射率外，固化胶固化后的硬度与端面的研磨抛光处理息息相关。为了保证端面研磨抛光的质量，固化胶经固化后需要具备足够的硬度，通常用于研磨抛光的胶水的邵氏硬度D大于80，因此，用于填充空气孔的固化胶固化后的硬度也需满足此条件，即固化胶固化后的邵氏硬度大于80。

(2)固化胶黏度的选取方案。

根据毛细动力学理论，流体在毛细管中的流动体积变化率可以用泊肃叶方程来描述：

其中，表示流体单位时间的流量，r为毛细管半径，l为流体在毛细管中流动的距离，ΔP为弯曲液面产生的附加压力差，η为流体的动力黏度(即黏度)。根据杨-拉普拉斯(Young-Laplace)方程，弯曲液面产生的附加压力差ΔP为：

其中，σ为流体表面张力，R为流体表面的曲率半径，θ为流体与毛细管壁的接触角，如图7所示。根据公式(2)和公式(3)能够求得流体在毛细管中的流动速度为：

由公式(4)可以看出，流体在毛细管中的流动速度与毛细管半径r、流体表面张力σ以及流体与毛细管壁的接触角θ呈正比，流体在毛细管中的流动速度与流体的黏度η呈反比。对公式(4)积分，可以得到毛细管内流体上升高度为h时所需的时间tm为：

根据公式(5)可知，空气孔内固化胶上升高度为h时所需的浸入时长tm为：

其中，η为固化胶的黏度，r为空气孔的半径，σ为固化胶的表面张力，θ为固化胶与空气孔壁的接触角；考虑固化胶在固化过程中的体积变化，固化胶固化后的填充深度lg为：

lg＝h(1-α)

其中，α为单位面积的固化深度变化系数。

为了满足空气孔中固化胶经固化后的填充深度lg大于端面处理过程中的研磨量，需要保证填充深度lg>250μm。考虑固化胶在固化过程中的体积变化，空气孔内固化胶上升高度h应满足h>250/(1-α)μm，其中，α为单位面积的固化深度变化系数。由于固化胶对实芯光子晶体光纤环尾纤的涂覆层有一定的损伤，因此，需要控制尾纤浸没在固化胶中的浸入深度li和浸入时长tm，其中，tm<90s为优选。为了满足以上制约条件，需要选取具有合适粘稠参数的固化胶，这里选取固化胶的黏度为3000cps～5000cps为最佳。

(3)固化胶填充空气孔的方案。

固化胶填充空气孔主要是利用光纤包层中空气孔的毛细作用，对于同一种固化胶，固化胶的填充深度lg取决于光纤浸入固化胶的浸入深度li和浸入时长tm，操作示意图如图8所示。对空气孔填充有固化胶的光纤进行定轴，将其固定于铌酸锂小块的U型凹槽中，制成实芯光子晶体光纤环端子进而能够与集成光学调制器芯片进行耦合。因此，综合考虑空气孔的填充深度与制作的光纤环端子的强度与可靠性，需要满足如下条件：

a.由于毛细作用较为微弱，因此，为了获得较大的填充深度lg需要增加浸没时长tm，然而，由于固化胶对玻璃光纤的涂覆层具有一定的损伤，因此，浸没时长tm不能过长，浸没时长tm<90s为优选；

b.由于对光纤进行定轴时需要先剥除光纤的涂覆层，因此，在空气孔填胶前应当先剥除一定长度的涂覆层，为了保护空气孔中填充有固化胶的部分，需要在合适的位置对裸纤进行切割；

c.为了保证光纤环端子的强度与可靠性，涂覆层的去除刀口应紧靠铌酸锂小块的U型凹槽的边缘，同时，需要保证光纤在研磨后，空气孔内仍留有一定深度的固化胶。

因此，控制裸纤切割后的长度lb、浸入深度li和浸入时长tm是关键，裸纤切割后的长度lb需要根据铌酸锂小块的U型凹槽的长度来确定，浸入深度li和浸入时长tm需要根据研磨量来确定，并经过多次试验进行优化。图9为经过多次试验后定轴得到的实芯光子晶体光纤环尾纤，图9中的lg为空气孔中的固化胶固化后的填充深度，对端面进行处理时，在满足研磨角度的条件下，研磨量需小于lg。图10为实芯光子晶体光纤环尾纤端面处理完成后的端面显微图像，从图10能够看出，研磨后裸露的空气孔中仍填充有固化胶，说明本发明采用的实芯光子晶体光纤环尾纤空气孔填充固化胶的选取以及端面处理方案合理。

本发明实施例提供的上述制作方法，在将实芯光子晶体光纤环尾纤端部的涂覆层剥除，并对裸纤进行切割之后，在对尾纤的端面进行研磨与抛光之前，将尾纤浸入折射率小于二氧化硅折射率的固化胶中，使尾纤空气孔中填充有固化胶，这样，在对尾纤的端面进行研磨与抛光时，可以避免空气孔壁产生微裂纹使得空气中的水汽进入空气孔造成实芯光子晶体光纤性能劣化甚至发生断裂的问题，从而可以利用直接耦合连接方式替代现有的熔接方式，将实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片直接连接，为高精度光子晶体光纤陀螺中实现实芯光子晶体光纤环尾纤与集成光学调制器芯片的直接耦合提供了有力支撑，进而可以解决由于集成光学调制器的熊猫型保偏光纤与实芯光子晶体光纤环的尾纤尺寸与模场失配产生的熔点性能劣化问题，可以扩展高精度光子晶体光纤陀螺在空间中的应用；并且，上述制作方法具有可靠性与普适性，不仅不影响实芯光子晶体光纤的光波传输以及实芯光子晶体光纤端面的研磨、抛光，还可以适用于不同结构设计的实芯光子晶体光纤的端面处理；此外，上述制作方法是在熊猫型保偏光纤端面处理方式的基础上进行优化，无附加工艺难度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。