基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔

1.本技术涉及集成光学和惯性传感技术领域，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。


背景技术：

2.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1-2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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.针对现有空芯光子晶体光纤谐振腔的难点，本发明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。
6.根据本技术实施例，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：
7.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；
8.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；
9.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。
10.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，
11.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；
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.可选的，所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器的制备过程为：
18.(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；
19.(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；
20.(3)、通过刻蚀工艺在硅基铌酸锂薄膜上制备“v”型槽；
21.(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；
22.(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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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：
27.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；
28.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。
29.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
30.由上述实施例可知，本技术采用成熟的退火质子交换铌酸锂波导工艺制备性能可靠，传输损耗低，高消光比的光波导，实现空芯光子晶体光纤谐振腔的集成封装，减小了谐振腔系统体积，保证了腔内传输光波的单偏振运行，减小了偏振噪声的影响。采用化学机械抛光、倒装键合工艺制备了倒装键合铌酸锂波导耦合器，优化了退火质子交换铌酸锂波导的输出光斑模场分布，减小其与光纤的耦合损耗，提高了光纤谐振腔的测量极限灵敏度。采用刻蚀、倒装键合工艺在倒装键合铌酸锂波导耦合器中制备了菱形密封光纤固定槽，可用于空芯光子晶体光纤、保偏光纤与波导的对接集成，在光纤固定槽边缘通过光学紫外胶粘接，可以起到固定、密封保护空芯光子晶体光纤和保偏光纤的作用，避免了外界环境的污染，提高了系统稳定性。
31.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
32.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
33.图1是本发明实施例提供的基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔的整体示意图；
34.图2是本发明实施例中倒装键合铌酸锂波导耦合器整体示意图；
35.图3是本发明实施例中经过退火质子交换、刻蚀工艺后制备的铌酸锂波导耦合器芯片示意图；
36.图4是本发明实施例中倒装键合工艺示意图；
37.图5是本发明实施例中采用的硅基铌酸锂薄膜横截面示意图；
38.图6是本发明实施例中光纤与波导对接集成示意图；
39.图7是本发明实施例提供的传统的退火质子交换铌酸锂波导输出光斑仿真结果；
40.图8是本实施例中倒装键合铌酸锂波导耦合器的输出光斑仿真结果。
具体实施方式
41.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
42.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
43.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
44.参考图1，本发明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，该谐振腔可以包括：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、空芯光子晶体光纤环4；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。
45.根据以上技术方案，本发明采用成熟的退火质子交换铌酸锂波导技术制备性能可靠，传输损耗低，高消光比的光波导，实现空芯光子晶体光纤谐振腔的集成封装，减小了谐振腔系统体积，保证了腔内传输光波的单偏振运行，减小了偏振噪声的影响。采用化学机械抛光、倒装键合工艺制备了所述倒装键合铌酸锂波导耦合器3，优化了退火质子交换铌酸锂波导的输出光斑模场分布，减小其与光纤的耦合损耗，提高了光纤谐振腔的理论极限灵敏度。所述的倒装键合铌酸锂波导耦合器3中包含闭合形成的菱形密封光纤固定槽5，可用于空芯光子晶体光纤、保偏光纤与波导的对接集成，在光纤固定槽边缘通过光学紫外胶粘接，可以起到固定、密封保护空芯光子晶体光纤和保偏光纤的作用，避免了外界环境的污染，提高了系统稳定性。
46.参考图2，本实施例中，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、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。
47.本实施例中，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；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；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的两个分支。
48.参考图3和图4，下面描述本发明倒装键合铌酸锂波导耦合器的制备方法，主要包括以下步骤：
49.1)按照晶圆尺寸及图案设计要求制作第一块掩膜版，通过第一块掩膜版进行光刻和退火质子交换扩散工艺，在一片硅基铌酸锂薄膜31上制备铌酸锂波导71，81，和键合对准标记61；在另一片同样尺寸的硅基铌酸锂薄膜32上制备相同参数的退火质子交换铌酸锂波导72，82与键合对准标记62，参考附图3；
50.2)按照设计要求制作第二块掩模版，通过第二块掩模版进行光刻和刻蚀，在两片在硅基铌酸锂薄膜31，32上制备固定光纤用的“v”型槽51，52，参考附图3；
51.3)通过化学机械抛光工艺将两片相同参数的硅基铌酸锂薄膜31，32进行抛光，磨去表面一定厚度的质子交换区，该厚度与质子交换深度有关，以保证键合后光波导传输模式单一；
52.4)参考图4中虚垂直线，将其中一片铌酸锂波导71，81正面朝上，另一片铌酸锂波导72，82背面朝上，通过芯片上的键合对准标记61，62将两片铌酸锂波导进行对准，经过高温键合后合二为一，成为第一铌酸锂波导7和第二铌酸锂波导8。
53.参考图5，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，为保证“v”型槽刻蚀质量，降低刻蚀工艺难度，因此选择采用硅基铌酸锂薄膜作为退火质子交换铌酸锂波导制备的基底材料；所述的硅基铌酸锂薄膜31，32从底向上依次为硅衬底311，321，铌酸锂薄膜层312，322；所述的硅衬底311，321厚度为1mm，所述铌酸锂薄膜层312，322厚度为15～20μm。
54.参考图6，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，所述的所述第一保偏光纤1、第二保偏光纤2为慢轴输入，与第一铌酸锂波导7和第二铌酸锂波导8起偏轴向保持一致；将轴向对准后的第一保偏光纤1、第二保偏光纤2和空芯光子晶体光纤环4通过对准放入光纤固定槽5中，与波导端面直接耦合，通过位移台调整光纤与波导端面的距离，使得输出耦合效率最高；然后，在光纤固定槽5边缘使用粘度系数较高的光学紫外胶53进行粘接，将菱形槽与光纤完全密闭在一起，从而完成光纤与波导的集成封装，也保证了光纤-波导连接处不受外界污染，提高了系统的稳定性。
55.参考附图1，光波在空芯光子晶体光纤谐振腔中的传输过程如下：所述由第一保偏光纤1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3a端输入后，一部分光由倒装键合铌酸锂波导耦合器3b端输出，其余光波耦合进入第二铌酸锂波导8中，开始在谐振腔中运行，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器3d端进入空芯光子晶体光纤环4；光波在空芯光子晶体光纤环4中传输，输入倒装键合铌酸锂波导耦合器3c端后，一部分光波经耦合进入第一铌酸锂波导7中，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器3b端，由第二保偏光纤2输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；
56.由第二保偏光纤2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3b端输入后，一部分光由倒装键合铌酸锂波导耦合器3a端输出，其余光波耦合进入第二铌酸锂波导8中，开始在谐振腔中运行，经过倒装键合铌酸锂波导耦合器3c端进入空芯光子晶体光纤环4；光波在空芯光子晶体光纤环4中传输，输入倒装键合铌酸锂波导耦合器3d端后，一部分光波经耦合进入第一铌酸锂波导7中，经过倒装键合铌酸锂波导
耦合器3a端，由第一保偏光纤1输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输。
57.下面再通过具体的实例来进一步说明：
58.本发明实施例提供一种倒装键合铌酸锂波导耦合器中具体的工艺参数，如下所示：
59.1)硅基铌酸锂薄膜31，32参数：硅衬底厚度1mm，铌酸锂薄膜厚度15μm；
60.2)退火质子交换参数：扩散深度5μm，波导宽度6μm，表面折射率增量0.012；
61.3)退火质子交换铌酸锂波导71，81，72，82：晶体切向x切y传，长度25mm，开口高度270μm，耦合间距4μm，耦合长度500μm；
62.4)“v”型槽51，52刻蚀：刻蚀角度60
°
，宽度250μm，长度5mm，深度1.5mm，间距270μm；
63.5)化学机械抛光工艺：磨去退火质子交换铌酸锂波导71，81，72，82上表面500nm厚度；
64.6)倒装键合工艺：采用铌酸锂单晶薄膜生产过程中成熟的晶片键合工艺；
65.对本发明实施例的退火质子交换铌酸锂波导进行了仿真分析。一种典型的退火质子交换铌酸锂波导71，81，72，82的输出光斑如图7中的(a)所示，沿图7中的(a)中白色箭头所示方向(y方向)考察其截面，则可得到如图7中的(b)所示的光斑纵向分布曲线，可以清晰地看到其呈现非对称形状，在图中y《0μm的方向上，呈指数型衰减，在y＝0μm处光场分布戛然而止。因此可知，由于传统的铌酸锂波导上包层为空气介质，其输出光斑上下分布并不对称，这是造成其与圆对称的光纤模场匹配时损耗较大的重要因素。作为对比，根据本发明实施例提供的具体的工艺参数进行倒装键合铌酸锂波导耦合器的制备，完成后，第一铌酸锂波导7或第二铌酸锂波导8的输出光斑和其纵向光场分布如图8中的(a)(b)所示，此时可以看到，由于波导芯区的折射率分布上下对称，因此输出的光斑也为上下对称的圆形光斑，经过重叠积分计算，此光斑与单模光纤光斑的耦合损耗小于0.3db，理论计算可知，基于该光纤谐振腔的谐振式光纤陀螺的角速度测量极限灵敏度可小于0.1
°
/h，具有一定的应用前景。
66.本发明提供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，该谐振腔具有全固态、集成化，小体积，偏振控制的优点。采用化学机械抛光、倒装键合工艺优化了退火质子交换铌酸锂波导的输出光斑模场分布，减小其与光纤的耦合损耗，提高了光纤谐振腔的理论极限灵敏度。在倒装键合铌酸锂波导耦合器中制备有菱形密封光纤固定槽，可用于空芯光子晶体光纤、保偏光纤与波导的对接集成，在光纤固定槽边缘通过光学紫外胶粘接，可以起到固定、密封保护空芯光子晶体光纤和保偏光纤的作用，避免了外界环境的污染，提高了系统稳定性。
67.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由权利要求指出。
68.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。