专利名称：基于长微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备和封装方法
技术领域：
本发明涉及微光学元件，尤其是涉及一种利用非金属预制模具的微光纤环形谐振腔的制备和封装一体化工艺。背景技术：
光纤谐振腔在传感和通信上有广泛的用途。随着微光纤制备技术的发展，小尺寸的微光纤谐振腔已经被成功演示，而其中利用环绕技术制备的多环谐振器由于其较强的耦合，大的设计和制备自由度，集成度高，易于封装等优点具有很大的应用前景，得到了很高的关注度。现有的多环环形光学谐振腔的绕制方法分为手工绕制和旋转台绕制两种。已有的旋转台绕制方法通常是将光纤竖直下垂，介质棒水平放置，这种方法主要有几个缺点其一微光纤的制备和绕制分开，直径细小的微光纤的移动过程中很容易断开，大大降低了成品率；其二，由于各种原因，介质棒必须比较光滑，环绕过程中光滑的表面容易引起光纤滑移从而严重影响耦合；其三，细小的微光纤之间容易产生范德华力，在中部打结或者与介质棒局部有空隙，使得环的形状不规则，周长不一致；其四，封装不方便，需要取下来另外用一个玻璃片进行封装，也浪费材料，不易定型。另外现有用来绕微环的光纤都比较细短，绕制的难度比较大，自由光谱程太大，实用性不高.所有这些缺点使得目前无法实现批量化标准化生产。
发明内容
本发明目的是提供一种基于长的微光纤多环光学谐振腔的模具化制备和封装一体化方法，使得微光纤制备到多环谐振腔封装三个环节流水线化。利用闭环反馈系统和在线直径检测可以制备超长的微光纤，加热装置与旋转台的切换可以避免微光纤的移动，特殊结构的模具的应用可以大大的便利于光纤环绕和耦合长度的控制，并且可以快速方便的进行聚合物封装成型，同时选择不同模具可以获得不同的谐振频率；最后利用长的直径较粗的微米光纤可以提高成品率，整体的设计使得批量化标准化生产成为可能。本发明的技术方案是基于长微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备和封装方法，包括微光纤拉制，采用预制模具和旋转台的环绕装置将长微光纤进行环绕和封装，微光纤拉制时是将光纤置于平移台上，平移台两端的夹具通过高精度线性马达且在精确加温光纤的条件下牵弓I拉制成长微光纤，而加热器通过高精度的温控芯片控制。测量探头对加热区光纤直径的测量结果经由高速数字采样芯片转换为数字格式以便于快速处理，高精度线性马达控制拉制的速度从而控制光纤的直径，并与温控芯片以及测量探头都连接到总控制台形成一个反馈回路，利用闭环反馈系统和在线直径检测制备的长微光纤，长微光纤拉制后光纤不移动，切换拉制时用的加热器，而将预制模具和旋转台置入长微光纤和加热器位置，避免长微光纤的移动，预制模具上设有中空底突出的筒状模具，将光纤一端固定在旋转台上，所述模具固定在旋转台旋转上，模具中心轴与光纤垂直，然后旋转台旋转绕制，制成光学环形谐振腔，竖直的筒状模具的底部设有凸出台。拉制长微光纤也包括对光纤进行拉直处理。
本发明所述的预制模具，模具材质为玻璃或聚合物等非金属介质，形状为中空、底面突出，这样的结构可防止光纤滑落、便于微光纤环相互靠近，增加耦合距离，封装的时候可以直接成形，节约材料。本发明采用具有实时监测和反馈系统的长微光纤拉制装置和具有预制模具和旋转台的环绕封装装置；光纤拉制和环绕封装实现连续流水线操作，无需移动微光纤；将微光纤缠绕在非金属预制模具上制成环形光学谐振腔，通过选择不同的介质棒模具的直径来调节谐振特性，利用低折射率聚合物进行封装。所述长微光纤拉制装置具有实时监测和反馈系统，得到的微光纤直径均为1 10 μ m，长度I-IOcm ；拉制光纤的热源和环绕光纤的旋转台可以交替使用，无需移动微光纤，减少折损。微光纤环间光纤接触处耦合，微光纤为拉锥光纤，拉锥光纤的一端为光信号输入端，另一端为输出端。由于光纤的重力作用与模具底端的限制作用，所述光纤拉制时自然紧绷，所绕的光纤环在模具底端有序排列，充分靠近，有较长的耦合距离。而后在模具底部角落一周用低折射率聚合物包裹光纤环，其封装采用低折射率UV胶、Teflon等聚合物。 外面涂上保护层成型，进行封装，最后取出模具即可。环形光学谐振腔是一圈或者多圈的结构，直径由预制模具控制，有效波段在几 G 几百GHZ。本发明具有的有益效果是本发明提供了一种微光纤谐振腔从微光纤的制备到谐振腔封装一体化的解决方案；可以减少由于移动微光纤带来的折损；利用特殊模具可以更好的控制耦合和环绕，以及快速封装成型，节约材料；选择不同的模具可以获得不同的谐振频率；使用长的直径较粗的微光纤，可以提高成品率；较粗的微光纤不易打结自粘，容易绷紧；较大的耦合长度弥补了较粗的微光纤耦合弱的不足。四
图1本发明的设备结构示意加和图2b为模具的示意3为旋转台的示意图
图4为模具的固定等两个部分依次与旋转台结合的示意5为光纤拉制完毕，移入旋转台的示意图五具体实施例方式
下面进一步阐明本发明的使用过程
如图所示，本发明设计了一套完整的设备用来制备和封装多环光学谐振腔。光纤用夹具两端固定在电机控制的平移台或者转轮上，总控制台输入相应参数，控制系统将会打开加热器和电机开始工作，并根据传感器传回的反馈数据不断的调整加热温度和电机移动速度，在线直径检测和反馈系统可以保证均勻粗细的长微光纤的拉制，随后关闭移开加热源， 移入旋转台，无须移动微光纤。如图2，旋转台中心轴1，旋转台和中心轴也可以是二位一体的，旋转台中心轴垂直于光纤2，将预制模具套在旋转台上且固定，模具中空用于套装在旋转台的中心轴上，也便于封装之后取出，底端为突出面，
如图调节旋转台使微光纤在模具底部，并且两端在旋转台的微槽中，固定一端，松开之前在平移台上的固定装置3，另一端置于送纤盘凹槽内，自由下垂，重力作用可以保证光纤时刻紧绷不打结弯曲。在总控制台中输入绕制的参数，系统将控制旋转台，环绕过程中微光纤将始终处于模具底端，保证了多环之间充分耦合。将UV胶或者Teflon等滴入模具底部，固化后覆盖谐振腔，再涂上保护层完成封装保护，取出模具即可。所述的微光纤直径为1 10 μ m。所述的环形谐振腔，其环形谐振腔的直径由模具的外直径决定。筒状模具的直径一般在Imm-Icm左右。所述模具介质一般采用玻璃、聚合物。所述的环形谐振腔是一圈或多圈结构。本发明可以制备较长的微光纤，并将其缠绕在模具上制成微光纤环形谐振腔，适用于通信和传感。选择不同的模具，可以获得不同的谐振频率。并且可以快速方便的封装成器件。保证对光纤长度和直径的精确控制，光纤平移台两端(至少一端)的夹具通过高精度线形马达牵引，加热器通过高精度的温控芯片控制，测量探头对加热区光纤直径的测量结果经由高速数字采样芯片转换为数字格式以便于快速处理，线性马达伺服机构和温控芯片以及测量探头都连接到总控制台形成一个反馈回路，由总控制台中相应的软件统一控制。使用者只需要输入预定的参数，软件就会根据对应的算法自动控制加热拉伸的全过程。拉制程序的算法主要包括两个部分，第一个部分为预设部分，相应的算法根据输入的直径和长度要求计算并设定加热器温度和马达速度的初始值，第二个部分为实时反馈微调部分，相应算法在拉制的过程中根据反馈数据对马达的速度和加热器温度进行微调， 以保证光纤均勻平滑。微光纤制备完成之后，便进入绕环作业流程，在设置界面输入模具型号、预定的圈数和每圈之间的距离，软件会自动进入绕环的控制状态，完成移出加热器，移入旋转台并完成对准位置等一系列机械准备动作，而后进行绕环作业。操作者可以通过对准旋转台模具方向的显微镜所输出的监控图像观察。所述长微光纤拉制装置具有实时监测和反馈系统，拉制光纤的热源和环绕光纤的旋转台可以交替使用，无需移动微光纤，减少折损。所述的预制模具，模具材质为玻璃或聚合物等非金属介质，形状为中空、底面突出，这样的结构可防止光纤滑落、便于微光纤环相互靠近，增加耦合距离，封装的时候可以直接成形，节约材料。所述的环形光学谐振腔是一圈或者多圈的结构，直径由预制模具控制，有效波段在几G 几百GHZ。环绕时利用自重使微光纤绷紧，增加耦合距离。在拉制时加热器的温度控制在士3°C，不同的材料具有不同的加热热温度。
权利要求
1.基于长微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备和封装方法，包括微光纤拉制，采用预制模具和旋转台的环绕装置将长微光纤进行环绕和封装，微光纤拉制时是将光纤置于平移台上，平移台两端的夹具通过高精度线性马达且在精确加温光纤的条件下牵引拉制成长微光纤，而加热器通过高精度的温控芯片控制；测量探头对加热区光纤直径的测量结果经由高速数字采样芯片转换为数字格式以便于快速处理，高精度线性马达控制拉制的速度从而控制光纤的直径，并与温控芯片以及测量探头都连接到总控制台形成一个反馈回路，利用闭环反馈系统和在线直径检测制备的长微光纤，长微光纤拉制后光纤不移动，切换拉制时用的加热器，而将预制模具和旋转台置入长微光纤和加热器位置，避免长微光纤的移动，预制模具上设有中空底突出的筒状模具，将光纤一端固定在旋转台上，所述模具固定在旋转台旋转上，模具中心轴与光纤垂直， 然后旋转台旋转绕制，制成光学环形谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于将微光纤缠绕在非金属预制模具上制成环形光学谐振腔，通过选择不同的介质棒模具的直径来调节谐振特性，利用低折射率聚合物进行封装。
3.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于所述长微光纤拉制装置具有实时监测和反馈系统，得到的微光纤直径均为1 10 μ m，长度1-lOcm，拉制长微光纤也包括对光纤进行拉直处理。
4.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于拉制光纤的热源和环绕光纤的旋转台可以交替使用，无需移动微光纤， 减少折损。
5.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于所述的预制筒状模具，模具材质为玻璃或聚合物等非金属介质，形状为中空、筒状模具底面设有突出台。
6.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于所述的环形光学谐振腔是一圈或者多圈的结构，直径由预制模具控制， 有效波段在几G 几百GHZ。
7.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于其封装采用低折射率UV胶、Teflon等聚合物。
8.根据权利要求1所述的基于长的微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备封装一体方法，其特征在于环绕时利用自重使微光纤绷紧，增加耦合距离。
全文摘要
基于长微光纤的多环光学谐振腔的模具化制备和封装方法，包括微光纤拉制，采用预制模具和旋转台的环绕装置将长微光纤进行环绕和封装，微光纤拉制时是将光纤置于平移台上，平移台两端的夹具通过高精度线性马达且在精确加温光纤的条件下牵引拉制成长微光纤，而加热器通过高精度的温控芯片控制，测量探头对加热区光纤直径的测量结果经由高速数字采样芯片，高精度线性马达控制拉制的速度从而控制光纤的直径，并与温控芯片以及测量探头都连接到总控制台形成一个反馈回路，利用闭环反馈系统和在线直径检测制备的长微光纤,将光纤一端固定在旋转台上，所述模具固定在旋转台旋转上，模具中心轴与光纤垂直，然后旋转台旋转绕制，制成光学环形谐振腔。
文档编号H01S3/067GK102185245SQ20111006293
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者寇君龙, 徐飞, 胡伟, 陆延青, 陈烨 申请人:南京大学