专利名称：铌酸锂调制器用光波导与光纤耦合的实现方法及耦合装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铌酸锂调制器用光波导和光纤耦合的实现方法及耦合装置，属于通讯光器件的改进。
一、金属化光纤耦合技术此技术方案如
图1，其中1为金属化光纤，2为金属桥，3为金属衬底。工艺过程如下将LN波导固定在管壳内金属衬底上，用夹具夹持金属化光纤并精确对准LN波导后，点折射率匹配液；用激光将金属插管、金属桥和金属衬片焊接在一起；尾纤用胶固定在管壳两端的光纤尾槽上，外用金属插管与橡胶套保护。
二、硅V型槽技术硅V型槽技术是利用化学腐蚀的方法在硅片上刻蚀出横截面为V型的凹槽，将光纤固定在其中；耦合后将硅片与波导固定起来。实现时LN调制器耦合时有两种方案，如图2所示，一是将硅片与波导固定在另一个载体上，如图2(a)所示；另一种是将固定了光纤的硅片端面抛光，再用胶将其与波导端面粘接，如图2(b)所示。
(a)中所示方案实施过程如下将剥离护套的光纤 放在硅片的V型槽中，用环氧胶固定，光纤包层与硅片间加保护层，老化后用夹具夹持，置于操作台上，精确对准，点匹配液，用特种胶将LN波导片与硅片都粘接在石英片上形成芯片，再将芯片固定在管壳上。因为这种方案中波导处于波导片下面，所以称为倒装。这种方案在国外被深入研究过，国内44所也曾在LN调制器上利用过这种技术。
(b)中方案对于光纤阵列(Fiber Array)与光电子芯片的耦合是比较合适的，实际产品中已有大量应用。为了增大端面粘接的面积，提高强度，一般都用两片有V型槽的硅片粘合或石英片与有V型槽的硅片粘合来夹持光纤，耦合后再与LN波导粘合。另外可以磨斜LN波导端面与V型槽端面以降低光反射，据现有资料，良好的设计可以将光反射降到-40dB以下。
三、石英毛细管技术为了简化装配，出现了石英毛细管技术。它利用玻璃工艺形成内径为0.126毫米的石英毛细管，同时在端头形成锥形孔，可以很方便地插入光纤，固定后研磨抛光即可用来耦合。目前石英毛细管外径的标准规格为1.0、1.8和2.5毫米，抛光后的端面有较大的面积与波导端面粘接，可以较好地把光纤固定在对准位置上，同时还可以起保护作用。国外多个专利中都有这种耦合技术的具体方案，尽管在细节上千差万别，总体设计是相似的，结构如图3。
这种技术的实现过程大致如下先剥离光纤，加装保护用石英管和石英毛细管后点胶固定，抛光端面；在LN波导片加粘接LN块，以增大端面粘接的面积；用夹具夹持加工好的光纤，精确对准后用紫外胶粘接波导与光纤，尾纤与管壳间也用胶粘接。
四、LN槽技术为了解决这些问题，出现了LN槽技术。这种技术直接在LN波导两端刻出刻出凹槽，将光纤耦合后埋在其中，如图4所示。
此技术通过机械加工在LN波导片两端刻出略大于光纤尺寸的凹槽，并在波导两端形成端面，光纤耦合后用胶固定在凹槽内，有时为加固还在光纤上加一个带槽的LN片。
五、LN块技术
LN块技术方案在光纤端头加装带槽的LN块，与LN波导片直接粘接，从而大大削弱了热应力；同时又能加大LN块的粘接面积，增强光纤与LN波导片之间的连接强度，如图5所示。
该技术先在LN块上加工出符合光纤尺寸的凹槽；再用胶将剥离后的光纤定位、粘在其中；加LN片点胶粘合、固化，在光纤外围形成LN块；在光纤尾侧用环氧树脂加固，将其与LN波导块粘接面磨斜、抛光；精确耦合后在LN波导与LN块间用紫外胶粘合。对于金属化光纤耦合技术，虽然金属化光纤本身也有较好的性能，可以用于多种光器件的耦合，但在这种耦合方案中，用焊锡将将金属化光纤与金属插管焊接起来，并且金属插管、金属桥和金属衬片焊接在一起，就产生了问题。固定光纤用的各部分都是金属材料，其热膨胀率与LN相差较大，在环境温度改变时，会使光纤与波导间产生相对位移，从而导致插入损耗漂移。实验中我们发现了这个问题。用器件老化的办法可以挑出性能差的器件，但不能从根本上解决问题。这对铌酸锂调制器的生产是不可行的。
硅V型槽倒装技术存在的缺点是一、硅V型槽精度要求高，制作难度大；二、硅、石英、与LN的热膨胀系数不同，温度改变时会使粘接用的胶产生应力，严重时还会破坏粘接层；同时在硅片与LN片之间还会产生相对位移，导致插入损耗随温度漂移。三、石英片同时与管壳和硅片、LN波导片粘接在一起，容易把外部作用力传递到硅片和LN波导片上，产生插入损耗波动。四、由于是倒装结构，在管壳内固定芯片与实现电连结时，操作不方便，容易损坏。这给铌酸锂调制器的制作带来了难度。
硅V型槽正装技术在铌酸锂调制器中已有应用，是一种较好的技术。但是硅与LN的热的热膨胀系数不同，温度改变时会使粘接用的胶产生应力，同时在硅片与LN片之间还可能产生相对位移，导致插入损耗随温度漂移。同时为减小温度的影响，硅片与LN粘接面不宜过大，这就减弱了调制器的机械性能。另外由于硅对紫外光的透射率小，在耦合时不利于曝光。因此现有铌酸锂调制器大都没有采用这种技术。
石英毛细管技术也存在同样的问题。由于石英与LN的热膨胀系数差别较大，在石英毛细管直径较大时，它与LN块之间的热应力与热形变会导致插入损耗波动；直径小时，接触面变小，机械性能和长期稳定性又变差。另外在端面磨斜和耦合时，保偏光纤精确定位较难，增大了相关夹具设计的难度。Lucent早期产品曾采用过这种技术。
LN槽技术直接把光纤固定在波导片上，较好地克服了温度的影响。但是在LN片上开槽难度大，又容易损坏波导片，降低了成品率，提高了器件成本。另外开槽的LN片机械性能变差，与光纤耦合的长期稳定性不好。
LN块技术有效地解决了端面粘接的热应力问题，扩大了粘接面积，增强了粘接强度，使LN波导与光纤间的相对位置保持得更稳定。但是现有的这类设计在温度稳定性及机械性能方面仍有不足之处。
为进一步改善耦合后器件的热稳定性、机械性能及长期稳定性，固定块及加固块可以为LN块和LN加固块，此时该方法中包括以下步骤(1)选一根单模光纤跳线，检查其损耗是否正常；如正常，用刀片从中间处切开依次穿入保护套和金属尾管；(2)剥去光纤包层外约20到25mm，保留5到6mm的内包层，用擦纤纸拭净；(3)用光纤切刀切割，保留一定长度的光纤；在显微镜下检查切割面是否平齐；不平齐则重切光纤(4)将光纤用夹具夹持，置于微调架上；显微镜下精细调整，使其落入LN固定块上的槽中，注意光纤端面与LN固定块平齐；点入紫外胶，加LN加固块，压平，用紫外灯均匀曝光；
(5)在显微镜下观察，光纤端面应平齐，无缺陷，若有异物，用擦纤纸拂去，如端面有缺陷，应重新加工；(6)将光纤用特制夹具夹持后进行端面抛光，然后清洗，晾干。
本发明所述的耦合装置包括适于耦合的两根光纤；固定光纤的固定块，套置在光纤外并与光纤连接，起加大粘接面积，固定光纤及保护光纤的作用；加固光纤的加固块；套置在光纤外并与光纤连接，起保护光纤的作用；若干垫片组合形成的垫片组合，起支撑、保护光纤与LN波导芯片的作用；LN波导芯片；管壳，用于容置LN波导芯片、光纤、固定块、加固块及垫片组合；其中套置有固定块及加固块的光纤的通过一垫片组合支撑在管壳内，其一端面与通过垫片组合支撑在管壳内的LN波导芯片的侧端面连接，其另一端伸出管壳外作为输入或输出接口，与管壳的交接处通过粘胶粘接为一体。
其中上述耦合装置中，固定块的种类有多种结构和材料组成，固定块可以是石英毛细管，也可以是LN块。
以下结合附图详细说明本发明的基本组成及实现方法
图1是现有的金属化光纤耦合技术的结构示意图；图2是现有的硅V型槽技术的结构示意图；图3是现有的石英毛细管技术的结构示意图；图4是现有的LN槽技术的结构示意图；图5是现有的LN块技术的结构示意图；图6是本发明实施例1的结构组成示意图；图7是本发明实施例1的另一方案的结构组成示意图；图8是本发明实施例2的结构组成示意图；图9是图8的俯视结构示意图；
其中套置有固定块及加固块的光纤通过一垫片组合支撑在管壳内，其一端面与通过垫片组合支撑在管壳内的LN波导芯片的侧端面连接，其另一端伸出管壳外作为输入或输出接口，且其与管壳的交接处通过粘胶粘接为一体。从图6可以看到LN波导端面上有LN加固块，两者端面平齐，与石英毛细管及光纤端面粘接在一起；光纤外套有石英毛细管、玻璃管，并用紫外胶粘接，起保护作用，同时石英毛细管又能起到加大粘接面积、固定光纤的作用；玻璃毛细管与光纤外包层结合处置于管壳尾纤槽内，用胶将它们固定在可阀(Kovar)管壳上，外面还可用金属尾管与橡胶套加固。垫片j和k为石英材料，用紫外胶与玻璃毛细管和管壳粘接起来，起支撑、保护光纤的作用，垫片l和m则起支撑、保护LN波导芯片的作用。本实施例中图7所示实施方案与图6所示实施方案的区别在于垫片组合的支撑方式有所不同，由于垫片组合的作用在于起支撑LN波导芯片及光纤的作用，而其它的耦合结构均相同，在此不再详述图7所示的实施方案。
本实施例的实现方法包括如下步骤首先是耦合光纤的制作与检查(1)选一根单模光纤跳线，检查其损耗是否正常；如正常，用刀片从中间处切开依次穿入保护套和金属尾管。
(2)剥去光纤包层外约20到25mm，保留5到6mm的内包层，用擦纤纸拭净。
(3)用光纤切刀切割，保留约13到14mm的光纤；在显微镜下检查切割面是否平齐；不平齐则重剥光纤。
(4)用镊子夹取外径1mm的玻璃毛细管，将带内包层的光纤穿入，再将光纤穿入外径1.8mm的石英毛细管，排紧。此时光纤头应露出0.5到1.5mm；如光纤头没有露出，应取出光纤，重新加工。小心地将光纤固定在光纤夹具上。
(5)在显微镜下观察，光纤端面应平齐，无缺陷，若有异物，用擦纤纸拂去。
如端面有缺陷，应重新加工光纤。取下石英毛细管。在玻璃毛细管与光纤外包层间保留约0.5mm的间隙，点入少许紫外胶，待分布均匀后，用紫外灯照射固化；在间隙处再点紫外胶，使间隙两侧均有紫外胶均匀附着，用紫外灯照射固化。
(6)再次穿入石英毛细管，检查光纤端面，应平齐，无缺陷，若有异物，用擦纤纸拂去。如端面有缺陷，应重新加工光纤。在显微镜下调整石英毛细管位置，使其与光纤端面在同一平面上。点紫外胶，待其完全填充石英毛细管内腔后，用紫外灯照射固化。在石英毛细管与玻璃毛细管间隙处再点紫外胶待其分面均匀后用紫外灯照射固化。
(7)在显微镜下检查光纤端面，应平整，无污物。
(8)对于保偏光纤跳线，在剥包层时不保留内包层。加工后，在显微镜下检查光纤端面，应可看到保偏光纤的两只猫眼，在这两点确定的直线方向上，用着色剂在光纤侧面做一标记。
(9)制成的耦合用光纤应外观匀称，清洁，无污物。耦合用光纤加工完，盘绕固定在纸板上，置于洁净容器内。
其次是芯片安装(1)将垫片组合放于管壳中，将芯片置于其上，使用时芯片上表面与匹配电路上表面在同一水平面上。
(2)将组合合适的垫片用紫外胶粘合起来，注意在粘接时，曝光要充分。
(3)将芯片用紫外胶与垫片粘合，注意不要使垫片超出芯片两端端面，(4)用紫外胶将组合后的芯片固定在管壳内，芯片与匹配电路相邻的侧边贴紧，位置对准，充分曝光。
(5)用紫外胶将两个支撑光纤用的垫片粘在管壳内适当位置，充分曝光。
(6)用金丝将芯片电极与匹配板电极连结。
最后是光纤与LN波导芯片的耦合(1)在耦合系统左侧夹具上装入耦合用单模光纤，调整光纤至平直；取下右侧夹具中的旋转部分，将耦合用保偏光纤装入，调整标记向上后旋紧定位螺钉，放回夹具中。
(2)用螺钉将管壳固定在器件台上，调整位置，使其与两个光纤平行。
(3)降低两光纤高度，在显微镜下调节，使纤芯与芯片上的波导大致对齐。注意夹具与管壳不要碰撞。
(4)单模光纤接激光器，输入功率500微瓦；保偏光纤接功率计。反复调整两光纤位置，获得最大输出，用手扰动单模光纤，记录最大输出功率，此功率应大于或等于以前波导测量时的值。
(5)保偏光纤接激光器，输入功率500微瓦；单模光纤接功率计。旋转保偏光纤，并调整位置，获得最大输出，此功率应大于前一步测量的值。
(6)在光纤与波导结合处点入紫外胶，加LN小决在芯片两端，调整位置至LN小块与芯片端面平齐，加点紫外胶，待胶分布均匀时，用紫外灯曝光固化。其中注意输出光功率变化。
(7)在耦合用光纤的玻璃毛细管上点少许紫外胶，待分布均匀后，用紫外灯曝光固化。然后在玻璃毛细管与小垫片之间点入紫外胶，曝光固化。其中注意输出光功率变化。
(8)在光纤与管壳光纤尾槽间隙点入调好的环氧胶。待其固化完全后取下器件。
(9)将光纤尾管与管壳焊接起来，用胶粘接光纤尾管与保护套。
第二、在耦合光纤中加入拱形结构，如图8所示，将光纤稍稍弯曲成一个弧形，使光纤可以通过自身形变消除温度变化的影响。选用石英毛细管作为新的光纤保护层，通过结构与材料两方面的改变来消除光纤与保护层在温度变化时产生的相对位移。
第三、将波导与耦合光纤端面磨斜为一定角度，同时使保偏光纤与LN波导轴向对准。
第四、选用LN垫片，改变垫片组合结构，减弱管壳热形变带给芯片的应力，保证芯片寿命。
第五、设计光纤尾管，使光纤牢靠地固定在管壳上，有效避免外部拉力对耦合光纤的损伤。
第六、设计气密封装，以保证耦合结构不被侵蚀。
第七、确定耦合各处用胶种类及数量，保证长期稳定性。
其它的结构与实施例1没有什么变化，在此不再详细描述。
本实施例的实现方法与实施例1的实现方法基本相同，只是将实施例1中所用的石英毛细管和玻璃毛细管改为LN块和LN加固块，为此在此不再作具体描述其详细的实现方法。
权利要求
1.一种铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于包括以下步骤a、制备好适于耦合的光纤，作为输入光纤和输出光纤；b、将光纤与加固块固接为一体；c、将光纤与固定块固接为一体；d、将垫片组合放到管壳中，将待耦合的光波导芯片平置于垫片上；e、将垫片组合的各垫片及芯片与垫片固接为一体；f、将组合后的芯片及垫片组合固定在管壳内的适当位置；g、将支撑光纤用的垫片固定在管壳内的适当位置；h、将步骤c中形成的光纤分别平直地装入到耦合设备的左、右两侧夹具上；i、将步骤g中形成的管壳装到耦合设备上，并调整位置使其与耦合设备两侧的两个光纤平行；j、降低两光纤的高度，使两光纤的纤芯与芯片上的波导对齐；k、将其中一光纤接激光器，另一光纤接功率计，反复调整两光纤位置，使两光纤均可以获得最大功率输出；l、将光纤与芯片粘接；m、将光纤及固定块固定在管壳内的光纤垫片上；n、将光纤与管壳上的光纤尾槽连接。
2.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤a中制备好适于耦合的光纤包括以下步骤a1、选取一根损耗正常的单模光纤跳线或保偏光纤跳线；a2、将光纤从中间切断，并依次串入保护套和金属尾管；a3、剥去光纤包层约20～25mm，如果是单模光纤，保留光纤内包层5～6mm；a4、用光纤切刀将光纤切割断，保留光纤约13～14mm，并检查光纤切割面是否平齐。
3.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤b中将光纤与加固块连接为一体是将光纤与玻璃毛细管固接为一体，其包括以下步骤b1、用镊子夹取外径为1mm的玻璃毛细管，将剥去包层的光纤一端穿入；b2、再将光纤穿入外径1.8mm的石英毛细管，排紧，使光纤头露出0.5mm；b3、将光纤固定在光纤夹具上，用显微镜观察光纤端面，保证光纤端面平齐、无缺陷、无异物；b4、取下石英毛细管，在玻璃毛细管与光纤外包层间保留约0.5mm的间隙，点上紫外胶，待其分布均匀后，用紫外灯照射固化；b5、在点隙处再点紫外胶，使间隙两侧均有紫外胶均匀附着，用紫外灯照射固化。
4.如权利要求1或2或3所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤c中将光纤与固定块连接为一体是将光纤与石英毛细管固接为一体，其包括以下步骤c1、将固定有玻璃毛细管的光纤再次穿入石英毛细管；c2、检查光纤端面应平齐、无缺陷、无异物；c3、调整石英毛细管位置，使其与光纤端面在同一平面上；c4、点紫外胶，待其完全填充石英毛细管内后，用紫外灯照射固化；c5、在石英毛细管与玻璃毛细管间隙处点紫外胶待其分布均匀后用紫外灯照射固化。
5.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤b中将光纤与加固块连接为一体是将光纤与LN加固块固接为一体。
6.如权利要求1或2或5所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤c中将光纤与固定块连接为一体是将光纤与LN固定块固接为一体，其包括以下步骤(1)选一根单模光纤跳线，检查其损耗是否正常；如正常，用刀片从中间处切开依次穿入保护套和金属尾管；(2)剥去光纤包层外约20到25mm，保留5到6mm的内包层，用擦纤纸拭净；(3)用光纤切刀切割，保留一定长度的光纤；在显微镜下检查切割面是否平齐；不平齐则重切光纤；(4)将光纤用夹具夹持，置于微调架上；显微镜下精细调整，使其落入LN固定块上的槽中，注意光纤端面与LN固定块平齐；点入紫外胶，加LN加固块，压平，用紫外灯均匀曝光；(5)在显微镜下观察，光纤端面应平齐，无缺陷，若有异物，用擦纤纸拂去，如端面有缺陷，应重新加工；(6)将光纤用特制夹具夹持后进行端面抛光，然后清洗，晾干。
7.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤f中将组合后的芯片固定在管壳内的适当位置是将组合后的芯片固定在管壳内时，芯片上表面与管壳内的匹配电路上表面在同一水平面上，且芯片与匹配电路相邻的侧边贴紧，位置对准，并用金丝将芯片电极与匹配电路电极连接。
8.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤g中将支撑光纤用的垫片固定在管壳内的适当位置是将垫片固定在管壳内时，光纤端面与芯片侧端面在同一竖直面上。
9.如权利要求1所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法，其特征在于上述步骤n中将光纤与管壳上的光纤尾槽连接后还包括将光纤尾管与管壳连接及将光纤尾管与保护套粘接。
10.一种实现权利要求1所述铌酸锂调制器用波导与光纤耦合方法的耦合装置，其特征在于包括适于耦合的两根光纤；固定光纤的固定块，套置在光纤外并与光纤连接，起加大粘接面积、固定光纤及保护光纤的作用；加固光纤的加固块；套置在光纤外并与光纤连接，起保护光纤的作用；由若干垫片形成的垫片组合，起支撑、保护光纤与LN波导芯片的作用；LN波导芯片；管壳，用于容置LN波导芯片、光纤、固定块、加固块及垫片组合；其中套置有固定块及加固块的光纤通过一垫片组合支撑在管壳内，其一端面与通过垫片组合支撑在管壳内的LN波导芯片的侧端面连接，其另一端伸出管壳外作为输入或输出接口，且其与管壳的交接处通过粘胶粘接为一体。
11.如权利要求10所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的耦合装置，其特征在于上述固定块为石英毛细管，该石英毛细管中开有可穿过光纤的内孔，上述加固块为玻璃毛细管，该玻璃毛细管中开有可穿过光纤的内孔。
12.如权利要求11所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的耦合装置，其特征在于上述LN波导芯片的端部设有加固用LN块，该LN加固块与LN波导芯片的端面对齐并粘接为一体，用于增大石英毛细管的粘接面积。
13.如权利要求10所述的铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的耦合装置，其特征在于上述固定块为LN固定块，由LN槽和盖片组成；上述加固块为LN加固块。
全文摘要
本发明涉及一种铌酸锂调制器用波导与光纤耦合的实现方法及其装置，其耦合装置包括适于耦合的两根光纤；固定光纤的固定块，加固光纤的加固块；由若干垫片形成的垫片组合；LN波导芯片；管壳，其中套置有固定块及加固块的光纤通过一垫片组合支撑在管壳内，其一端面与通过垫片组合支撑在管壳内的LN波导芯片的侧端面连接，其另一端伸出管壳外作为输入或输出接口，且其与管壳的交接处通过粘胶粘接为一体。本发明通过采用改进的耦合技术与耦合结构，使调制器中光波导与光纤耦合精确可靠、稳定性高、附加损耗低、光反射低、插入损耗不受温度变化和机械振动影响。
文档编号G02F1/03GK1417603SQ0114059
公开日2003年5月14日 申请日期2001年11月11日 优先权日2001年11月11日
发明者李汉国, 蒲天春, 蔡义智, 谭松, 曹宏斌 申请人:华为技术有限公司