基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器的制作方法

本发明涉及的是一种光纤偏振态控制器，具体涉及的是一种基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器，属于光纤技术领域。

(二)

背景技术：

随着光纤通信系统的不断发展，偏振态越来越成为制约系统发展的关键因素。而偏振控制器是可以将输入光的偏振态改变为所需要的目标偏振态的器件，可以有效的对光的偏振态进行控制，因此在光纤通信以及传感领域有着广泛的应用。

国内外许多学者对偏振控制已经做了大量的研究与分析，创新性的提出了多种偏振控制方案。由于挤压光纤型偏振控制器价格低廉，有着控制速度快，且插入损耗低，带宽很宽等特点，因此在目前的光纤网络当中应用较为广泛。

挤压型光纤控制器中的压电结构通过挤压光纤，可以在两个相互正交的方向上产生相位延迟，当给予光纤的横截面一个一定大小和方向的应力时，光纤中的快轴与慢轴的方向以及双折射的大小也将确定下来。研究表明，其中快轴的方向与所施加的应力方向相垂直，而慢轴方向则平行于压力的方向。文献(龚岩栋，陈根祥.偏振控制器的研究和现状[j].光纤与电缆及其应用技术，1995(3)：15-20.)中理论分析表明，通过施加两个互成45°方向的外力作用时，可以将任意的输入偏振态转化为所需要的任意输出偏振态。

虽然，挤压型光纤控制器有多种类型，其中许多已取得了不错的实验效果，但目前的挤压装置仍然存在很多不足之处，如体积相对较大、稳定性差、附加损耗过大等问题。

本发明公开了一种基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器及其制造方法。该控制器采用掩膜以及喷墨打印技术，可以将压电陶瓷均匀的制备在光纤表面。电极采用金属溅射镀膜技术，可以实现电极与光纤以及电极与陶瓷的紧密贴合。与现有技术相比，该控制器采用微阵列式调制方式，在控制任意的输入偏振态向任意的输出偏振态变化的过程中，可以更容易实现偏振态的遍历性。同时，器件的体积大大减小，集成度明显提高，将广泛用于今后的光纤通信以及光纤传感领域。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、转换效率高的基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器。

本发明的目的是这样实现的：

它由光纤1、径向内层金属阵列电极2、径向外层金属阵列电极3、径向压电陶瓷阵列4、纵向金属阵列电极5、纵向压电陶瓷阵列6、可编程阵列电极7、聚合物8、石英基底9、金属引脚10、金属引线11、外壳12、螺丝13组成。将电压信号输入到可编程阵列电极，可以实现对打印在光纤表面的压电陶瓷阵列单元的振动控制，并将电能转化为相应的机械能。这种对光纤的周期性挤压，将进一步导致光纤的应力双折射，从而实现对光信号的偏振态的调制。

将压电陶瓷粉研磨至纳米级，与分散剂及其它溶剂配制成喷墨打印墨水，通过喷墨打印机可以在特定的位置打印出所需的压电陶瓷。利用金属靶镀膜溅射以及掩模技术，可以制作金属电极。因此，通过压电陶瓷的喷墨打印以及金属的镀膜溅射可以将压电换能器制作成位于光纤表面的微结构，从而能够对光纤中光波的偏振态进行调制。

光纤偏振态控制器中的压电陶瓷采用喷墨打印技术，利用计算机对打印位置的准确定位，通过旋转光纤，可以将压电陶瓷以墨水的形式打印到光纤以及金属电极的表面的指定位置，通过高温烧结，制作成型。较传统的偏振控制器该控制器的集成度有了明显的提高，同时，减小了器件的体积，制作工艺更加精细。

该光纤偏振态控制器中压电结构打印的位置位于光纤表面对称的两扇形区域，圆心角为90°，且两相邻压电结构中压电陶瓷在光纤表面所在位置互成45°角。

所述的正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器，其压电结构设计为径向与纵向两种压电结构类型，其排列方式采用微阵列形式，在提高声波的耦合效率的同时，对光纤进行周期性的挤压，可以更容易的实现偏振态的遍历性。

(四)附图说明

图1是基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器封装结构示意图。

图2是正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器中径向作用型压电结构示意图。

图3为附图2中a、b、c三个结构中压电陶瓷处的横截面示意图。

图4是单个径向作用型压电结构对光纤折射率影响的仿真结果。

图5是正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器中纵向作用型压电结构示意图。

图6为附图5中d、e、f三个结构中压电陶瓷处的横截面示意图。

图7单个纵向作用型压电结构对光纤折射率影响的仿真结果。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图1给出了基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器实例。该控制器由光纤1、径向内层金属阵列电极2、径向外层金属阵列电极3、径向压电陶瓷阵列4、纵向金属阵列电极5、纵向压电陶瓷阵列6、可编程阵列电极7、聚合物8、石英基底9、金属引脚10、金属引线11、外壳12、螺丝13组成。将电压信号输入到可编程阵列电极，可以实现对打印在光纤表面的压电陶瓷阵列单元的振动控制，并将电能转化为相应的机械能。这种对光纤的周期性挤压，将进一步导致光纤的应力双折射，从而实现对光信号的偏振态的调制。

基于正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器的制造方法如下：

其中径向作用型压电结构的制造方法包括：

(1)使用金属靶对光纤1进行溅射镀膜，并采用掩模板对光纤掩模，通过旋转光纤，将金属薄膜制备在光纤表面对称的两个成90°的扇形区域内作为压电结构的内层金属电极2，且沿光纤轴向上两相邻电极在光纤表面所在位置互成45°角。

(2)将已配制好的压电陶瓷墨水，注入到喷墨打印机的墨盒当中，通过计算机控制打印机的喷墨位置，同时随着光纤1的旋转，直接将压电陶瓷打印到已制备好的金属阵列电极2的表面。在打印过程中保证每个阵列单元中都预留部分内层金属电极不被陶瓷墨水覆盖，以便与金属引线的焊接。随后将光纤预热后放入到高温炉中加热烧结，冷却后得到成型的压电陶瓷结构。在未打印压电陶瓷的其他方向上填充聚合物8，并同样保证焊接金属引线处的内层金属电极不被覆盖。

(3)在成型的压电陶瓷4的表面，利用金属镀膜溅射技术来制备上层金属电极3。旋转光纤的同时，将掩模板置于光纤和待溅射金属靶之间，来保证金属电极3能够准确的制备到压电陶瓷的上表面，以防与下层电极发生互连。

纵向作用型压电结构的制造方法包括：

(1)将压电陶瓷墨水通过打印机分别打印在光纤1表面对称的两个成90°的扇形区域内，且沿光纤1轴向上两相邻压电陶瓷在光纤表面所在位置互成45°角。随后，采用相同的加热方式进行高温烧结。待烧结成型后，在未打印压电陶瓷6的其它方向上填充聚合物8。

(2)在光纤1表面进行金属靶溅射镀膜，同时，利用掩模板对其掩模，通过旋转光纤，可以将压电结构单元阵列的圆环形金属电极5紧密的制备在压电陶瓷6的两端。

正交偏振型压电陶瓷微阵列的光纤偏振态控制器中的金属引线是通过超声焊接技术将引线与压电结构的内、外层以及两侧金属电极相焊接，以便能够将控制电压以编码的方式施加到压电陶瓷单元上，从而实现对光纤中传输的光波的偏振态的调制。

随后，对压电陶瓷进行极化处理。并将处理后的带有调制结构的光纤通过紫外胶固定在石英基底上，利用3d打印技术对壳体进行打印，并将器件进行封装。

可以根据纵向和径向作用型压电结构的制造方法，采用不同的排列方式，利用喷墨机打印以及金属镀膜等技术在光纤表面设计多种复合周期性振动结构。将电压信号输入到可编程阵列电极，可以实现对打印在光纤表面的压电陶瓷阵列单元的振动控制，并将电能转化为相应的机械能。这种对光纤的周期性挤压，将进一步导致光纤的应力双折射，从而实现对光信号的偏振态的调制。