压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器的制作方法

本发明涉及的是一种光纤调制器及其制备技术，具体涉及的是一种压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器及其制造方法，属于光纤技术领域。

(二)

背景技术：

保偏光纤是一种特殊结构的单模光纤，在目前的光纤通信以及传感系统中有着广泛的应用。其具有的偏振保持能力，使得偏振光沿其轴向传输时偏振态能够在较长的距离内保持不变。

光信号沿保偏光纤传输时，在光纤中存在着两个相互正交的偏振模式，通常情况下，两种正交的偏振模式之间不会有能量的交换。当保偏光纤受到周期性外力作用时，由于光弹效应，光纤的折射率将会产生相应的周期性变化，同时两种偏振模式也将会发生耦合，当满足一定的匹配条件时，光波的能量会在某波长处转换到同一模式的另一偏振态。基于此原理，可以将保偏光纤用于制作偏振型声光调制器。

影响光纤声光调制器性能的最为关键的部分就是声波的产生以及耦合。目前存在的保偏光纤声光调制器中的声波产生装置主要存在两种类型。其一，是将声波发生装置制作在基片上，然后通过接触的方式将声波耦合到光纤内部。另一种装置，直接将声波发生器制作在光纤之上。文献(全光纤保偏声光调制器的研究与应用.压电与声光，2013，35(4)：496-499)当中分别对这两种情况进行了介绍。其中，侧边光纤扭转声波换能器属于第一种方式，声波的产生主要依靠pzt片的纵向振动，之后声波沿锥形的喇叭耦合到4mm长的侧边光纤当中。侧边光纤的另一端通过紫外环氧树脂与主光纤相粘结，因此，声波可以通过侧边光纤耦合到主光纤当中。在该文章中介绍的剪切式压电陶瓷法产生和耦合扭转声波的换能器，属于另一种声波产生装置，即直接将声波发生器制作在光纤之上。其中pzt片利用氧环胶固定在角放大器的底端，将光纤插入到角放大器的中心，通过控制pzt的往返运动，从而产生耦合声波。

目前保偏光纤声光调制器中主要的两种声波发生耦合装置，在实际应用方面各有利弊。侧边光纤耦合法制作简单、拆卸灵活，无须在压电陶瓷片上打孔，但是声波的损耗比较大，尤其当粘结或者接触端不紧凑时，耦合效率将会受到影响。剪切式压电陶瓷法体积小、集成度高，同时声波的耦合效率相对较好，但制作过程较为繁琐，器件的功率较低。

本专利公开了一种压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器及其制作方法。该声光调制器突破性的采用陶瓷喷墨打印技术，可以通过喷墨的方式，直接将压电陶瓷打印到光纤的表面，并在可编程阵列电极所加的电压信号下，产生相应的振动，从而引起光纤中折射率的周期性变化，使保偏光纤中偏振模式之间发生耦合。与现有技术相比，压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器中陶瓷与光纤结合更为紧密，可以有效的降低声波的损耗。器件采用微阵列结构，可以对保偏光纤中偏振模式产生周期性微扰，提高了声波的耦合效率。同时，由于喷墨打印技术的使用，简化了制备工艺，可重复性高。

(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、耦合效率高的基于喷墨打印技术的压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器。

本发明的目的是这样实现的：

该声光调制器是由保偏光纤1、纵向金属阵列电极2、纵向压电陶瓷阵列3、可编程阵列电极4、径向内层金属阵列电极5、径向外层金属阵列电极6、径向压电陶瓷阵列7、电路8、金属引线9、基底10、外壳11组成。电压信号通过可编程阵列电极，可以使得打印在保偏光纤表面的压电陶瓷阵列单元将电能转化成振动所产生的声波能量，这些声波将会与光纤产生光弹效应，引起光纤中折射率的周期性变化，使保偏光纤中偏振模之间发生耦合，从而实现对光信号的调制。

所述的压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器中压电陶瓷结构通过陶瓷墨水的喷墨打印及高温烧结实现在光纤及金属电极表面的直接成型。其中压电陶瓷墨水由纳米级锆钛酸铅陶瓷粉、分散剂以及部分有机溶剂配制而成。

压电结构中电极的制备主要通过掩模以及金属溅射镀膜技术实现。在金属镀膜过程中，利用掩模版可以控制溅射到保偏光纤以及压电陶瓷表面的电极的形状，通过旋转保偏光纤可以形成环状金属电极。

该声光调制器采用了径向及纵向的压电换能结构，并以换能器阵的形式对光信号进行周期性调制。对可编程阵列电极选择性的输入电信号，可以控制某部分压电换能器的断开，从而实现不同的调制功能。根据输入的电信号的频率以及类型的不同，调制的类型以及调制的强度将会产生相应的变化，进而达到对光信号的调制目的。

通过对本发明设计中已经提出的两种压电换能结构，在光纤表面进行合理的排布，可以使得光纤声光调制器能够实现多种的调制功能。

(四)附图说明

图1是压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器结构以及局部放大示意图。

图2是纵向作用型压电阵列结构对光纤内折射率影响的仿真结果。

图3是径向作用型压电阵列结构对光纤内折射率影响的仿真结果。

图4是压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器工作原理示意图。

(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给出了基于喷墨打印技术的压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器实例。由保偏光纤1、纵向金属阵列电极2、纵向压电陶瓷阵列3、可编程阵列电极4、径向内层金属阵列电极5、径向外层金属阵列电极6、径向压电陶瓷阵列7、石英基底8、金属引脚9、金属引线10、外壳11组成。电压信号通过可编程阵列电极，可以使得打印在保偏光纤表面的压电陶瓷阵列单元将电信号转化成所需的声波信号，这些声波信号在光纤中会产生光弹效应，引起光纤中折射率的周期性变化，使保偏光纤中偏振模之间发生耦合，从而实现对光信号的调制。本发明可广泛用于光纤通信以及光纤传感领域。

该声光调制器中每个压电单元的工作原理均基于压电陶瓷的逆压电效应，由压电陶瓷的h型压电方程

可以确定压电陶瓷内力学量与电学量之间的关系。其中，t、s、d分别为应力、应变以及电位移，其下标分别表示受力及所加电场的方向。c、h、β分别为压电陶瓷的弹性常数、压电常数以及介电隔离率，且均可通过材料手册查询。

将压电方程与压电陶瓷的动力学方程及应变-位移的关系式联立求解，并根据边界条件(各材料在界面处的应力及位移连续)，可以确定压电陶瓷随所加电信号在径向、纵向以及圆周方向产生的应力与应变。

作用在光纤上的应力将使光纤产生相应的应变，并进一步导致光纤内折射率的变化，其具体的表达形式为

其中，p为光纤的弹光系数。因此，通过改变输入的电信号可以实现对光纤内折射率的调制。

根据所述的声光调制器，构建模型并对光纤内折射率的变化进行了仿真(具体的仿真结果见附图2、3)。

沿保偏光纤某一偏振轴传输的信号光，由于折射率的变化将使得相应波长处满足相位匹配条件的光在保偏光纤内原本正交的两个偏振模式之间产生耦合。通过旋转检偏器，可以在光纤的两个正交方向上得到不同类型的信号光。图4为压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器工作原理示意图。12为光源输出模块，13是压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器，14表示起偏器，15表示在调制器的作用下保偏光纤原本的正交偏振轴产生偏转，16表示检偏器。

基于喷墨打印技术的压电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器的具体制作过程如下：

(1)纵向作用型微阵列式压电结构的制备：

为实现结构的设计目的，申请人首先利用纳米级锆钛酸铅的压电陶瓷粉与分散剂以及其它有机溶剂配制出了均一稳定的压电陶瓷墨水。之后通过喷墨机将压电陶瓷墨水直接打印到保偏光纤的表面上，通过旋转保偏光纤，可以在保偏光纤表面上形成环形压电陶瓷单元阵列。将保偏光纤预热后放入到高温炉中加热烧结，之后进行退火处理，取出后在室温下冷却成型。

纵向作用压电陶瓷两侧的金属电极通过金属镀膜溅射技术制备完成。制备过程当中，利用置于保偏光纤和待溅射金属靶之间掩模板来控制保偏光纤表面上的金属电极的形状，通过旋转保偏光纤，可将环形金属电极制备在紧靠压电陶瓷环的两侧的保偏光纤表面上。

(2)径向作用型微阵列式压电结构的制备：

通过金属镀膜溅射技术制备内层电极，并将掩模板置于保偏光纤和待溅射金属靶之间，通过掩模来控制保偏光纤表面上的金属电极的形状，通过旋转保偏光纤，可将环形金属电极阵列制备在保偏光纤表面，形成压电陶瓷单元阵列的内层电极。

通过喷墨打印机将压电陶瓷墨水直接打印到保偏光纤内层阵列电极的表面上，在打印过程中预留一部分内层电极，使其不被压墨水所覆盖，作为内层电极以便与外部引线焊接。这样就沿着保偏光纤在内层阵列电极上，形成压电陶瓷单元阵列。然后将保偏光纤预热后放入到高温炉中加热烧结，之后进行退火处理，取出后在室温下冷却成型。

再次利用金属镀膜溅射电极制备技术在成型的压电陶瓷表面制备外层金属电极。在镀膜过程中，采用掩模板控制电极的形状，防止压电结构的外层电极与内层电极相连接。

(3)微阵列式压电结构制作完成后，通过超声焊接技术分别将引线与各个金属电极相焊接，以便能够将控制电压以编码的方式施加到压电陶瓷单元阵列上，从而实现对保偏光纤中传输光波的调制。

(4)对成型后的压电陶瓷进行极化处理，极化温度为110-130℃，同时，通过外接引线在环形压电陶瓷阵列单元上下以及两侧的两个金属电极上加电压信号，并使得压电陶瓷所处电场强度为1.52.2v/um，持续时间为15-20分钟。

(5)用紫外胶将已制备好的带有调制结构的保偏光纤固定在石英基底上，通过3d打印技术将设计好的壳体进行打印，并将载有保偏光纤的石英基底固定在壳体当中进行封装。

可以根据纵向和径向作用电陶瓷微阵列偏振型光纤声光调制器的制造方法，采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。电压信号通过可编程阵列电极，可以使得打印在保偏光纤表面的压电陶瓷阵列单元将电信号转化成所需的声波信号，这些声波信号在光纤中会产生光弹效应，引起光纤中折射率的周期性变化，使保偏光纤中偏振模之间发生耦合，从而实现对光信号的调制。