基于微型压电换能器阵的纤维集成Mach-Zehnder强度调制器的制作方法

本发明涉及的是光纤集成器件领域，具体涉及一种基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器。

(二)

背景技术：

与普通干涉仪相比光纤mach-zehnder干涉仪具有体积小、重量轻、高灵敏度等优点，在光纤传感及光纤通信方面有着重要的应用。传统光纤mach-zehnder干涉仪中两路光经历完全不同的光路，对干涉仪的稳定性造成一定影响。随着技术的改进，已可以实现两路干涉臂在同一双芯光纤中的集成，在提高器件稳定性的同时，使干涉仪的结构更加紧凑。

基于双芯光纤的mach-zehnder干涉仪，通常于双芯光纤两端的合适位置通过熔融拉锥或者热扩散技术制作3db耦合器，分别作为输入端耦合器和输出端耦合器。沿某一纤芯入射的光波经输入端耦合器实现分束后，分别沿两个纤芯传输，后经输出端耦合器实现两束光波的干涉。

当干涉仪中双芯光纤受到侧向应力作用时，应力在光纤圆柱横截面内呈现不均匀分布，使光纤产生径向折射率差值。光波经过应力作用的区域时，由于折射率差值的存在，将导致经过双芯光纤中两个纤芯的光波产生一定的相位差。专利cn102207638b公开的基于挤压式非对称双芯光纤开关中涉及到的mach-zehnder干涉仪即采用了类似结构，通过块状堆叠式压电陶瓷对非对称的双芯光纤的侧向挤压，使得传输于光纤的两个纤芯中的光波产生特定的相位差，进而实现需要的干涉效果。但采用的基于块状堆叠式压电陶瓷的驱动换能器，由于体积较大，不利于光纤器件的集成。同样是体积因素，此类干涉仪往往采用单块堆叠式压电陶瓷进行驱动，因此其调节能力受到限制，调节方式不够灵活。

专利cn201710896520.9公开的基于热电效应的可调制型纤维集成mach-zehnder干涉仪，通过对双芯光纤制作阵列式微型电热膜，实现了对光纤内折射率的周期性调制。该干涉仪具有较好的集成度，其调制方式也更加灵活。但由于电热膜存在散热问题，性能受到较大影响。

本发明公开的是一种基于微型压电换能器的纤维集成mach-zehnder干涉仪。利用压电陶瓷的微型换能器阵列实现对双芯光纤的侧向挤压，通过引入的外加应力对光纤内传输光信号间相位差进行调制，消除热致光纤折射率变化过程中热量扩散不及时的问题。对双芯光纤进行侧向挤压的微型换能器阵中压电陶瓷的制备，采用了光敏性压电陶瓷墨水的激光固化技术，提高了制作精度。微型换能器以周期阵列的形式制备在双芯光纤表面，其结构长度及分布周期在制备过程中根据设计及相应工艺可灵活的进行控制。通过调节输入到阵列电极的电压信号，可以实现输出光强的连续变化。通过对单个微型换能器结构及换能器阵列的设计，能够实现光强度的调节范围的扩展。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种易于集成、高精度、强度连续可变的基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器。

本发明的目的是这样实现的：

基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器，包括：双芯光纤1、3db耦合器2、底层电极阵列3、压电陶瓷阵列4、上层电极阵列5、单模光纤6。其中，选择双芯光纤1的任一端作为输出端与单模光纤6焊接，并于双芯光纤1的两端的合适位置通过熔融拉锥或者热扩散技术制作了3db耦合器2，分别为输入端耦合器2-1及输出端耦合器2-2。位于耦合器2-1及2-2之间的双芯光纤表面的指定位置上制作了由底层电极阵列3、压电陶瓷阵列4及上层电极阵列5构成的微型压电换能器。自双芯光纤1中某一纤芯入射强度为p0的光波，经输入端耦合器2-1后分成两束，并分别进入双芯光纤1中两个纤芯中继续传输。由电信号控制的压电换能器阵产生的挤压振动，引起双芯光纤1内折射率在径向上的不均匀分布，进而使两路光波间产生附加相位差。随后，两路光波于输出端耦合器2-2中进行干涉，并沿单模光纤6输出。通过相应编码的电压信号的输入，能够实现微型压电换能器阵中压电单元的选择性驱动及其振动强度的控制，使两路光波间相位差能够在0-2π之间的连续变化，从而实现输出光强在0-p0之间的连续性调制。

3db耦合器的制作，可在双芯光纤两端的合适位置采用熔融拉锥或者热扩散技术，通过控制相应参数来实现。其实现功能：输入端耦合器对沿某一纤芯入射的光波进行分束；输出端耦合器实现双芯光纤中两个芯内光波的干涉。

双芯光纤可分为对称双芯光纤与非对称双芯光纤。对称双芯光纤表面采用扇环形压电换能器；非对称双芯光纤采用扇环形或环形压电换能器。进一步，在双芯光纤中制作空气孔，可以实现双芯光纤受外力作用过程中应力、应变在光纤横截面内的集中分布。通过改变空气孔的位置及大小，能够保证同一外力作用于双芯光纤时，两个纤芯之间产生较大折射率差值，进而提高器件的调制性能。

所述的单个微型换能器为径向作用型的包括底层电极、压电陶瓷、上层电极的三层结构。该微型换能器制备于两个3db耦合器之间的双芯光纤表面的指定位置，并以相应周期的阵列形式排布，其周期及单个压电结构可制作为微米量级，具体大小可根据器件输出特性要求采用相应制作工艺进行调整。

为实现微型换能器中压电陶瓷的制备，首先配制了光敏性压电陶瓷墨水。其主要成分包括：纳米级锆钛酸铅(pzt)粉末、光敏树脂及分散剂。具体的制作需要将上述成分按相应比例混合，置于行星式球磨仪中进行均匀搅拌。

微型换能器中压电陶瓷的制备，首先需要将制备有底层电极阵列的双芯光纤固定于可实现其轴向转动的夹具当中。随后，于双芯光纤表面均匀涂覆(或蘸取)适量配制好的光敏性压电陶瓷墨水。通过电脑软件的控制，以实现振镜的密切配合，使激光对光纤表面的特定位置进行精确的扫描，用于固化位于底层电极阵列表面的压电陶瓷墨水，并确保每个底层电极中有一部分不被覆盖，用于焊接金属引线。对残留在光纤表面的墨水进行冲洗后，将制备有压电陶瓷的双芯光纤置于高温加热炉中做烧结处理。

压电陶瓷的厚度，主要通过墨水中锆钛酸铅(pzt)粉末含量以及在光纤表面对光敏性压电陶瓷墨水的多次涂覆、固化来实现。

本发明所述的基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器，其功能的具体实现：

通过金属引线输入到微型压电换能器阵的编码电压信号，能够实现微型压电换能器阵的选择性驱动及其振动强度的控制。换能器对光纤的振动挤压，导致了双芯光纤内应变的产生。

光纤内的应变进一步导致双芯光纤内折射率的变化，其折射率变化量δn具体的表达形式为：

其中，n为光纤折射率；p11、p12为光纤的弹光系数；sr为光纤内径向应变。

由折射率变化的不同导致经非对称双芯光纤内两个纤芯的光波之间产生的相位差为

其中，λ0为输入光波的波长；l为微型压电换能器阵中实现驱动的换能器的总长度；δn′＝δn1-δn2，δn1为中间芯中折射率变化量，δn2为边芯中折射率变化量。

该调制器中，自非对称双芯光纤中间芯输入强度为p0的光波，其输出端中间芯输出强度为其中，光纤两端均采用3db耦合器，c1＝c2＝0.5。

由此可知，通过相应编码的电压信号的输入，可以对光纤内所受应力sr及接入电压信号的换能器总长度l进行控制，通过对光纤内折射率及两路光波间相位差的调制，进而可以实现输出强度的连续变化。

(四)附图说明

图1为基于压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器的结构示意图。

图2为光敏性压电陶瓷激光固化系统示意图。

图3为基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器中所用光纤及压电换能器的举例。

图4为带空气孔双芯光纤举例。

图5是对应于图4(a)单空气孔光纤受换能器挤压时横截面内应变仿真示意图。

图6是对应于图4(b)双气孔光纤受换能器挤压时横截面内应变仿真示意图。

图7是对应于图4(c)小尺寸的双气孔光纤受换能器挤压时横截面内应变仿真示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。

图1给出了基于压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器的结构示意图。包括：双芯光纤1、3db耦合器2、底层电极阵列3、压电陶瓷阵列4、上层电极阵列5、单模光纤6。

为实现本发明，申请人首先配制了可用于压电陶瓷光固化的光敏性压电陶瓷墨水。选取纳米级锆钛酸铅(pzt)粉末、光敏树脂及分散剂，并将其按相应比例混合，置于行星式球磨仪中进行均匀搅拌，制备所需的光敏性压电陶瓷墨水。

基于压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器的制作过程包括：

(1)利用光纤切割刀截取合适长度的双芯光纤，选择双芯光纤的一个输出端与单模光纤焊接。于双芯光纤两端的合适位置通过熔融拉锥或者热扩散技术分别制备3db耦合器，作为输入端和输出端耦合器。

(2)采用金属溅射镀膜技术对双芯光纤表面位于两个3db耦合器之间的双芯光纤表面的指定位置进行镀膜。镀膜时，需要将制备好的阵列掩膜版置于金属靶材与光纤表面之间，同时通过控制光纤轴向旋转的角度，将底层电极阵列紧密的制备在双芯光纤表面。其中，金属靶材需要耐高温材料，保证后期压电陶瓷烧结过程中仍具有较好的性质。

(3)采用通孔步进电机及夹头作为光纤的轴向旋转装置，将制备有底层电极阵列的双芯光纤通过夹头固定于两平行放置的步进电机之间。随后，于双芯光纤表面涂覆(或蘸取)适量配制好的光敏性压电陶瓷墨水，其中涂覆(或者蘸取)过程中，保持光纤的轴向旋转，以保证墨水能均匀的分布在底层电极表面。

(4)在光学平板上调整激光器的位置，通过电脑软件的控制，实现振镜组的密切配合，使激光对光纤表面的特定位置进行精确的扫描。通过控制光纤在轴向旋转的特定角度，能够将压电陶瓷墨水固化于光纤的底层电极阵列的表面。随后，对残留在光纤表面的墨水进行冲洗。在固化过程中保证每个底层电极中有一部分不被压电陶瓷覆盖以用于焊接金属引线。将制备有压电陶瓷阵列的双芯光纤置于高温加热炉中做烧结处理，使压电陶瓷能紧密的制备在电极表面。此过程中，光敏性压电陶瓷墨水中pzt粉末的含量会影响最终烧结后压电陶瓷的厚度。同时，通过光敏性压电陶瓷墨水在光纤表面的反复涂覆、固化及烧结亦可以实现压电陶瓷厚度的控制。图2为光敏性压电陶瓷激光固化系统示意图。1为双芯光纤，6为激光振镜，7为激光器及主板套件，8为支架，9为光学平板，10为通孔步进电机，11为电机夹头。

(5)将烧结后已制备有致密压电陶瓷薄膜的光纤再次进行溅射镀膜，完成上层电极阵列的制备。其中，镀膜过程中需要精确控制掩膜的位置，保证上层电极能够准确的制备在压电陶瓷表面而不与下层电极相连。

(6)随后，通过超声焊接技术将外侧金属电极通过引线分别与微型压电换能器中底层及上层电极相焊接，以便能够将电压以编码的方式施加到压电陶瓷单元阵列上，实现对压电陶瓷的振动控制。

(7)通过外接引线在压电陶瓷阵列的两个金属电极上加电压信号，对压电陶瓷进行径向极化处理。所加电场强度为1.5—2.2v/um，持续时间为15—20分钟，极化过程中温度保持在110—130℃。

(8)于石英基底上用环氧胶对光纤进行固化，随后进行封装。

根据以上制作过程，采用不同光纤，通过改变金属电极及压电陶瓷制作过程中光纤的旋转角度，可以实现多种基于微型压电换能器的纤维集成mach-zehnder强度调制器的制作。图3为基于微型压电换能器阵的纤维集成mach-zehnder强度调制器中所用光纤及压电换能器的举例。(a)为对称双芯光纤及扇环形换能器结构(b)是非对称双芯光纤及扇环形换能器结构(c)表示非对称双芯光纤及环形换能器结构。

通过在双芯光纤内制作空气孔，可以改变双芯光纤受外力作用时横截面内应力、应变的分布，进而提高器件的调制性能。以图3(c)非对称双芯光纤、环形压电换能器结构为例，通过三种带孔双芯光纤进行说明。

图4为带空气孔双芯光纤举例。其中，图4(a)中纤芯1-1分别位于双芯光纤1的中心位置及一侧，空气孔1-2位于中间芯的另一侧。图4(b)中纤芯1-1分别位于双芯光纤1的中心位置及一侧，空气孔1-2位于两个纤芯的轴线垂直方向，于中间芯对称分布。图4(c)中纤芯1-1分别位于双芯光纤1的中心位置及一侧，具有较小尺寸的空气孔1-2位于两个纤芯轴线的垂直方向，于中间芯对称分布。

图5、6、7分别是对应于图4(a)单空气孔、(b)双空气孔、(c)具有较小尺寸的双空气孔双芯光纤受换能器相同应力挤压作用下横截面内应变仿真示意图。由仿真易知，双芯光纤内空气孔的存在，能够实现双芯光纤受外力作用过程中应力、应变在光纤横截面内的集中分布，能够保证同一外力作用于双芯光纤时，两个纤芯之间产生较大折射率差值，进而提高器件的调制性能。