專(zhuān)利名稱(chēng)：鍍有微帶電極的熱極化光纖器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用熔石英光纖極化方法制作極化光纖器件，尤其是采用熱極化工藝制作極化光纖器件的技術(shù)領(lǐng)域。
自從Myers等人證實(shí)了熱極化或紫外極化技術(shù)可以在熔石英光纖中產(chǎn)生較大的二階非線(xiàn)性效應(yīng)和線(xiàn)性電光效應(yīng)以后，許多科學(xué)家都在努力將極化光纖制成具有各種功能的光纖器件。Kazansky設(shè)計(jì)了單模光纖磨拋的“D”型光纖結(jié)構(gòu)，得到了真空中熱極化的電光效應(yīng)。Long和Brueck報(bào)道了在12cm極化長(zhǎng)度上得到了半波電壓僅75伏的熱極化電光光纖。Fleming等人應(yīng)用雙孔和內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)，經(jīng)紫外極化，得到了半波電壓達(dá)18伏的極化光纖電光調(diào)制器。V．Pruneri等人利用熱極化方法和周期電極，將D型摻鍺光纖制成了二階非線(xiàn)性光柵，得到了大于20％的倍頻轉(zhuǎn)換效率。最近，B．Srinivasan and R．K．Jain演示了用熱極化光纖制作的光纖布拉格光柵上的電光調(diào)諧。這些極化光纖在實(shí)驗(yàn)室里是成功的，但在實(shí)用上還存在許多困難。Kazansky的極化光纖電極是壓在光纖上的，該種結(jié)構(gòu)無(wú)法應(yīng)用于較長(zhǎng)光纖的極化，而且也無(wú)法用于高速的電光調(diào)制。Fleming等人的雙孔和內(nèi)電極結(jié)構(gòu)幾乎使該極化光纖無(wú)法與實(shí)際的光纖系統(tǒng)熔接。Long制作的極化光纖不僅與實(shí)用的通信光纖熔接困難，而且價(jià)格昂貴。除這些已演示的由極化光纖制作的光纖器件外，人們還希望能用極化光纖制成全光纖電光強(qiáng)度調(diào)制器和全光纖光開(kāi)關(guān)。然而，制作干涉儀型電光強(qiáng)度調(diào)制器的一個(gè)重要問(wèn)題就是如何控制好干涉儀中光波的偏振態(tài)，解決方法之一就是利用保偏光纖熱極化器件和保偏光纖耦合器來(lái)構(gòu)建全保偏光纖干涉儀，并在該系統(tǒng)中加入一個(gè)光纖偏振器以進(jìn)一步改善此干涉儀偏振性能。但是，多增加一個(gè)光纖器件，不僅使系統(tǒng)體積變大，而且也使系統(tǒng)的損耗增加，穩(wěn)定性變差。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種保偏的、帶有尾纖、易于與實(shí)際光纖系統(tǒng)熔接的、鍍有微帶電極的熱極化光纖器件，該極化光纖器件可同時(shí)用作光纖電光相位調(diào)制器和光纖偏振器，也可以用于制作高穩(wěn)定性的全光纖振幅調(diào)制器和全光纖開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明是通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)的該極化光纖器件由光纖、陰極、陽(yáng)極、聚酰亞胺涂層和石英玻璃等構(gòu)成；光纖是一根帶有尾纖、長(zhǎng)約2m的保偏光纖，其中部長(zhǎng)為60mm的一個(gè)應(yīng)力區(qū)部分被磨去，并在拋磨平面上鍍有60μm寬、40mm長(zhǎng)的一層Cr∶Al膜，形成金屬微帶形狀的電極即陽(yáng)極，而同時(shí)鍍?cè)诠饫w未拋磨部分的圓柱表面上的金屬微帶形狀的電極部分則比較寬，幾乎覆蓋了光纖表面的一半，該寬電極通過(guò)導(dǎo)電膠與導(dǎo)線(xiàn)相連；此段光纖的拋磨平面朝下，通過(guò)一層聚酰亞胺膠將其粘于一塊石英玻璃上，然后用聚酰亞胺一層一層地涂覆已拋磨光纖；在聚酰亞胺層的頂部鍍有一層寬2mm的鋁膜，形成第二個(gè)電極即陰極。此電極與微帶電極構(gòu)成了光纖極化和光纖調(diào)制的一對(duì)電極。將光學(xué)加工好了的光纖器件置于280℃溫度下，在兩電極間施加3000V直流電壓并進(jìn)行15分鐘的熱極化，即獲得鍍有微帶電極的熱極化光纖器件。


圖1拋磨好的、鍍有微帶電極的光纖及其橫截面示意2鍍有微帶電極的熱極化光纖器件的結(jié)構(gòu)示意3鍍有微帶電極的熱極化光纖器件的橫截面示意4偏振消光測(cè)試系統(tǒng)原理5極化光纖的TE和TM模場(chǎng)在單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生損耗的曲線(xiàn)6具有微帶電極和平面電極的極化熊貓光纖器件的橫截面示意圖現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1，先將一根2m長(zhǎng)的光纖(1)的中部的一段(長(zhǎng)約60mm)的護(hù)層剝?nèi)?，利用?cè)視定軸技術(shù)，將該光纖的一個(gè)雙折射軸(慢軸)垂直于拋磨基塊表面；然后將該剝?nèi)プo(hù)層的光纖(1)固定于玻璃拋磨基塊上，利用拋磨技術(shù)，將該光纖段上一個(gè)應(yīng)力區(qū)(2)磨去，直到拋磨平面與光纖芯(3)的距離約為1μm。為了減小光纖(1)拋磨平面上的散射損耗，可進(jìn)行進(jìn)一步地精細(xì)拋光。將拋磨好的光纖(1)固定于專(zhuān)用夾具上，在側(cè)拋磨平面上鍍上一層Cr∶Al膜，以形成光纖極化時(shí)電極之一的陽(yáng)極(4)。此夾具設(shè)計(jì)成使薄膜電極鍍?cè)趻伳テ矫嫔?，同時(shí)也鍍?cè)诠饫w未拋磨部分的圓柱表面上。在拋磨平面上的電極部分是60μm寬、40mm長(zhǎng)的金屬微帶形狀的電極(4)，而在圓柱型表面部分的電極部分(8)則比較寬，參照?qǐng)D2，幾乎覆蓋了光纖表面的一半。寬電極(8)通過(guò)導(dǎo)電膠與導(dǎo)線(xiàn)相連，并進(jìn)一步地與外部電信號(hào)相連。
這種直接在保偏光纖的側(cè)拋磨平面上鍍制的微帶電極，不僅可提高極化光纖器件在極化時(shí)的抗擊穿能力，而且有助于高速電光調(diào)制，同時(shí)由于金屬電極層與與光纖模場(chǎng)的相互作用，使器件產(chǎn)生了很好的偏振消光特性，構(gòu)成了金屬覆層光纖偏振器。
參照?qǐng)D2和圖3，為形成極化光纖器件，將此段待極化光纖的拋磨平面朝下，并用一層聚酰亞胺膠將其粘于一塊石英玻璃(7)上。然后用聚酰亞胺膠一層一層地涂覆已拋磨光纖。最后在聚酰亞胺層(6)的頂部鍍一層寬2mm的鋁膜形成第二個(gè)電極即陰極(5)。此電極(5)與微帶電極(4)構(gòu)成了光纖極化和光纖調(diào)制的一對(duì)電極。兩電極間的距離約為90μm，其中包括陰極電極(5)和光纖(1)表面之間的一層20μm厚的聚酰亞胺層(6)，兩電極(4)、(5)間的交疊長(zhǎng)度約為40mm。
光纖熱極化時(shí)，在溫度為300°C的條件下，在光纖兩側(cè)面加上強(qiáng)度大于107V／m的強(qiáng)電場(chǎng)，由于拋磨光纖兩側(cè)電極(4)、(5)的間距小于80μm，極易發(fā)生電極間的擊穿現(xiàn)象，因此在制作光纖側(cè)拋磨平面上的微帶電極(4)的同時(shí)，要在兩電極間加入抗高電場(chǎng)擊穿的絕緣材料。聚酰亞胺有著良好的高溫抗高電場(chǎng)擊穿的性能，在溫度為300°C時(shí)，耐壓值可達(dá)108V／m，所以選用聚酰亞胺膠(6)作為電極間的絕緣材料。
熱極化前后，測(cè)試光纖器件的偏振消光比。參照?qǐng)D4，偏振消光測(cè)試系統(tǒng)的原理如下，由He-Ne激光器(9)輸出的光作為調(diào)校光，與被調(diào)制驅(qū)動(dòng)的LD激光器(10)輸出的1．3μm的測(cè)試用激光一起，經(jīng)一個(gè)光纖耦合器(11)共同注入測(cè)試系統(tǒng)。再經(jīng)過(guò)退偏振裝置(12)，出射的光作為待測(cè)試光纖器件(13)偏振特性檢測(cè)用的光源。從待測(cè)試光纖器件上(13)出射的光，經(jīng)偏振分析器(14)后，照射到光電探測(cè)器(15)上。信號(hào)再經(jīng)鎖相放大，送入計(jì)算機(jī)(16)。轉(zhuǎn)動(dòng)偏振分析器(14)，就可測(cè)出器件(13)的消光比。該偏振消光比測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度大于40dB。極化前，將幾個(gè)待極化光纖放入偏振消光測(cè)試系統(tǒng)中，可測(cè)得其偏振消光比為10-30dB，最大可達(dá)32dB。
對(duì)于此電極結(jié)構(gòu)的待極化光纖(1)，可進(jìn)行波導(dǎo)特性的計(jì)算分析?？山普J(rèn)為此待極化光纖(1)是六層雙金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其纖芯(3)直徑為a=7μm，折射率n1=1．46，包層折射率n2=1．45，厚度為b2=59μm，包層拋磨一邊的剩余厚度為b1=1～5μm；待極化光纖上部覆蓋的聚酰亞胺(6)的折射率n3=1．6，厚度d≈20μm；上下兩層鋁膜電極(4)、(5)的折射率n4=1．2+i7，鋁膜厚度認(rèn)為是無(wú)窮大。利用波導(dǎo)理論，計(jì)算出當(dāng)纖芯(3)與拋磨平面上金屬電極(4)的距離b1由10μm減小到1μm時(shí)，每厘米光纖長(zhǎng)度產(chǎn)生損耗的分貝值，參照?qǐng)D5，圖中橫坐標(biāo)為b1，單位為μm，縱坐標(biāo)為光纖每厘米長(zhǎng)度上產(chǎn)生的損耗，單位為dB／cm。上面一條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)電場(chǎng)垂直于金屬電極平面的模場(chǎng)(在波導(dǎo)理論中常定義為T(mén)M模場(chǎng))的損耗變化，下面一條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)電場(chǎng)平行于金屬電極平面的模場(chǎng)(在波導(dǎo)理論中常定義為T(mén)E模場(chǎng))的損耗變化。由圖中曲線(xiàn)可看出，當(dāng)纖芯(3)與拋磨平面上金屬電極(4)的距離b1＜2μm時(shí)，TM模的損耗很大，可達(dá)5dB／cm，而TE模的損耗不大于0．5dB／cm。這是因?yàn)槔w芯波導(dǎo)中的光學(xué)波在金屬鋁膜與光纖包層交界面上產(chǎn)生了表面等離子體波，從而使TM波損耗極大的緣故。TM模與TE模損耗差的存在表明本發(fā)明所用的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有偏振消光特性，器件可作為光纖波導(dǎo)偏振器使用。另外，圖5中的計(jì)算結(jié)果還表明，當(dāng)纖芯(3)與拋磨平面上金屬電極(4)的距離大于5μm時(shí)，偏振消光作用可以忽略。
完成光學(xué)加工后，將光纖器件置于280℃溫度下，在兩電極(4)、(5)間施加3000V直流電壓，進(jìn)行15分鐘的熱極化，獲得鍍有微帶電極的熱極化光纖器件。
極化后的極化光纖再進(jìn)行偏振消光比測(cè)試，器件的偏振消光比沒(méi)有變化，這表明，熱極化過(guò)程不改變金屬膜覆層對(duì)光纖波導(dǎo)的偏振消光作用。
極化后的光纖用光波長(zhǎng)為1．3μm的全保偏光纖Mach-Zehnder干涉儀測(cè)試其電光系數(shù)。測(cè)試表明極化光纖中已產(chǎn)生電光效應(yīng)，TM模的電光系數(shù)大于0．4pm／V。此時(shí)，該極化光纖器件已同時(shí)具有電光調(diào)制器和光纖偏振器的功能。
在極化完成后，參照?qǐng)D6，將極化陰極(5)和被聚酰亞胺(6)包裹的光纖(1)側(cè)面的包層拋磨掉一部分，以降低器件的整體厚度，再在新的平面上鍍上一層調(diào)制電極(17)，就構(gòu)成一種新的電極結(jié)構(gòu)。這種電極結(jié)構(gòu)不僅會(huì)增強(qiáng)器件的偏振選擇性，而且還會(huì)降低調(diào)制半波電壓。
在極化完成后，參照?qǐng)D6，將極化陰極(5)和被聚酰亞胺(6)包裹的光纖(1)側(cè)面的包層拋磨掉一部分，以降低器件的整體厚度，并利用新拋磨的平面將光纖光柵寫(xiě)入光纖(1)，再在新的平面上鍍上一層調(diào)制電極(17)，就可以構(gòu)成光纖布拉格光柵的電光調(diào)諧器件。
將陰極(5)鍍制成周期性電極，使光纖周期極化，則該光纖器件可作為全光纖光頻率轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的鍍有微帶電極的熱極化光纖器件，具有如下的積極效果1、該極化光纖器件不僅能作為電光調(diào)制器，而且能作為光纖偏振器使用，是一種新型的集成光纖器件，其電光系數(shù)大于為0．4pm／V，偏振消光比大于32dB。
2、由于該極化光纖器件在一根保偏光纖上，通過(guò)定軸、磨拋、熱極化制成，兩端帶有保偏尾纖，可直接與其它光纖系統(tǒng)熔接，因此可用其方便地構(gòu)成偏振穩(wěn)定的全光纖系統(tǒng)。
實(shí)施例制作熱極化光纖器件所用樣品光纖(1)是1．3μm的單模、摻鍺商品熊貓光纖，長(zhǎng)2m，纖芯直徑約7微米，尾纖長(zhǎng)1m。先將光纖(1)的中部的一段(長(zhǎng)約60mm)的護(hù)層剝?nèi)?，并固定于玻璃拋磨基塊上。利用拋磨技術(shù)，將該光纖段上一個(gè)應(yīng)力區(qū)(2)磨去，并進(jìn)行精細(xì)拋光直到拋磨平面與光纖芯(3)的距離約為1μm。將拋磨好的光纖(1)固定于專(zhuān)用夾具上，在側(cè)拋磨平面上真空鍍一層Cr∶Al膜，以形成陽(yáng)極(4)，同時(shí)也鍍?cè)诠饫w未拋磨部分的圓柱表面上。在拋磨平面上的電極部分是60μm寬、40mm長(zhǎng)的金屬微帶形狀的電極(4)，而在圓柱型表面部分的電極部分(8)則比較寬，用導(dǎo)電膠將寬電極(8)與導(dǎo)線(xiàn)相連。然后用桂林電器科學(xué)研究所生產(chǎn)的聚酰亞胺膠(6)將鍍有微帶電極的光纖(1)粘于石英玻璃(7)上，再用多層聚酰亞胺膠(6)涂覆光纖(1)，每層進(jìn)行三個(gè)溫度周期的預(yù)固化，在80℃、120℃、160℃各持續(xù)15分鐘，數(shù)層聚酰亞胺膠(6)涂覆后，再將整個(gè)聚酰亞胺堆(6)進(jìn)行四個(gè)溫度周期的固化，在120℃、160℃、200℃各持續(xù)15分鐘。至350℃維持30分鐘以上。最后在聚酰亞胺層(6)的頂部真空鍍一層寬2mm的鋁形成第二個(gè)電極即陰極(5)。將上述光學(xué)加工好了的約40mm長(zhǎng)、90μm厚的光纖樣品，置于280℃溫度下，施加3000V的直流高電壓，進(jìn)行15分鐘的熱極化，即得到鍍有微帶電極的熱極化光纖器件。
權(quán)利要求
1.一種鍍有微帶電極的熱極化光纖器件，其特征在于該極化光纖器件由光纖(1)、陰極(5)、陽(yáng)極(4)、聚酰亞胺涂層(6)和石英玻璃(7)等構(gòu)成；光纖(1)是一根帶有尾纖、長(zhǎng)約2m的保偏光纖，其中部長(zhǎng)為60mm的一個(gè)應(yīng)力區(qū)部分(2)被磨去，并在拋磨平面上鍍有60μm寬、40mm長(zhǎng)的一層Cr∶Al膜，形成金屬微帶形狀的電極即陽(yáng)極(4)，而同時(shí)鍍?cè)诠饫w未拋磨部分的圓柱表面上的金屬微帶形狀的電極部分(8)則比較寬，該寬電極(8)通過(guò)導(dǎo)電膠與導(dǎo)線(xiàn)相連；此段光纖的拋磨平面朝下，通過(guò)一層聚酰亞胺膠(6)將其粘于一塊石英玻璃(7)上，然后用聚酰亞胺膠(6)一層一層地涂覆已拋磨光纖(1)；在聚酰亞胺層(6)的頂部鍍有一層寬2mm的鋁膜，形成第二個(gè)電極即陰極(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化光纖器件，其特征在于該極化光纖器件用作光纖電光相位調(diào)制器或光纖偏振器或同時(shí)用作光纖電光相位調(diào)制器和光纖偏振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化光纖器件，其特征在于用此極化光纖制作的干涉儀型全光纖振幅調(diào)制器、全光纖光開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化光纖器件，其特征在于用此極化光纖制作的全光纖光頻率轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化光纖器件，其特征在于在極化完成后，將極化陰極(5)和被聚酰亞胺(6)包裹的光纖(1)側(cè)面的包層拋磨掉一部分，再在新的平面上鍍上一層調(diào)制電極(17)，所構(gòu)成的電極結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化光纖器件，其特征在于在極化完成后，將極化陰極(5)和被聚酰亞胺(6)包裹的光纖(1)側(cè)面的包層拋磨掉一部分，并利用新拋磨的平面將光纖光柵寫(xiě)入光纖(1)，再在新的平面上鍍上一層調(diào)制電極(17)，所構(gòu)成的光纖布拉格光柵的電光調(diào)諧器件。
全文摘要
一種鍍有微帶電極的熱極化光纖器件。本發(fā)明涉及一種采用熱極化工藝制作極化光纖器件的技術(shù)領(lǐng)域。該極化光纖器件由保偏光纖、陰極、陽(yáng)極、聚酰亞胺涂層和石英玻璃等構(gòu)成,同時(shí)具有線(xiàn)性電光效應(yīng)和偏振消光效應(yīng),是組合有線(xiàn)性電光調(diào)制器和光學(xué)偏振器功能的集成光纖器件,其電光系數(shù)大于0.4pm/V,偏振消光比大于32dB。該器件可以用于制作高穩(wěn)定性的全光纖振幅調(diào)制器和全光纖開(kāi)關(guān)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1289061SQ0011368
公開(kāi)日2001年3月28日 申請(qǐng)日期2000年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月14日
發(fā)明者陳哲, 胡永明, 孟洲, 倪明, 熊水東 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)