LiNbO3集成光學(xué)器件耦合用UV膠性能研究

李俊偉 張斌 鄧興虎

摘 要：LiNbO3集成光學(xué)器件的耦合損耗主要UV膠特性以及耦合對準位置精度所決定，UV膠是高分子聚合物，具有很強的蠕變特性、透光特性等，因此膠的選擇比較關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺;LiNbO3集成光學(xué)器件;Y波導(dǎo);UV膠;耦合膠

中圖分類號：TN929.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0224-02

0 引言

Y波導(dǎo)的耦合是一個六維精確對準并用UV膠粘接固定的過程。當環(huán)境條件變化時，由于紫外固化膠、LiNbO3晶體、尾纖支座的熱膨脹系數(shù)不同，在保偏光纖與光波導(dǎo)的橫向（X，Y方向），縱向（Z方向）及旋轉(zhuǎn)方向上都會產(chǎn)生相對位移[1]。這種位移將會對器件的光學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響。

1 Y波導(dǎo)性能與耦合對準精度的關(guān)系

當保偏光纖與光波導(dǎo)耦合時，一共有六維自由度可以調(diào)節(jié)，如圖1所示。分別是：（1）沿X方向的位移x0;（2）沿Y方向的位移y0;（3）沿Z方向的位移z0;（4）繞OX旋轉(zhuǎn)的俯仰角α;（5）繞OY旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角β;（6）保偏光纖慢軸與光波導(dǎo)偏振軸向的夾角θ。當x0、y0、z0任何一種位移或α和β角度發(fā)生改變時，都會影響到插入損耗，而θ角度發(fā)生改變時，主要影響的是偏振串音。因此有必要對每個方向的位移和角度進行容差分析，并根據(jù)相應(yīng)的容差結(jié)果進行工藝控制，確保獲取最低的插入損耗、偏振串音和良好的穩(wěn)定性[2]。

1.1 Y波導(dǎo)性能與耦合UV膠的關(guān)系

保偏尾纖與波導(dǎo)耦合兩者之間的相對位置直接影響到效率的高低，在器件生產(chǎn)過程中，對準位置的精度由精密光學(xué)調(diào)整架來實現(xiàn)，可以達到nm級定位精度，一旦定位完成后采用UV膠來實現(xiàn)固定粘接，長期可靠性也由耦合點的UV膠來保證。耦合UV膠隨著環(huán)境的改變發(fā)生裂化，對于x0、y0、z0任何一種位移或α和β角度發(fā)生改變時，造成傳輸中有額外光泄漏，導(dǎo)致?lián)p耗變大，嚴重時會致使器件失效。

Y波導(dǎo)用耦合UV膠是高分子聚合物，具有很強的蠕變特性，UV膠的選擇非常關(guān)鍵，而蠕變在高溫時效應(yīng)比較明顯，因此做長期高溫存儲就能凸顯耦合UV膠的蠕變特性，通過用制成器件的長期可靠性驗證。試驗時間≥2000小時，85℃高溫存儲。

1.2 尾纖偏振串音與耦合模場對應(yīng)關(guān)系

基于陀螺應(yīng)用情況要求Y波導(dǎo)的尾纖偏振串音越低越好，因此要求尾纖支座與波導(dǎo)端面進行耦合時需要對保偏光纖/波導(dǎo)夾角θ精確對準。波導(dǎo)采用質(zhì)子交換工藝制備，因而波導(dǎo)工作于單偏振態(tài)（TE模），故波導(dǎo)輸出光可近似為線偏振光，只有保偏光纖的慢軸與波導(dǎo)偏振模方向一致，才能達到低的偏振串音，即尾纖偏振串音可以轉(zhuǎn)化為保偏光纖慢軸與波導(dǎo)的TE模方向成夾角θ。

在生產(chǎn)制作過程中，為了確保尾纖偏振串音滿足使用要求，在尾纖支座與波導(dǎo)端面進行耦合時，通過尾纖偏振串音檢測設(shè)備監(jiān)控對準，確保尾纖偏振串音≤-30dB。

2 UV膠性能參數(shù)測試對比

由上述分析可知，耦合對準位置精度對Y波導(dǎo)性能影響很大。由于Y波導(dǎo)與尾纖支座的粘接是整個器件的最薄弱環(huán)節(jié)，從粘接面積來說尾纖支座與芯片端面有2.0mm2左右。而在這么小的粘接面積，還要保證較好的透光性，所以UV膠性能要求很高，即要有較大的粘接強度較小的固化收縮率和熱膨脹系數(shù)適當?shù)恼凵渎?。下面是對三種UV膠，Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號膠性能參數(shù)進行實驗對比。

2.1 透光率

耦合UV膠透光性變化主要是指耦合膠的透光性所發(fā)生的變化，耦合點所采用的是UV膠固化環(huán)氧膠，在此處耦合膠起到了固定與折射率匹配的雙重作用，膠體性質(zhì)發(fā)生變化時對應(yīng)的折射率也會發(fā)生變化。固化后的UV膠折射率約在1.50左右，而且粘接所用的UV膠厚度小于3～6μm，即使是折射率發(fā)生0.1的變化，所帶來的損耗變化也不足以影響到產(chǎn)生0.1dB以上的損耗變化。

2.5 固化速率

Y波導(dǎo)UV膠耦合固化速率對粘接操作和粘接結(jié)果也有很大影響，粘接固化速率的快慢直接影響其性能與效率。所以UV膠在0.5～1h完全固化為宜。在紫外光光強為不小于2～4mW/cm2固化后，在室溫22±2℃的環(huán)境下進行測試，有關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

2.6 尾纖支座耦合性能

UV膠在尾纖耦合時主要起兩個作用：

（1）粘結(jié)硅V形槽和LiNbO3基片;

（2）折射率匹配（LiNbO3基片折射率在2.10左右;光纖折射率在1.45左右;UV膠折射率在1.50左右）。

對研制的UV膠樣品Ⅰ耦合成功的Y波導(dǎo)進行性能測試，其主要技術(shù)指標為：常溫插入損耗為3.2dB;器件分束比誤差精度小于±1%;偏振串音小于-30dB。

3 結(jié)語

通過對三種UV膠性能參數(shù)的分析對比，Ⅰ號膠更適用于Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的耦合使用。

參考文獻

[1] 沈映欣.光纖陀螺用1.3μm LiNbO3集成光學(xué)器件[J].半導(dǎo)體光電，2000，21（2）：101-110.

[2] 王軍龍，王巍，徐宇新.集成光路技術(shù)指標對光纖陀螺性能的影響[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2005，13（4）：52-57.