LiNbO3集成光学器件耦合用UV胶性能研究

李俊伟 张斌 邓兴虎

摘 要：LiNbO3集成光学器件的耦合损耗主要UV胶特性以及耦合对准位置精度所决定，UV胶是高分子聚合物，具有很强的蠕变特性、透光特性等，因此胶的选择比较关键。

关键词：光纤陀螺;LiNbO3集成光学器件;Y波导;UV胶;耦合胶

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0224-02

0 引言

Y波导的耦合是一个六维精确对准并用UV胶粘接固定的过程。当环境条件变化时，由于紫外固化胶、LiNbO3晶体、尾纤支座的热膨胀系数不同，在保偏光纤与光波导的横向（X，Y方向），纵向（Z方向）及旋转方向上都会产生相对位移[1]。这种位移将会对器件的光学性能产生重要的影响。

1 Y波导性能与耦合对准精度的关系

当保偏光纤与光波导耦合时，一共有六维自由度可以调节，如图1所示。分别是：（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）绕OX旋转的俯仰角α;（5）绕OY旋转的偏转角β;（6）保偏光纤慢轴与光波导偏振轴向的夹角θ。当x0、y0、z0任何一种位移或α和β角度发生改变时，都会影响到插入损耗，而θ角度发生改变时，主要影响的是偏振串音。因此有必要对每个方向的位移和角度进行容差分析，并根据相应的容差结果进行工艺控制，确保获取最低的插入损耗、偏振串音和良好的稳定性[2]。

1.1 Y波导性能与耦合UV胶的关系

保偏尾纤与波导耦合两者之间的相对位置直接影响到效率的高低，在器件生产过程中，对准位置的精度由精密光学调整架来实现，可以达到nm级定位精度，一旦定位完成后采用UV胶来实现固定粘接，长期可靠性也由耦合点的UV胶来保证。耦合UV胶随着环境的改变发生裂化，对于x0、y0、z0任何一种位移或α和β角度发生改变时，造成传输中有额外光泄漏，导致损耗变大，严重时会致使器件失效。

Y波导用耦合UV胶是高分子聚合物，具有很强的蠕变特性，UV胶的选择非常关键，而蠕变在高温时效应比较明显，因此做长期高温存储就能凸显耦合UV胶的蠕变特性，通过用制成器件的长期可靠性验证。试验时间≥2000小时，85℃高温存储。

1.2 尾纤偏振串音与耦合模场对应关系

基于陀螺应用情况要求Y波导的尾纤偏振串音越低越好，因此要求尾纤支座与波导端面进行耦合时需要对保偏光纤/波导夹角θ精确对准。波导采用质子交换工艺制备，因而波导工作于单偏振态（TE模），故波导输出光可近似为线偏振光，只有保偏光纤的慢轴与波导偏振模方向一致，才能达到低的偏振串音，即尾纤偏振串音可以转化为保偏光纤慢轴与波导的TE模方向成夹角θ。

在生产制作过程中，为了确保尾纤偏振串音满足使用要求，在尾纤支座与波导端面进行耦合时，通过尾纤偏振串音检测设备监控对准，确保尾纤偏振串音≤-30dB。

2 UV胶性能参数测试对比

由上述分析可知，耦合对准位置精度对Y波导性能影响很大。由于Y波导与尾纤支座的粘接是整个器件的最薄弱环节，从粘接面积来说尾纤支座与芯片端面有2.0mm2左右。而在这么小的粘接面积，还要保证较好的透光性，所以UV胶性能要求很高，即要有较大的粘接强度较小的固化收缩率和热膨胀系数适当的折射率。下面是对三种UV胶，Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号胶性能参数进行实验对比。

2.1 透光率

耦合UV胶透光性变化主要是指耦合胶的透光性所发生的变化，耦合点所采用的是UV胶固化环氧胶，在此处耦合胶起到了固定與折射率匹配的双重作用，胶体性质发生变化时对应的折射率也会发生变化。固化后的UV胶折射率约在1.50左右，而且粘接所用的UV胶厚度小于3～6μm，即使是折射率发生0.1的变化，所带来的损耗变化也不足以影响到产生0.1dB以上的损耗变化。

2.5 固化速率

Y波导UV胶耦合固化速率对粘接操作和粘接结果也有很大影响，粘接固化速率的快慢直接影响其性能与效率。所以UV胶在0.5～1h完全固化为宜。在紫外光光强为不小于2～4mW/cm2固化后，在室温22±2℃的环境下进行测试，有关数据如表5所示。

2.6 尾纤支座耦合性能

UV胶在尾纤耦合时主要起两个作用：

（1）粘结硅V形槽和LiNbO3基片;

（2）折射率匹配（LiNbO3基片折射率在2.10左右;光纤折射率在1.45左右;UV胶折射率在1.50左右）。

对研制的UV胶样品Ⅰ耦合成功的Y波导进行性能测试，其主要技术指标为：常温插入损耗为3.2dB;器件分束比误差精度小于±1%;偏振串音小于-30dB。

3 结语

通过对三种UV胶性能参数的分析对比，Ⅰ号胶更适用于Y波导集成光学器件的耦合使用。

参考文献

[1] 沈映欣.光纤陀螺用1.3μm LiNbO3集成光学器件[J].半导体光电，2000，21（2）：101-110.

[2] 王军龙，王巍，徐宇新.集成光路技术指标对光纤陀螺性能的影响[J].中国惯性技术学报，2005，13（4）：52-57.