[发明专利]微阵列压电陶瓷光纤声光调制器及其制造方法

说明书

本发明提供的是一种微阵列压电陶瓷光纤声光调制器及其制造方法。该光纤声光调制器主要采用金属的溅射镀膜及压电陶瓷的喷墨打印技术，通过在光纤表面制作阵列式微型压电换能器而成，因此通过电信号控制的压电结构能够对光纤施以力的作用，这种高频振动引起的声光作用，进而转化成光纤内折射率的变化，从而达到对光信号的调制效果。本发明在整体上具有结构微小、调制灵活等特点，可广泛用于光纤技术领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤调制器及其制备技术，具体涉及一种微阵列压电陶瓷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

光纤声光调制器主要由压电换能器及光纤两部分组成，具有体积小、插入损耗低、可靠性高、宽带宽、便于集成、可以实现高速控制等一系列优点。将特定频率的电信号输入到压电换能器，由于逆压电效应，压电换能器将会产生振动，振动的能量以一定频率的超声波的形式耦合到具有声光作用的光纤之中。光纤在超声波的作用下折射率将产生周期性的变化，从而构成折射率光栅。当光波沿光纤传输时，在光栅的作用下产生衍射效应。因此，光纤声光调制器通过调节输入到压电换能器上的电信号，可以达到调制光信号的效果。

换能器是声光调制器中最为关键的部分。目前，光纤声光调制器中换能器主要存在两种类型：一是将压电陶瓷的块状结构，通过与光纤的接触(或者采用包裹的方式)使振动的能量以声波的形式传递到光纤内部；另一种是直接在光纤表面制备压电薄膜，通过薄膜的收缩振动对光纤进行挤压，进而对光信号进行调制。

Wending Zhang等人，制作的可调宽带光耦合器(Tunable broadband lightcoupler based on two parallel all-fiber acousto-optic tunable filters，Opt.Express，21，16621-16628(2013))，其中介绍的两个声光调制器中所用的声波耦合装置属于第一种类型，将压电陶瓷片上方的锥形的放大器的尖角直接与主光纤相接触，利用锥形放大器的振动，产生弯曲型声波，并直接将声波耦合到光纤当中。虽然此种耦合方式较为简便，但是为了能够将声波更多的耦合到光纤内部，一般需要将光纤外部的保护层刮掉，同时需要保证锥形放大器的尖角与光纤能够紧密的结合在一起。因为裸光纤的机械性能并不理想，因此想要保证光纤声光调制器的可靠性以及声光的耦合效率，需要对装置的制作提出较高的要求。

同时，由于此类光纤声光调制器中声波的耦合主要是单点式触发，不论是将声波发声装置与光纤相接触，还是将声波发生装置直接粘贴在光纤表面，都仅仅通过一点或者说小面积的接触来将声波耦合进光纤内部。这种装置虽然制作简便，但声波能量在光纤内部的衰减较为明显。

不同于块状压电陶瓷结构的换能器，Barrow，D.A.等人通过采用溶胶-凝胶法在光纤表面制备了5-10cm的压电陶瓷薄膜(″In-line phase modulators using coaxialthick lead zirconate titanate coated optical fibers.″Journal of appliedphysics 79.6(1996)：3323-3329.)，该结构组成的换能器与块状压电换能器相比体积小，集成度高。但压电陶瓷薄膜的制备工艺较为复杂，制备速度相对较慢。为了保证压电陶瓷颗粒能够更多的沉积到光纤表面，光纤的移动速度不易过快，在步进电机的控制下以5cm/min的速度进行反复提升，且沉积一次的厚度约为5um。因此，要想制备200um厚的压电陶瓷薄膜，在保证每次良好操作的前提下，需要花费较多的时间与精力。