CN104635301A - 基于ltcc的高q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法，其结构包括光学微腔，耦合器，两层封装体；所述的封装体第一层由包容整个光学微腔、耦合器的光学透明封装材料凝固构成，提高了系统的抗震能力，第二层是由陶瓷材料所做的上中下分立结构，第一层封装体整个结构通过技术操作完全内嵌于中间层，上下两层在高温下通过粘合剂与中间层紧密粘合，控制了第一层封装材料易受环境温度影响的缺点，提高温度稳定性。利用折射率低于光学微腔耦合系统折射率的光学透明封装材料，用来包容整个光学微腔和耦合器所构建的耦合结构，外部再加一层特殊结构的陶瓷材料控制环境温度变化带来的误差。这种封装结构和封装方法使光学微腔耦合系统更加稳定。

Description

基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法

技术领域

本发明属于微光机电系统技术领域，主要涉及一种器件的封装方法，具体为基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法。

背景技术

陀螺是实现载体旋转角速度和姿态角度测量的传感器件，是惯性导航的核心关键器件之一，可以广泛的应用于航天、航空、航海、军事、汽车制造以及消费电子等领域中，受到了各国科学研究人员的青睐。而光学谐振腔陀螺可以大大减小器件体积和重量，也能充分减小器件热效应，更重要的是，回音壁模式（WGM）高Q光学微腔，由于其较小的模式体积使得激光沿着微腔的大圆周以全反射方式传播，因此在微腔内光能量只有很少一部分泄露到腔外，从而形成了沿界面传播的高Q值光学模式，使得微光学谐振腔作为谐振式陀螺仪的核心敏感元件有了极大的优势，可实现陀螺仪的小型化、高灵敏度等特性。然而，微腔回音壁光学模式的高效率激发需要外部耦合器进行倏逝场近场耦合，目前，所应用的最广泛的耦合系统是由光学微腔与锥形光纤组成的耦合系统。在该耦合系统中，耦合器与光学微腔的间距需控制在一定范围内方能实现高效率耦合，当将该耦合系统应用与陀螺仪等进行传感探测方面的研究时，常常会因为耦合状态的改变而造成探测不便，稳定性差。由于球腔耦合系统的高灵敏性，得到误差来源于多个方面，如系统的震动、耦合位置的变动、温度的改变等都会引起输出谐振谱线的漂移，从而使检测精度降低。又如光学微腔耦合系统的输出特性与所处的环境折射率有密切的关系，外界环境的变化会引起光学微腔耦合系统输出的变化。也就是说，使耦合系统与外界环境隔离有重要意义。因此，如何使该耦合系统更加稳定，提高耦合系统的抗干扰能力以及鲁棒性是相关器件研制的重点与难点。

发明内容

本发明为了解决现有光学微腔与耦合器组成的耦合系统不稳定、易受外界环境变化影响的问题，设计一种结构简单、稳定性好、抗干扰、不受外界干扰的光学微腔耦合系统的封装结构，并同时提供易操作，封装效果好，成本低的光学微腔耦合结构的封装方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构，包括光学微腔和耦合器，还包括外层陶瓷封装结构，外层陶瓷封装结构包括粘合成一体的上顶板、中间板和下底板，中间板的板面上设有连接两相对端部的光纤槽，光纤槽中间部位设有通孔，光学微腔和耦合器包容在光学透明封装材料内形成封装体，封装体内嵌在外层陶瓷封装结构内。

上述的封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1：选用陶瓷材料制备上顶板、中间板和下底板，中间板上设有光纤槽和通孔；

S2：通过光纤熔融法制备光学微腔，光学微腔的直径小于中间板上的通孔直径；

S3：通过光纤拉锥机拉伸光纤并精确控制拉锥长度，制得耦合器，并将耦合器放置在中间板的光纤槽中，将耦合器固定；

S4：通过位移调节台将光学微腔经过中间板的通孔并靠近耦合器，精确调整光学微腔和耦合器之间的耦合位置，使得在示波器上显示稳定的耦合信号；

S5：选取光学透明封装材料并通过点胶工艺流入到中间板上的通孔与光纤槽内，光学微腔与耦合器包容在光学透明封装材料内，形成封装体；

S6:对封装体进行紫外光照射，持续时间照射的时间大于分钟；

S7：将上顶板、中间板和下底板贴合放置在热板上，加热到高温状态，通过粘合剂使其紧密粘合在一起，形成稳定的封装结构。

上述封装方法，点胶在高倍显微镜的检测下进行，并通过示波器上的耦合信号判断点胶过程对耦合状态的影响，如果点胶过程使得耦合信号不稳定，则通过位移调节台对光学微腔与耦合器的耦合位置进行调节，直到耦合信号稳定为止。

上述封装方法，选取的光学透明封装材料的折射率低于光学微腔和耦合器的折射率，使得满足全反射条件。

上述封装方法，光学透明封装材料为紫外胶粘性材料。因为紫外胶较SiO₂材料折射率低，能够满足全反射的条件，而且紫外胶固化操作简单，易于封装。

本发明所述的基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法，是利用一种折射率低于二氧化硅折射率的紫外胶粘性材料(通常应用的材料的折射率为1.32)，用来包容整个光学微腔和耦合器所构建的耦合结构，然后用低导热率的陶瓷材料制作的三层封装结构，将前面获得的封装系统包容起来的操作工艺方法。由于耦合结构中光学微腔相对于外部环境的相对折射率发生变化，耦合结构的谐振峰会发生偏移，所以偏移量与封装材料的折射率有关。但是，谐振峰的偏移并不影响光学微腔耦合结构的应用，经过陶瓷材料三层结构的封装后，使耦合结构更加稳定，不受震动、挤压、外界环境变化等因素的影响，并将极大的推进光学微腔器件的研发进程。

本发明与现有光学微腔与耦合器组成的耦合系统技术比较，不仅稳定、固化了光学微腔耦合结构，而且使光学微腔耦合系统与外界隔绝，提高结构抗震性。通过使用制作使用陶瓷封装结构，将整个封装耦合系统包容，克服了封装固化的光学透明封装材料的折射率易受环境温度变化而改变的缺点，提高耦合系统的温度稳定性，解决和攻克了现有耦合系统长期难以提高稳定，抗干扰能力中研制的技术难点，这些对于推进光学微腔研究和应用推广具有重大意义。

附图说明

图1为封装体的结构示意图。

图2为外层陶瓷封装结构的结构示意图。

图3为耦合系统封装前与封装后的透射光谱对比图。耦合系统封装前的透射光谱(a)的谱峰多个和不整齐，反映出耦合系统的震动带来耦合状态的漂移，及引起了系统误差，而耦合系统封装后的透射光谱(b)的谱峰突出和整齐，说明了耦合系统更加稳定，提高抗干扰能力。

图4为耦合系统加上外层陶瓷封装结构后的透射谱线，随着时间的推移其Q值，谐振峰位置，耦合深度的变化情况，可见其保存时间长，并且对外界环境温度变化不敏感，稳定性进一步提高。

图中：1-光学微腔，2-耦合器，3-封装体，4-上顶板，5-中间板，6-下底板，7-光纤槽，8-通孔，9-光纤。

具体实施方式

基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构，包括光学微腔1和耦合器2，还包括外层陶瓷封装结构，外层陶瓷封装结构包括粘合成一体的上顶板4、中间板5和下底板6，中间板5的板面上设有连接两相对端部的光纤槽7，光纤槽7中间部位设有通孔8，光学微腔1和耦合器2包容在光学透明封装材料内形成封装体3，封装体3内嵌在外层陶瓷封装结构内。

上述的封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1：选用陶瓷材料制备上顶板4、中间板5和下底板6，中间板上设有光纤槽7和通孔8；

S2：通过光纤熔融法制备光学微腔1，光学微腔1的直径小于中间板5上的通孔8直径；

S3：通过光纤拉锥机拉伸光纤9并精确控制拉锥长度，制得耦合器2，并将耦合器放置在中间板的光纤槽中，将耦合器固定；

S4：通过位移调节台将光学微腔1经过中间板的通孔并靠近耦合器2，精确调整光学微腔1和耦合器2之间的耦合位置，使得在示波器上显示稳定的耦合信号；

S5：选取光学透明封装材料并通过点胶工艺流入到中间板上的通孔与光纤槽内，光学微腔1与耦合器2包容在光学透明封装材料内，形成封装体3；

S6:对封装体3进行紫外光照射，持续时间照射的时间大于3分钟；

S7：将上顶板4、中间板5和下底板6贴合放置在热板上，加热到高温状态，通过粘合剂使其紧密粘合在一起，形成稳定的封装结构。

上述封装方法，点胶在高倍显微镜的检测下进行，并通过示波器上的耦合信号判断点胶过程对耦合状态的影响，如果点胶过程使得耦合信号不稳定，则通过位移调节台对光学微腔1与耦合器2的耦合位置进行调节，直到耦合信号稳定为止。

上述封装方法，选取的光学透明封装材料的折射率低于光学微腔和耦合器的折射率。

上述封装方法，光学透明封装材料为紫外胶粘性材料。

具体实施时，光学微腔可以为光学微球腔、光学盘形微腔、光学环形微腔、光波导跑道型微腔；耦合器可以为锥形光纤耦合器、棱镜耦合器、侧抛光线耦合器、光栅耦合器；光学透明封装材料的折射率要低于光学微腔与耦合器的折射率；可以为低折射率紫外胶、低折射率的光纤涂料等材料；外层陶瓷材料热导率低，可将用光学透明封装材料封装的耦合系统与外界隔绝，不易受到环境温度变化的影响，并提升存放时间，增强系统稳定性。

本发明所述的基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构和封装方法，是利用一种折射率低于二氧化硅折射率的紫外胶粘性材料(通常应用的材料的折射率为1.32)，用来包容整个光学微腔和耦合器所构建的耦合结构，然后用低导热率的陶瓷材料制作的三层封装结构，将前面获得的封装系统包容起来的操作工艺方法。由于耦合结构中光学微腔相对于外部环境的相对折射率发生变化，耦合结构的谐振峰会发生偏移，所以偏移量与封装材料的折射率有关。但是，谐振峰的偏移并不影响光学微腔耦合结构的应用，经过陶瓷材料三层结构的封装后，使耦合结构更加稳定，不受震动、挤压、外界环境变化等因素的影响，并将极大的推进光学微腔器件的研发进程。

Claims (5)

1.基于LTCC的高Q值光学微腔耦合系统的封装结构，包括光学微腔(1)和耦合器(2)，其特征在于还包括外层陶瓷封装结构，外层陶瓷封装结构包括粘合成一体的上顶板（4）、中间板（5）和下底板（6），中间板（5）的板面上设有连接两相对端部的光纤槽（7），光纤槽（7）中间部位设有通孔（8），光学微腔(1)和耦合器(2)包容在光学透明封装材料内形成封装体（3），封装体（3）内嵌在外层陶瓷封装结构内。

2.一种权利要求1所述的封装结构的封装方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：选用陶瓷材料制备上顶板（4）、中间板（5）和下底板（6），中间板上设有光纤槽（7）和通孔（8）；

S2：通过光纤熔融法制备光学微腔（1），光学微腔（1）的直径小于中间板（5）上的通孔（8）直径；

S3：通过光纤拉锥机拉伸光纤（9）并精确控制拉锥长度，制得耦合器（2），并将耦合器放置在中间板的光纤槽中，将耦合器固定；

S4：通过位移调节台将光学微腔（1）经过中间板的通孔并靠近耦合器（2），精确调整光学微腔（1）和耦合器（2）之间的耦合位置，使得在示波器上显示稳定的耦合信号；

S5：选取光学透明封装材料并通过点胶工艺流入到中间板上的通孔与光纤槽内，光学微腔（1）与耦合器（2）包容在光学透明封装材料内，形成封装体（3）；

S6:对封装体（3）进行紫外光照射，持续时间照射的时间大于（3）分钟；

S7：将上顶板（4）、中间板（5）和下底板（6）贴合放置在热板上，加热到高温状态，通过粘合剂使其紧密粘合在一起，形成稳定的封装结构。

3.根据权利要求2所述封装方法，其特征在于点胶在高倍显微镜的检测下进行，并通过示波器上的耦合信号判断点胶过程对耦合状态的影响，如果点胶过程使得耦合信号不稳定，则通过位移调节台对光学微腔（1）与耦合器（2）的耦合位置进行调节，直到耦合信号稳定为止。

4.根据权利要求2或3所述封装方法，其特征在于选取的光学透明封装材料的折射率低于光学微腔（1）和耦合器（2）的折射率。

5.根据权利要求4所述封装方法，其特征在于光学透明封装材料为紫外胶粘性材料。