CN111649840B - 一种光学谐振器低温温度传感器及其制备、封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学谐振器低温温度传感器及其制备、封装方法，包括器件，器件包括晶圆基片和温度敏感薄膜，温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器、输出光栅耦合器和光信号传输部件，光信号传输部件包括光波导和光学谐振腔，光波导与输入光栅耦合器、输出光栅耦合器耦合，光波导用于传输光信号及与光学谐振腔的光信号耦合，光学谐振腔对光场具有限制作用；温度敏感薄膜上方设有一层保护层，且保护层位于器件的顶层。本发明利用光波导的高传输效率及高热光效应性能，具有较高的分辨率及灵敏度，品质因数Q值高达10⁵～10⁶，并通过设计夹持光纤的光纤槽，使用耐低温胶，实现光纤与光栅的高效耦合封装，在常温至低温温区仍能实现信号的输入、输出。

Description

一种光学谐振器低温温度传感器及其制备、封装方法

技术领域

本发明涉及低温温度传感器技术领域，具体地，涉及一种光学谐振器低温温度传感器及其制备、封装方法。

背景技术

低温技术广泛应用于航天、国防、科研等领域，因此对深低温环境的要求越来越高，低温温度测量变得极为重要。目前，低温传感器主要分为电阻式温度传感器、PN结式温度传感器、热电偶式温度传感器和光学温度传感器。

光学温度传感器主要基于功率-温度，波长-温度两种方式进行温度检测。因其具有抗辐射，抗干扰，成本低，体积小等优点，在低温温度传感领域得到了广泛应用。其中，布拉格光栅温度传感器作为现已商用的温度传感器，已被应用于低温液氮存储，航空航天领域。经现有技术检索发现，Z.-S.Guo等人在Cryogenics上撰文“Cryogenic temperaturecharacteristics of the fiber Bragg grating sensors”，证明布拉格光栅光学温度传感器在低温区间具有8pm/K的温度灵敏度。然而，布拉格光栅温度传感器有着不可避免的缺点，即低Q值，低灵敏度且易受应力干扰。

光学谐振器因对目标分析物具有极高的灵敏度在生物分子检测、环境探测方面有了极大的应用，并且与布拉格光栅传感器相比有高Q值，抗电磁干扰等优点。光学谐振器是折射率敏感器件，主要根据目标物变化造成谐振波长偏移实现对目标物检测，灵敏度极高，能解决上述拉格光栅光学温度传感器存在的灵敏度偏低即易受应力干扰等问题，因此，目前，需要开发出一种基于光学谐振器的低温光学温度传感器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学谐振器低温温度传感器及其制备、封装方法。

本发明第一个方面提供一种光学谐振器低温温度传感器，包括器件，所述器件包括晶圆基片和设于所述晶圆基片上的温度敏感薄膜，所述温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器、输出光栅耦合器和光信号传输部件，其中，所述光信号传输部件包括光波导和光学谐振腔，所述光波导与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器耦合，所述光波导将光由所述输入光栅耦合器耦合进入所述光学谐振腔并与所述光学谐振腔的光信号耦合后再从所述输出光栅耦合器耦合输出，所述光学谐振腔对光场具有限制作用；

所述温度敏感薄膜上方设有一层保护层，且所述保护层位于所述器件的顶层。

优选地，光学谐振器低温温度传感器包括封装结构，所述封装结构设置于所述器件的上方；所述封装结构包括第一光纤、第二光纤、第一光纤槽和第二光纤槽，其中，所述第一光纤、所述第二光纤分别设置于所述第一光纤槽、所述第二光纤槽内，所述第一光纤槽、所述第二光纤槽的端部分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器采用紫外固化胶粘结，使光信号通过所述第一光纤、所述第二光纤分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器耦合。

优选地，所述保护层为氧化硅层或氮化硅层。

优选地，所述晶圆基片的厚度为500μm～2mm。

优选地，所述晶圆基片选用SOI(绝缘衬底上的硅片)、有氧化层的硅片、玻璃片、氮化硅片以及氧化硅片中任一种。

优选地，所述温度敏感膜折射率大于所述晶圆基片折射率，使光场能被限制在所述温度敏感膜中。

优选地，所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜或柔性薄膜，所述非柔性薄膜为硅、锗、氮化硅薄膜中任一种，所述柔性薄膜为SU-8或PMMA。

优选地，所述光学谐振腔为微环型，微盘型，光栅型以及纳米梁型谐振腔中任一种。

优选地，所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器为扇形光栅耦合器或矩形光栅耦合器。

本发明第二方面提供上述光学谐振器低温温度传感器的制备方法，包括：

在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备输入光栅耦合器、输出光栅耦合器、光波导以及光学谐振腔；

之后在所述温度敏感薄膜上方沉积一层保护层，且所述保护层位于所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器、所述光波导以及所述光学谐振腔的上表面，得到所述器件。

优选地，在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备输入光栅耦合器、输出光栅耦合器，是在所述温度敏感薄膜上制备图形化输入光栅耦合器、图形化输出光栅耦合器。当温度敏感薄膜选用非柔性薄膜时，在所述温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，然后对没有光刻胶保护部分的温度敏感薄膜进行浅刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化输入光栅耦合器、图形化输出光栅耦合器；或者，当所述温度敏感薄膜选用柔性薄膜时，直接曝光显影图形化温度敏感薄膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

优选地，在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备光波导以及光学谐振腔，是在所述温度敏感薄膜上制备图形化光波导及图形化光学谐振腔。当温度敏感薄膜选用非柔性薄膜时，在所述温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，然后对没有光刻胶保护部分的进行全刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化光波导及图形化光学谐振腔；或者当所述温度敏感薄膜选用柔性薄膜时，直接曝光显影图形化温度敏感膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

本发明第三个方面提供上述光学谐振器低温温度传感器的封装方法，包括：

将器件固定在三维移动平台上，并将第一光纤、第二光纤分别固定在第一光纤槽、第二光纤槽上，然后将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽分别以可拆卸式固定于六轴移动平台上；

向所述第一光纤加入激光信号，同时将所述第二光纤连接光功率计，通过调节所述三维移动平台的位置、以及所述六轴移动平台的位置和/或角度，使所述第一光纤、所述第二光纤分别对准所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器，确保输出功率最大；

在所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器上方点紫外固化胶，将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽的端部分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器固定，完成封装，最后将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽从所述六轴移动平台上拆卸下来。

本发明中的低温温度传感器中的“低温”所指的温度范围为180K-300K。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述器件，通过设置输入光栅耦合器、输出光栅耦合器，可实现光从光纤到水平光波导的高效的输入、输出耦合，光波导用于光信号的传输以及与谐振腔的光信号耦合，利用光波导材料的高传输效率及高热光效应性能，并且充分利用温度敏感薄膜的高热光效应，使得基于该器件的波长-温度检测方法具有较高的分辨率及灵敏度，器件品质因素Q值高达10⁵～10⁶。

本发明的封装结构，通过设计夹持光纤的光纤槽，使光纤不易弯折变形，以及采用耐低温紫外固化胶，实现光纤与光栅耦合器的高效耦合封装，具有低温稳定性，在常温至低温温区均能实现信号的输入、输出，实现基于光学谐振器的低温温度传感器；并且器件制备采用基于CMOS的曝光显影及刻蚀技术，器件耗材及工艺成本较低，器件尺寸小可大规模生产，具有CMOS兼容，成本低等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的光学谐振器低温温度传感器的结构示意图；

图1中标记分别表示为：输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b、光信号传输部件2、紫外固化胶3、第一光纤槽4a、第二光纤槽4b、第一光纤5a、第二光纤5b；

图2是本发明一优选实施例的光学谐振器低温温度传感器制备工艺流程图；

图2中标记分别表示为：晶圆基片11、温度敏感薄膜12、光刻胶13、氧化硅14；

图3是本发明一优选实施例的光学谐振器低温温度传感器封装方法流程图；

图3中标记分别表示为：三维移动平台20、六轴移动平台21、第一光纤22、第一光纤槽23、紫外固化灯24、钨针25、紫外固化胶26、器件27；

图4是本发明一优选实施例的光学谐振器低温温度传感器光学传输谱测试曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的光学谐振器低温温度传感器的结构示意图，图中包括器件，器件包括晶圆基片和设于晶圆基片上的温度敏感薄膜，温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b和光信号传输部件2，其中，光信号传输部件2包括光波导和光学谐振腔，光波导是用于传输光信号以及与光学谐振腔的光信号耦合，光波导与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b耦合，将光信号通过光波导由输入光栅耦合器1a耦合进入到光学谐振腔并与光学谐振腔的光信号耦合后再耦合输出；光学谐振腔对光场具有较强限制作用，将通过光波导进入光学谐振腔内的光在特定波长的光(即谐振波长)被限制在光学谐振腔内，无法耦合进入光波导，从而在输出光谱上表现为谐振峰较强，品质因数较高，提高基于谐振波长-温度检测的温度传感器的分辨率。作为一优选方式，第一光纤5a、第二光纤5b可以为单模光纤。温度敏感薄膜上方设有一层保护层，且保护层位于器件的顶层。

在其他部分优选实施例中，光波导可以为直波导耦合或者弧形波导耦合；光学谐振腔为微环型，微盘型，光栅型以及纳米梁型谐振腔；作为一优选方式，光学谐振腔采用微环状光学谐振腔和直波导耦合区，直波导的宽度为300～800nm，耦合间距为80～250nm；微环状光学谐振腔的微环半径为6μm～50μm。

在其他部分优选实施例中，光栅耦合器可以为矩形光栅结构，矩形状光栅耦合器区域长度和宽度一般为10μm-20μm，周期为500-800nm，占空比为1：1～1：2，刻蚀深度为60-150nm。光栅耦合器亦可以为扇形光栅耦合器等。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，光学谐振器低温温度传感器包括封装结构，封装结构设置于器件的上方；封装结构包括第一光纤5a、第二光纤5b、第一光纤槽4a和第二光纤槽4b，其中，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b用于放置光纤及封装固定，将第一光纤5a、第二光纤5b的一端放置在第一光纤槽4a、第二光纤槽4b内并通过紫外固化胶3固定，第一光纤5a、第二光纤5b另一端为自由端。第一光纤槽4a、第二光纤槽4b沿竖直方向设置，即将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b分别以与垂直方向呈8～15度角的倾斜角度对准输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b，使光信号由光纤进入光栅耦合器，再从光栅耦合器进入水平光波导的高效输入输出耦合。为了使光纤槽和光栅耦合器固定在一起，且在低温下仍相对稳定，选用具有良好透光率的低折射率紫外固化胶3，折射率为1.3～1.4，且该胶热膨胀系数较小，确保其低温不会变形。将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b的端部分别与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b采用紫外固化胶3粘结，使光信号通过第一光纤5a、第二光纤5b分别与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b耦合。作为一优选方式，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b采用U型槽，其深度和直径范围为250-1000μm；也可以为矩形槽或者V型槽。为了保证封装具有耐低温性，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b选用强度高，低温不易形变的材料。作为一优选方式，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b材料可以选用304不锈钢材料，亦可以铝合金，黄铜等其他材料代替。

参照图1所示，上述光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法制备，包括：在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b、光波导以及光学谐振腔，之后在温度敏感薄膜上方沉积一层保护层，且保护层位于输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b、光波导以及光学谐振腔的上表面，得到器件。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，在晶圆基片的温度敏感薄膜上分步制备输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b、光波导以及光学谐振腔。首先在温度敏感薄膜上制备图形化输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b步骤，具体指：温度敏感薄膜选用非柔性薄膜，在温度敏感薄膜上制备图形化输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b，在温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，之后对没有光刻胶保护部分的温度敏感薄膜进行浅刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化光栅耦合器；或者还可以采用另一种制备工艺，与上述制备工艺不同的是温度敏感薄膜选用柔性薄膜，该工艺步骤简化为直接曝光显影图形化温度敏感薄膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

在晶圆基片的温度敏感薄膜上分步制备输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b、光波导以及光学谐振腔，包括：在得到图形化输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b步骤之后，再在温度敏感薄膜上制备图形化光波导及图形化光学谐振腔步骤，具体指：温度敏感薄膜选用非柔性薄膜，在温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，之后对没有光刻胶保护部分的进行全刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化光波导及图形化光学谐振腔；或者还可以采用另一种制备工艺，与上述制备工艺不同的是温度敏感薄膜选用柔性薄膜，该工艺步骤可简化为直接曝光显影图形化温度敏感膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

参照图1所示，上述光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法进行封装，具体包括以下步骤：

将器件固定在三维移动平台上，并将第一光纤5a、第二光纤5b分别固定在第一光纤槽4a、第二光纤槽4b上，然后将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b分别以可拆卸方式固定在六轴移动平台上。

向第一光纤5a加入激光信号，同时将第二光纤5b连接光功率计，在显微镜观察下，通过调节三维移动平台的位置、以及六轴移动平台的位置和/或角度，通过光功率计检测输出功率，调节至输出功率最大，从而使第一光纤5a、第二光纤5b分别对准输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b。

在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b上方点紫外固化胶3，在具体实施时，可以采用微玻璃管蘸取少量紫外固化胶3点在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b上，待该紫外固化胶3不再流动后，再用紫外固化灯照射该区域，待紫外固化胶3完全固化后再重复点胶固化步骤；将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b的端部分别与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b通过紫外固化胶3粘结固定，完成封装，最后将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b从六轴移动平台上拆卸下来。上述封装步骤中，首次点胶量要很少，待胶体不再流动后，用紫外固化灯分多次照射，每次照射时间不超过2-15s，直至胶完全固化。然后再用玻璃管蘸取少量紫外固化胶3滴在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b，重复以上照射过程。多次点胶照射，直至确保光纤槽和器件能够稳定封装在一起。在其他实施例中，除了可以采用微玻璃管以外也可用钨针、针灸针等微针代替进行点胶。紫外固化胶3采用耐低温胶，但不局限于此，其他低温型紫外固化胶3仍然适用。

上述封装方法中，采用三维移动平台、六轴移动平台以及紫外固化灯均为现有设备。三维移动平台、六轴移动平台均在X,Y,Z方向上具有纳米级可调节尺度，且六轴移动平台可在与垂直方向有0度到30度的调节度。除采用紫外固化灯以外也可以采用汞灯。

上述实施例利用光学谐振器谐振波长与温度相关性的原理实现对温度的检测，且温度灵敏度较高。并且证明通过上述实施例提供的封装方法，封装后的器件通过耐低温紫外固化胶3将光纤与光栅耦合区成功耦合，具有低温稳定性，在常温及低温条件下均能实现光信号传输，实现了基于光学谐振环的低温温度传感器。

在一具体实施例提供光学谐振器低温温度传感器，参照图1所示，器件包括晶圆基片和设于晶圆基片上的温度敏感薄膜，温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b和光信号传输部件2，其中，光信号传输部件2包括光波导和光学谐振腔，光波导是用于光信号的传输以及与光学谐振腔的光信号耦合，光波导与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b耦合；输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b为矩形光栅结构，矩形光栅耦合器区域长度和宽度分别为15μm和10μm，周期为630nm,占空比为1：1，刻蚀深度为70nm。光学谐振腔采用微环光学谐振腔，微环光学谐振腔的微环半径为10μm；光波导为直波导耦合区，直波导宽度480nm，耦合间距120nm。封装结构中所用封装胶为紫外固化胶3；第一光纤槽4a、第二光纤槽4b采用U型槽，直径和深度均为500μm，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b材料为304不锈钢，第一光纤5a、第二光纤5b为普通单模光纤。

参照图2所示，光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法制备，具体步骤如下：

如图2中(a)所示，采用SOI晶圆基片11厚度为700μm，其中，温度敏感薄膜12为SOI的顶硅层，厚度在220nm。

如图2中(b)所示，在温度敏感薄膜12的硅层上旋涂电子束光刻胶13，光刻胶13为zep520，厚度在380nm。

如图2中(c)所示，通过电子束曝光，显影对光刻胶图形化，对图形化的硅层进行深硅刻蚀制备光栅耦合器，刻蚀深度70nm。

如图2中(d)所示，再次在温度敏感薄膜12硅层上旋涂电子束光刻胶13，光刻胶可以为zep520，厚度在380nm。

如图2中(e)所示，通过电子束曝光，显影对光刻胶图形化，对图形化的硅层进行深硅刻蚀制备光波导和微环谐振腔，刻蚀深度220nm。

如图2中(f)所示，在图形化的硅层上沉积2μm厚的氧化硅14做保护层。

上述光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法封装，具体步骤如下：

第一步、将制备好的器件放置在固定在三维移动平台上。三维移动平台及六轴移动平台均在X,Y,Z方向上有纳米可调节尺度，且六轴移动平台可在与垂直方向有0度到30度的调节角度。

第二步、将第一光纤5a、第二光纤5b分别通过紫外胶固化固定在第一光纤槽4a、第二光纤槽4b上；第一光纤5a、第二光纤5b采用单模光纤。

第三步、将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b分别夹持在六轴移动平台的可拆卸夹具上，向第一光纤5a加入激光信号，同时第二光纤5b连接光功率计，在显微镜观察下，通过调节三维移动平台的位置以及六轴移动平台的位置与角度，使第一光纤5a、第二光纤5b分别对准器件的输入光栅耦合器1a和输出光栅耦合器1b，使输出功率最大。采用微玻璃管蘸取管少量紫外固化胶3点在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b上面。

第四步、当胶体不再流动后，用365nmled紫外固化灯分多次照射，每次照射时间在2s～15s，直至紫外固化胶3完全固化。然后再用微玻璃管蘸取少量紫外固化胶3滴在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b上面，采用紫外固化灯分多次照射，重复上述步骤，直至紫外固化胶3完全固化；经多次点胶并进行照射固化，直至确保第一光纤槽4a、第二光纤槽4b与器件能够稳定封装在一起。

第五步、将封装好的器件从三维移动平台上取下来，即将第一光纤槽4a、第二光纤槽4b从六轴移动平台的可拆卸夹具中取下。

参照图4所示，上述实施光学谐振器低温温度传感器的测试的传输谱温度曲线表明该传感器工作温度区间在190K～300K谐振波长具有很好的线性相关性，基于谐振波长-温度检测的温度灵敏度为64pm/K，适用于低温温度测量。

在另一具体实施例中提供光学谐振器低温温度传感器，参照图1所示，器件包括晶圆基片和设于晶圆基片上的温度敏感薄膜，温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b和光信号传输部件2，其中，光信号传输部件2包括光波导和光学谐振腔，光波导是用于光信号的传输以及与光学谐振腔的光信号耦合，光波导与输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b耦合；光栅耦合器为扇形耦合器，刻蚀深度为100nm。光波导采用直波导。光学谐振腔采用纳米梁谐振腔的耦合。封装结构中所用封装胶为紫外固化胶3，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b均采用V型槽，V型槽的深度为500μm，V型槽的开口直径为800μm，第一光纤槽4a、第二光纤槽4b的材料为铝合金，第一光纤5a、第二光纤5b为单模光纤。

参照图2所示，上述光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法制备，具体步骤如下：

如图2中(a)所示，采用氧化硅晶圆基片11厚度为1mm，温度敏感薄膜12为SU-8薄膜，厚度在2μm。温度敏感薄膜12采用柔性薄膜，省略图2中(b)、图2中(c)中的旋涂光刻胶以及刻蚀技术，直接对温度敏感薄膜SU-8层进行紫外曝光及显影完成图形化，显影深度1μm，得到光栅耦合器。同样地，省略图2(d)、图2(e)中的旋涂光刻胶以及刻蚀技术，直接对温度敏感薄膜SU-8层进行紫外曝光及显影完成图形化，显影深度2μm，得到光波导和微环谐振腔。最后如图2中(f)所示，在图形化的硅层上沉积2μm厚的氧化硅14做保护层。

参照图3所示，上述光学谐振器低温温度传感器可以采用以下方法进行封装，具体如下步骤：

第一步、如图3中(a)所示，将制备好的器件27放置在固定在三维移动平台20上。三维移动平台20及六轴移动平台21均在X,Y,Z方向上有纳米可调节尺度，且六轴移动平台21可在与垂直方向有0度到30度的调节角度。

第二步、如图3中(b)所示，将第一光纤23通过紫外胶固化固定在第一光纤槽24，同时将第二光纤通过紫外胶固化固定在第二光纤槽上；第一光纤23、第二光纤可以采用单模光纤。

第三步、如图3中(c)所示，将第一光纤槽24、第二光纤槽分别夹持在六轴移动平台21的可拆卸夹具上，向第一光纤23加入激光器信号，同时向第二光纤接光功率计，在显微镜观察下，通过调节三维移动平台20的位置以及六轴移动平台21的位置与角度，使第一光纤23、第二光纤对准器件27的输入光栅耦合器、输出光栅耦合器，使输出功率最大。用钨针5蘸取管少量紫外固化胶3点在输入光栅耦合器、输出光栅耦合器上面。

第四步、如图3中(d)所示，当胶体不再流动后，采用汞灯分多次对胶进行照射，每次照射时间在2s～15s，直至紫外固化胶26完全固化。然后再用钨针蘸取少量紫外固化胶26滴在输入光栅耦合器1a、输出光栅耦合器1b上面，重复上述步骤，直至紫外固化胶26完全固化。经多次点胶照射，直至确保第一光纤槽24、第二光纤槽与器件27能够稳定封装在一起。

本发明实施例利用光波导的高传输效率及高热光效应性能，具有较高的分辨率及灵敏度，品质因数Q值高达10⁵～10⁶，并通过设计夹持光纤的光纤槽，使用耐低温胶，实现光纤与光栅的高效耦合封装，在常温至低温温区仍能实现信号的输入、输出。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (9)

1.一种光学谐振器低温温度传感器，其特征在于，包括器件，所述器件包括晶圆基片和设于所述晶圆基片上的温度敏感薄膜，所述温度敏感薄膜设有输入光栅耦合器、输出光栅耦合器和光信号传输部件，其中，

所述光信号传输部件包括光波导和光学谐振腔，所述光波导与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器耦合，所述光波导将光信号由所述输入光栅耦合器耦合进入所述光学谐振腔并与所述光学谐振腔的光信号耦合后再从所述输出光栅耦合器耦合输出，所述光学谐振腔对光场具有限制作用；

所述温度敏感薄膜上方设有一层保护层，且所述保护层位于所述器件的顶层；

所述光学谐振器低温温度传感器，还包括封装结构，所述封装结构设置于所述器件的上方；所述封装结构包括第一光纤、第二光纤、第一光纤槽和第二光纤槽，其中，所述第一光纤、所述第二光纤分别设置于所述第一光纤槽、所述第二光纤槽内，所述第一光纤槽、所述第二光纤槽的端部分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器采用紫外固化胶粘结，使光信号通过所述第一光纤、所述第二光纤分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器耦合。

2.根据权利要求1所述的光学谐振器低温温度传感器，其特征在于，所述保护层为氧化硅层或氮化硅层。

3.根据权利要求1所述的光学谐振器低温温度传感器，其特征在于，

所述晶圆基片的厚度为500μm～2mm；

所述晶圆基片选用SOI、有氧化层的硅片、玻璃片、氮化硅片以及氧化硅片中任一种。

4.根据权利要求1所述的光学谐振器低温温度传感器，其特征在于，

所述温度敏感膜折射率大于所述晶圆基片折射率，使光场能被限制在所述温度敏感膜中；

所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜或柔性薄膜，所述非柔性薄膜为硅、锗、氮化硅薄膜中任一种，所述柔性薄膜为SU-8或PMMA。

5.根据权利要求1所述的光学谐振器低温温度传感器，其特征在于，

所述光学谐振腔为微环型、微盘型、光栅型以及纳米梁型谐振腔中任一种；

所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器为扇形光栅耦合器或矩形光栅耦合器。

6.一种权利要求1所述的一种光学谐振器低温温度传感器的制备方法，其特征在于，包括：

在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备输入光栅耦合器、输出光栅耦合器、光波导以及光学谐振腔；

之后在所述温度敏感薄膜上方沉积一层保护层，且所述保护层位于所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器、所述光波导以及所述光学谐振腔的上表面，得到所述器件。

7.根据权利要求6所述的一种光学谐振器低温温度传感器的制备方法，其特征在于，在晶圆基片的温度敏感薄膜上制备输入光栅耦合器、输出光栅耦合器，其中，所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜或柔性薄膜；

当所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜时，在所述温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，然后对没有光刻胶保护部分的所述温度敏感薄膜进行浅刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化输入光栅耦合器、图形化输出光栅耦合器；

当所述温度敏感薄膜选用柔性薄膜时，直接曝光显影所述温度敏感薄膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

8.根据权利要求6所述的一种光学谐振器低温温度传感器的制备方法，其特征在于，在所述温度敏感薄膜上制备光波导以及光学谐振腔，其中，所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜或柔性薄膜；

当所述温度敏感薄膜选用非柔性薄膜时，在所述温度敏感薄膜上甩光刻胶，对光刻胶进行光刻显影形成图形化光刻胶，然后对没有光刻胶保护部分的进行全刻蚀，之后清洗掉光刻胶，得到图形化光波导及图形化光学谐振腔；

当所述温度敏感薄膜选用柔性薄膜时，直接曝光显影图形化温度敏感膜，无需旋涂光刻胶及刻蚀。

9.一种权利要求1所述的光学谐振器低温温度传感器的封装方法，其特征在于，包括：

将器件固定在三维移动平台上，并将第一光纤、第二光纤分别固定在第一光纤槽、第二光纤槽上，然后将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽分别以可拆卸式固定于六轴移动平台上；

向所述第一光纤加入激光信号，同时将所述第二光纤连接光功率计，通过调节所述三维移动平台的位置、以及所述六轴移动平台的位置和/或角度，使所述第一光纤、所述第二光纤分别对准所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器，确保输出功率最大；

在所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器上方点紫外固化胶，将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽的端部分别与所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器固定，完成封装，最后将所述第一光纤槽、所述第二光纤槽从所述六轴移动平台上拆卸下来。

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