CN113325512A - 一种铌酸锂集成光学器件及变温稳定性提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种铌酸锂集成光学器件，所述铌酸锂集成光学器件包括铌酸锂光波导芯片、尾纤支座、金属管壳和保偏光纤，所述尾纤支座和所述铌酸锂光波导芯片均固定设置在所述金属管壳内，所述尾纤支座上安装有所述铌酸锂光波导芯片，所述保偏光纤穿过所述金属管壳的输入光纤槽和输出光纤槽，所述铌酸锂光波导芯片的前侧面、后侧面和下表面均覆盖有导电薄膜，所述下表面、前侧面和后侧面上任意两点之间均为导通状态。大批量测试试验结果统计表明，采用本发明技术生产的铌酸锂集成光学器件，变温测试过程中未出现插入损耗、分光比等参数突跳现象，有效提升了铌酸锂集成光学器件变温工作的稳定性。

Description

一种铌酸锂集成光学器件及变温稳定性提升方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种铌酸锂集成光学器件及变温稳定性提升方法。

背景技术

铌酸锂集成光学器件具有优良的线性电光调制性能和偏振抑制性能，其广泛应用于光纤陀螺、光纤电流传感器等光纤传感器中。铌酸锂集成光学器件的相位调制功能是基于泡克尔斯电光效应实现的：通过在铌酸锂晶体的表面上设置行波电极，在电极上施加电压产生电场，改变晶体折射率，从而调制光波导的相位。

由于铌酸锂晶体具有强烈的热释电效应，变温过程中，铌酸锂晶体的+Z和-Z面上大量积累热释电荷，在宽度为2mm的铌酸锂芯片上产生的热释电压约为100V/℃，仅10℃的温度变化带来的热释电电场为0.5V/μm，该电场大小与5V信号电压所产生的电场强度相当。热释电荷产生的电场方向与调制信号电场方向平行，两种电场同时作用于γ₃₃电光因子，对相位调制形成干扰，导致陀螺零偏漂移；当热释电荷沿铌酸锂芯片表面放电时，光波导受到干扰，产生1%~3%的输出光功率跳变，或0.3%~0.8%的分光比跳变，引起光纤陀螺无法实时稳定在闭环工作点上，输出信号跳变，陀螺性能超标。

现有的铌酸锂集成光学器件未采取消除热释电荷的措施，因此普遍存在光参数跳变的问题。据统计，因出现跳变而导致器件不合格的比例为1~3%，降低了良品率。另外由于放电过程的不确定性，导致检测假阴性，即使测试合格的产品在使用过程也有可能出现光参数跳变现象。因此有必要消除铌酸锂光波导芯片上的热释电荷，从根本上解决热释电荷带来的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌酸锂集成光学器件及变温过程稳定性的提升方法，以消除热释电荷，解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种铌酸锂集成光学器件，包括铌酸锂光波导芯片、尾纤支座、金属管壳和保偏光纤，所述尾纤支座和所述铌酸锂光波导芯片均固定设置在所述金属管壳内，所述尾纤支座上安装有所述铌酸锂光波导芯片，所述保偏光纤穿过所述金属管壳；

所述铌酸锂光波导芯片的前侧面、后侧面和下表面均覆盖有导电薄膜，所述下表面、所述前侧面和所述后侧面上任意两点之间均为导通状态；

所述金属管壳上设置有第一信号管脚、第二信号管脚和接地管脚，导电薄膜与金属管壳之间通过导电胶实现电连接，导电薄膜与接地管脚之间电连接；第一信号管脚、第二信号管脚与金属管壳之间通过玻璃绝缘子绝缘。

进一步地，所述金属管壳的底部设有凸台，所述铌酸锂光波导芯片通过硅橡胶粘接在所述凸台上。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片的上表面设置有光波导和行波电极。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片与所述保偏光纤之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片由X切铌酸锂晶体为原材料制作而成。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片采用退火质子交换法制备。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片的所述前侧面和所述后侧面均垂直于X切铌酸锂晶体的Z轴。

进一步地，所述下表面、所述前侧面和所述后侧面上任意两点之间的电阻不超过100Ω。

进一步地，所述铌酸锂光波导芯片的所述前侧面和所述后侧面中至少一个面与所述金属管壳之间采用所述导电胶填充。

一种根据上述所述的铌酸锂集成光学器件的变温稳定性提升方法，所述提升方法包括：通过将铌酸锂光波导芯片的前侧面、后侧面和下表面进行镀导电薄膜；通过用导电胶连接所述导电薄膜与所述金属管壳，实现所述铌酸锂光波导芯片的接地。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

将传统技术与本发明方法技术进行对比，采用传统技术生产的铌酸锂集成光学器件，插入损耗或分光比跳变现象占比为1%~3%；采用本发明的技术生产的铌酸锂集成光学器件，测试试验样品时无一出现参数跳变现象。

采用本发明的方法，通过将铌酸锂芯片的前侧面、后侧面、下表面通过镀导电薄膜的方法，实现前侧面与后侧面之间的导通，释放热释电荷，屏蔽热释电场的干扰；通过用导电胶连接金属薄膜与管壳，实现铌酸锂光波导芯片的接地，进一步提升变温过程中的稳定性；采用镀膜的方式对芯片的下表面和侧面进行金属化，其操作简单，成本低，易于大批量生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的铌酸锂集成光学器件俯视结构示意图；

图2为本发明实施例中的铌酸锂集成光学器件主视剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中的铌酸锂光波导芯片立体结构示意图；

图4为本发明实施例中的铌酸锂光波导芯片端面结构示意图。

附图标记说明：

1-铌酸锂光波导芯片，11-上表面，12-下表面，13-前侧面，14-后侧面，15-入端面，16-出端面，2-尾纤支座，21-输入尾纤支座、22-上分支输出尾纤支座、23-下分支输出尾纤支座，3-金属管壳，31-凸台，32-第一信号管脚，33-第二信号管脚，34-接地管脚，35-输入光纤槽，36-输出光纤槽，37-盖板，4-硅橡胶，5-导电胶，6-保偏光纤，7-导电薄膜。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1-4所示，一种铌酸锂集成光学器件，包括铌酸锂光波导芯片1、尾纤支座2、金属管壳3和保偏光纤6，尾纤支座2和铌酸锂光波导芯片1均固定设置在金属管壳3内，尾纤支座2上安装有铌酸锂光波导芯片1，保偏光纤6穿过金属管壳3；实际操作方法为：先将铌酸锂光波导芯片1、尾纤支座2、保偏光纤6全部粘接为一体，再将这个整体从上向下落到金属管壳3内，保偏光纤6从输入光纤槽35、输出光纤槽36中穿过，并在输入光纤槽35和输出光纤槽36处点胶固定保偏光纤6与金属管壳3。输入尾纤支座21、上分支输出尾纤支座22、下分支输出尾纤支座23统称为尾纤支座2。

铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14和下表面12均覆盖有导电薄膜7，下表面12、前侧面13和后侧面14上任意两点之间均为导通状态；

金属管壳3上设置有第一信号管脚32、第二信号管脚33和接地管脚34，导电薄膜7与金属管壳3之间通过导电胶5实现电连接，导电薄膜7与接地管脚34之间实现电连接。第一信号管脚32、第二信号管脚33与金属管壳3之间通过玻璃绝缘子绝缘。

具体地，结合图1-2所示，在本发明的实施例当中，铌酸锂集成光学器件由铌酸锂光波导芯片1、粘接有保偏光纤6的尾纤支座2、金属管壳3、硅橡胶4、导电胶5组成，铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14、下表面12均设置有导电薄膜7，且前侧面13、后侧面14、下表面12上的导电薄膜7相互之间均实现电连接。

需要说明的是，铌酸锂光波导芯片1是由铌酸锂晶体构成，其中铌酸锂（LiNbO₃）是一种铌、锂和氧的化合物。其单晶是光波导、移动电话、压电传感器、光学调制器、全息介质和各种其它线性和非线性光学应用的重要材料。

具体地，金属管壳3的底部设有凸台31，铌酸锂光波导芯片1通过硅橡胶4粘接在凸台31上。

在本发明的实施例当中，结合图1-2所示，凸台31与铌酸锂光波导芯片1的下表面12之间使用硅橡胶4粘接为一体。硅橡胶4的粘接强度高，且导热、抗振动性好。

具体地，在本发明的实施例当中，铌酸锂光波导芯片1的上表面11设置有光波导111和行波电极正极112、行波电极负极113。第一信号管脚32、第二信号管脚33通过金丝键合分别连接行波电极正极112、行波电极负极113。采用退火质子交换或钛扩散方法在X切铌酸锂晶体的上表面11上形成光波导，对波导的入端面15、出端面16进行研磨、抛光；将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，输入、输出尾纤分别作为输入和输出端，制备出铌酸锂集成光学器件。

具体地，铌酸锂光波导芯片1与保偏光纤6之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接。

具体地，铌酸锂光波导芯片1由X切铌酸锂晶体为原材料制作而成。

具体地，铌酸锂光波导芯片1采用退火质子交换法或钛扩散法制备。

具体地，铌酸锂光波导芯片1的前侧面13和后侧面14均垂直于X切铌酸锂晶体的Z轴。

具体地，导电薄膜7透明或不透明；所述导电薄膜7不透明时，所述铌酸锂光波导芯片1与所述保偏光纤6之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接之前对芯片出光点处的导电薄膜进行去除处理，避免造成光的衰减；所述导电薄膜7透明时，所述铌酸锂光波导芯片1与所述保偏光纤6之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接之前不对芯片出光点处的导电薄膜进行去除处理。

在本发明的实施例当中，由于对铌酸锂晶体进行晶轴定向，应当说明的是，X轴、Y轴、Z轴分别指铌酸锂晶体的光学轴，X面、Y面、Z面分别指垂直于X轴、Y轴、Z轴的平面。其中X面与铌酸锂光波导芯片1的上表面11平行，光波导传输方向平行于Y轴。

铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14分别为铌酸锂晶体的+Z面和-Z面。在铌酸锂光波导芯片1的下表面12、前侧面13、后侧面14上镀导电薄膜7，使前侧面13和后侧面14之间短路，释放热释电荷。将镀有导电薄膜7的铌酸锂光波导芯片1与尾纤支座2耦合粘接为一体，并将铌酸锂光波导芯片1的下表面12与金属管壳3的凸台31之间用硅橡胶4粘接固定。在铌酸锂光波导芯片1的前侧面13或后侧面14与金属管壳3的内壁之间填充导电胶5并烘烤固化，实现铌酸锂光波导芯片1与接地管脚34之间的导通，进一步提升了器件的变温稳定性。

接地管脚34与金属管壳3连接为一体并与之导通，第一信号管脚32、第二信号管脚33与金属管壳3之间通过玻璃绝缘子绝缘。铌酸锂光波导芯片1的下表面12与凸台31之间通过硅橡胶4粘接固定。铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14中的至少一个面与金属管壳3内壁之间通过导电胶5实现导通。盖板37通过平行封焊或粘接的方式固定在金属管壳3上。

具体地，下表面12、前侧面13和后侧面14上任意两点之间的电阻不超过100Ω（通过控制铌酸锂光波导芯片1的下表面12膜层厚度不小于300nm，侧面膜层厚度不小于60nm实现）。

铌酸锂光波导芯片1的下表面12与凸台31之间用硅橡胶4粘接，其粘接牢固、可靠性好，但硅橡胶4不导电，采用导电胶5进行电连接。导电胶5的粘度不低于10000cps，粘度过低不利于形成足够的厚度以接触铌酸锂光波导芯片1侧面，铌酸锂光波导芯片1无法与金属管壳3实现电连接。导电胶5涂抹高度不超过铌酸锂光波导芯片1的上表面11的高度，防止导电胶5接触铌酸锂光波导芯片1的上表面11的行波电极造成短路失效。

具体地，铌酸锂光波导芯片1的前侧面13和后侧面14中至少一个面与金属管壳3之间采用导电胶5导通。

一种根据上述所述的铌酸锂集成光学器件的变温稳定性提升方法，所述提升方法包括：通过将铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14和下表面12进行镀导电薄膜7，实现所述前侧面13与所述后侧面14之间的导通，铌酸锂晶体释放热释电荷，屏蔽所述热释电荷产生的热释电场的干扰；通过用所述导电胶5连接所述导电薄膜7与所述金属管壳3，实现所述铌酸锂光波导芯片1的接地，进一步提升变温过程中的稳定性。

芯片侧面短接的实施方法一

对铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14、下表面12进行金属化处理，实现前侧面13与后侧面14的电连接，具体过程如下：

1）、用棉签蘸取光刻胶，分别涂满铌酸锂光波导芯片1的入端面15、出端面16，高温烘烤固化；

2）、将铌酸锂光波导芯片1放置在镀膜工件盘上，下表面12朝上进行镀膜处理。膜层材料为导电金属，如钛-金、铬-金双层薄膜。为保证膜层导电性能稳定，膜层的最外层为金，钛、铬为提升金薄膜与铌酸锂附着力的过渡层。为保证膜层导电性能良好，金层厚度不小于50nm，过渡层厚度不小于20nm；

3）、将镀膜完成的铌酸锂光波导芯片1在丙酮溶液中浸泡超声，剥离去除铌酸锂光波导芯片1的入端面15、出端面16的膜层，确保铌酸锂光波导芯片1的入端面15、出端面16不被金属膜层阻挡吸光，避免铌酸锂光波导芯片1插入损耗增大；

4）、在对铌酸锂光波导芯片1的下表面12进行镀膜的同时，除接触镀膜机工件盘的上表面11，铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14、入端面15、出端面16均被金属化并实现电导通，通过去除光刻胶，剥离去除铌酸锂光波导芯片1端面的金属膜，使端面不被金属膜覆盖阻挡，能够解决因膜层阻挡导致插损增大的问题。

芯片侧面短接的实施方法二

对铌酸锂光波导芯片1的前侧面13、后侧面14、下表面12镀导电薄膜7，实现前侧面13与后侧面14的电连接，具体过程如下：

将铌酸锂光波导芯片1的上表面11朝下放置在镀膜工件盘上，下表面12朝上，镀膜膜层材料为透明导电材料。所述透明导电材料不仅要具备优良的导电性，而且要求化学性质相对稳定，如ITO、AZO等。以ITO导电薄膜为例，材料电阻率为0.003Ω*cm左右，比金电阻率高出1000倍左右，为保证前侧面13与后侧面14之间的导电性能良好，应保证铌酸锂光波导芯片1的下表面12膜层厚度不小于300nm，侧面膜层厚度不小于60nm，使膜层覆盖处任意两点之间的阻值<100Ω。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种铌酸锂集成光学器件，其特征在于：包括铌酸锂光波导芯片（1）、尾纤支座（2）、金属管壳（3）和保偏光纤（6），所述尾纤支座（2）和所述铌酸锂光波导芯片（1）均固定设置在所述金属管壳（3）内，所述尾纤支座（2）上安装有所述铌酸锂光波导芯片（1），所述保偏光纤（6）穿过所述金属管壳（3）；

所述铌酸锂光波导芯片（1）的前侧面（13）、后侧面（14）和下表面（12）均覆盖有导电薄膜（7），所述下表面（12）、所述前侧面（13）和所述后侧面（14）上任意两点之间均为导通状态；

所述金属管壳（3）上设置有第一信号管脚（32）、第二信号管脚（33）和接地管脚（34），导电薄膜（7）与金属管壳（3）之间通过导电胶（5）实现电连接，导电薄膜（7）与接地管脚（34）之间电连接；第一信号管脚（32）、第二信号管脚（33）与金属管壳（3）之间通过玻璃绝缘子绝缘。

2.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述金属管壳（3）的底部设有凸台（31），所述铌酸锂光波导芯片（1）通过硅橡胶（4）粘接在所述凸台（31）上。

3.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述铌酸锂光波导芯片（1）的上表面设置有光波导（111）、行波电极正极（112）、行波电极负极（113）；第一信号管脚（32）、第二信号管脚（33）通过金丝键合分别连接行波电极正极（112）、行波电极负极（113）。

4.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述铌酸锂光波导芯片（1）与所述保偏光纤（6）之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接。

5.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述铌酸锂光波导芯片（1）由X切铌酸锂晶体为原材料制作而成；所述前侧面（13）和所述后侧面（14）均垂直于X切铌酸锂晶体的Z轴。

6.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述铌酸锂光波导芯片（1）采用钛扩散或退火质子交换工艺制备。

7.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述下表面（12）、所述前侧面（13）和所述后侧面（14）上任意两点之间的电阻小于或等于100Ω。

8.根据权利要求1所述的铌酸锂集成光学器件，其特征在于：所述铌酸锂光波导芯片（1）的所述前侧面（13）和所述后侧面（14）中至少一个面与所述金属管壳（3）之间采用所述导电胶（5）导通。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的铌酸锂集成光学器件的变温稳定性提升方法，其特征在于，包括：通过将铌酸锂光波导芯片（1）的前侧面（13）、后侧面（14）和下表面（12）进行镀导电薄膜（7）；通过用导电胶（5）连接所述导电薄膜（7）与所述金属管壳（3），实现所述铌酸锂光波导芯片（1）的接地。

10.一种根据权利要求9所述的铌酸锂集成光学器件的变温稳定性提升方法，其特征在于，所述导电薄膜（7）不透明时，所述铌酸锂光波导芯片（1）与所述保偏光纤（6）之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接之前对芯片出光点处的导电薄膜进行去除处理，避免造成光的衰减；

所述导电薄膜（7）透明时，所述铌酸锂光波导芯片（1）与所述保偏光纤（6）之间通过精密对准耦合、紫外固化的方式粘接为一体，形成光路连接之前不对芯片出光点处的导电薄膜进行去除处理。

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