CN201845145U - 具有保护层的铌酸锂电光器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铌酸锂电光器件，其包括光波导芯片以及保护层，所述保护层涂覆在所述光波导芯片表面的电极作用区域上。当所述电光器件工作在潮湿或低温环境下时，通过所述保护层与所述光波导芯片所构成的器件结构，能够消除外界湿气对所述电光器件的电光响应性能的影响。本实用新型所公开的铌酸锂电光器件在工作温度范围内，尤其是在潮湿、低温的工作环境下，相比于现有的铌酸锂电光器件，能够得到更好的电光响应特性。

Description

具有保护层的铌酸锂电光器件

技术领域

本实用新型涉及一种铌酸锂电光器件，尤其是一种能够在潮湿或低温环境下工作并保持优异电光特性的具有保护层的铌酸锂电光器件。

背景技术

铌酸锂(LiNbO₃)晶体是一种新型无机材料，其性质稳定，且具有非常优异的电光特性。铌酸锂作为电光材料在光通讯中起到光调制作用，是制作电光器件的理想材料。铌酸锂电光器件的制备方法通常是通过钛扩散或者退火质子交换的方法在靠近铌酸锂晶体表面的铌酸锂晶体衬底中制作光波导，然后再采用蒸发、光刻、电镀、腐蚀等半导体工艺，在波导附近制作电极。通过在电极上施加各种调制信号，改变位于电极对中的光波导中的光信号的传输相位，达到电光信号转换的目的。通过改变光波导和电极的形状，可在铌酸锂晶体上制作不同类型的铌酸锂电光器件，满足不同应用领域的需求。

在铌酸锂电光器件中，波导宽度一般在6至9um。为了提高电光作用的效率、降低半波电压，通常使波导两侧电极的间距尽可能小，尽可能与波导宽度大小相同。但是，当铌酸锂电光器件工作在潮湿或者低温环境下时，外部湿气或由于低温所产生的凝霜会凝聚在电极以及电极之间的区域，通常，空气中的水汽会降低电极之间电介质材料的绝缘性能并腐蚀电极，引起电漂移甚至短路，使得施加于波导的电场发生变化，造成铌酸锂电光器件的电光响应性能下降。

通常为了解决上述问题，对于部分铌酸锂电光器件，如强度调制器、相位调制器等，可采用管壳内部充入保护性干燥气体并对管壳进行气密封装，从而阻止外部湿气进入铌酸锂电光器件腔体。但是，气密封装技术也有其局限性，主要体现在以下两个方面：1)采用气密封装技术成本比较高，并且需要具备专用的封装设备；2)某些铌酸锂电光器件无法采用气密封装技术，如Y波导集成光学器件。

Y波导集成光学器件主要通过采用退火质子交换技术在X切Y传的铌酸锂晶体上制作高消光比单偏振工作的Y分支形状的波导而实现。Y波导集成光学器件具备多种功能，如检偏/起偏、分束/合束、相位调制等，是光纤陀螺系统的重要组件之一。随着光纤陀螺市场的逐渐兴起，关于光纤陀螺系统和配套产品的研究也不断深入。由于Y波导属于双光纤输出器件，如果采用上述气密封装技术，就需要使用光纤阵列，而金属化光纤阵列的耦合、封装难度很大，并且，金属化光纤封装时引入的应力比较大，无法满足Y波导尾纤偏振串音的技术要求。

所以一直以来Y波导电光器件在低温以及潮湿环境下工作都无法保证其理想的电光响应性能，使得采用该电光器件的光纤陀螺的精确度以及稳定性受到影响，限制了Y波导的运用。

因此，实有必要针对现有的铌酸锂电光器件，尤其是Y波导电光器件，设计一种新型的器件结构，以克服现有技术中所存在的上述缺陷。本实用新型中的铌酸锂电光器件，正是针对上述问题提出的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型的铌酸锂电光器件，当所述铌酸锂电光器件在潮湿或者低温环境下工作时，能够保持其在大体理想的工作环境下所能实现的电光响应性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种铌酸锂电光器件，其包括铌酸锂光波导芯片以及保护层，所述铌酸锂光波导芯片通常包括铌酸锂晶体衬底、光波导以及电极，所述光波导在铌酸锂晶体衬底中形成，并且靠近所述铌酸锂晶体衬底一侧表面，并且所述电极被置于所述铌酸锂光波导芯片的表面并靠近所述光波导设置；所述保护层在所述铌酸锂光波导芯片的设置有所述电极的一侧表面上至少涂覆在所述电极的表面以及所述电极之间的区域。

优选地，所述保护层的电击穿阈值至少大于10KV/mm，且固化后硬度小于shore A 50。

根据本实用新型的实施例，所述保护层材料为有机硅类胶、环氧类胶、以及亚克力类胶中的一种。

根据本实用新型的实施例，所述铌酸锂光波导芯片还包括缓冲层，所述缓冲层设置在所述铌酸锂晶体衬底与所述电极之间。

根据本实用新型的实施例，所述铌酸锂光波导芯片中的光波导为Y波导。

本实用新型所提供的具有保护层结构的铌酸锂电光器件，由于保护层结构紧密地贴合于所述铌酸锂光波导芯片表面上的电极作用区域，使得几乎没有任何空隙存在于所述铌酸锂光波导芯片表面上的电极作用区域与所述保护层之间，从而有效地使所述电极作用区域与外界环境相隔离，防止外界潮湿空气接触于所述电极以及所述电极作用区域，从而防止在上述区域形成凝霜或受到其它外界环境的影响。因此，该器件结构有效地改善了铌酸锂电光器件在不同的工作环境(例如不同的湿度或温度等)尤其是潮湿、低温的工作环境中的电光响应性能。同时，对于铌酸锂电光器件，尤其是无法采用气密封装方法保护的铌酸锂电光器件，本实用新型提供了一种成本低且简单易行的解决方案。

附图说明

下面将参照附图以示例性实施例的方式描述本实用新型，其中：

图1为现有的铌酸锂Y波导电光器件的结构图；

图2为本实用新型的实施例中铌酸锂Y波导电光器件的结构图；

图3为本实用新型的实施例中光纤陀螺系统的大体结构图；

图4A为采用现有铌酸锂Y波导电光器件的光纤陀螺系统在特定工作环境下，当输入特定信号后所得到的输入-输出信号波形图；

图4B为采用本实用新型的实施例的铌酸锂Y波导电光器件的光纤陀螺系统在与图4A相同的工作环境下，当输入与图4A相同的信号后所得到的输入-输出信号波形图。

具体实施方式

下面参照图1，图1为现有的铌酸锂Y波导电光器件的结构图。如图所示，现有铌酸锂Y波导电光器件标记为10，其通常采用退火质子交换技术，在X切Y传的铌酸锂晶体衬底13上利用光刻工艺制备Y形分支波导图形，然后利用质子交换工艺制备高消光比单偏振工作的纵向的Y形分支的波导11(波导宽度一般在6～9um)，然后在晶体的纵向表面、邻近Y波导11部分的外表面之上覆以适当厚度的缓冲层14，所述缓冲层14通常由二氧化硅(SiO₂)材料制成，然后再在所述缓冲层14上对应于Y波导11的各分支的两侧分别套刻一对推挽结构的电极12，例如长直电镀加厚行波形共面金电极。通过对所述电极12施加以各种调制电信号，能够改变光波导11中光信号的相位，达到电光信号转换目的。本领域技术人员可以理解，所述铌酸锂电光器件也可以不采用缓冲层，而使所述电极直接置于所述铌酸锂晶体衬底13之上。

如图所示，通常置于缓冲层14上的电极12部分地暴露于外部环境。所以当器件10工作在潮湿或者低温环境下时，湿气凝结或凝霜很容易形成在电极以及电极之间的部分而导致电介质材料绝缘性能的下降、电极的腐蚀或者电漂移现象的产生，因此很难避免铌酸锂电光器件10的电光响应性能的下降。

图2示出本实用新型的实施例的铌酸锂Y波导电光器件(标记为20)的结构图。如图所示，铌酸锂电光器件20包括铌酸锂光波导芯片26以及保护层25。所述铌酸锂光波导芯片26大体包括图1所示的铌酸锂晶体衬底13、形成于所述铌酸锂晶体衬底13中的光波导11、以及邻近所述光波导11设置的缓冲层14，以及置于所述缓冲层14上的电极12。如图所示，保护层材料喷涂至所述缓冲层14的设置有电极12的表面上，以形成所述保护层25。并且，所述保护层25主要覆盖所述电极12对光波导11起作用的区域，即设置在缓冲层14的表面上的电极12以及所述电极12之间的区域。在本实施例中，用于制作所述保护层25的材料为环氧类胶，厚度大体为几十微米，可以理解，保护层的材料与厚度可根据具体的应用器件以及具体的工作方式等情况而不同。

可以理解，对于没有缓冲层的铌酸锂电光器件，由于电极直接设置于铌酸锂晶体衬底上，所以保护层25可直接涂覆在铌酸锂晶体衬底13的设置有电极的表面之上。并且优选地，所述保护层25可涂覆在铌酸锂光波导芯片26的设置有电极的整个表面，并且根据不同的应用器件以及具体应用情况，所述保护层25可采用其它涂覆方式涂覆于所述光波导芯片26的设置有电极的表面之上。在本实施例中，保护层材料是采用喷涂方式涂覆在光波导芯片的表面上的。

如图所示并结合上文所述内容，本领域技术人员可知，所述保护层25能够使Y波导芯片26的紧密地贴合于所述保护层25之下的表面与外界环境相隔离，尤其是与潮湿空气的隔离，从而使处于保护层25之下的电极12的表面以及电极12之间的区域不会形成任何水汽的凝聚，因此避免了因水汽凝聚而造成的电介质的绝缘性能的变化，同时也避免了电漂移现象的产生。

应该认识到，根据铌酸锂电光器件所固有的特性，所述保护层本身同样会对芯片的电光响应性能产生影响，所以其制作材料的选择必然受到相应的限制。一般而言，为了达到预期效果，所选保护层材料应同时具备以下特性：1)对衬底和电极材料具有良好的粘附性，从而保证所述保护层在芯片工作期间不易脱落；2)防潮性能优异，从而能够有效地防止外界湿气被所述保护层材料所吸收和/或进入受保护的电极作用区域；3)能够承受较宽的工作温度范围，至少涵盖铌酸锂电光器件的工作温度范围，从而保证保护层不会因器件温度的改变而降低保护效果，在本实施例中，所述工作温度范围涵盖-45度至+70度的温度范围；4)几乎不影响光波导的传输损耗；5)具有较大的电击穿阈值(至少大于10KV/mm)；6)电绝缘性能良好；7)低弹性模量；8)低固化后硬度(小于shore A 50)。

所述保护层材料可以是有机硅类胶、环氧类胶、以及亚克力类胶，但不局限于这几种。本领域技术人员可以理解，能够同时具有上述特性的材料均可用作保护层材料用于本实用新型中的铌酸锂电光器件，以保护铌酸锂电光器件不会受到外界环境以及保护层本身的干扰，从而使所述器件的电光响应性能更稳定，而不会因工作环境的改变而变化。

本领域技术人员可以理解，针对用于保护层的不同的材料，以及铌酸锂电光器件的设置有电极的表面的不同结构，其涂覆方式也相应地不同。对于有机硅类胶作为保护层材料，则涂覆方式通常采用针筒挤出、随后自然流平、然后常温固化或高温加热固化的方式，而对于亚克力类胶作为保护层材料，则涂覆方式通常需要采用UV照射固化的方式。可以理解，对于其它材料以及其它的铌酸锂电光器件表面结构的实施例，也可采用本领域技术人员所公知的蒸发、印刷等方法将保护层材料涂覆于铌酸锂电光器件的表面上的电极作用区域以形成所述保护层。

如图3所示，根据本实用新型中的实施例，闭环干涉式光纤陀螺系统标记为30，其大体包括铌酸锂电光器件31、线圈32、光源、电源、接收组件、信号源以及示波器等。利用输入保偏光纤输入光耦合进入铌酸锂电光器件31中的Y形分支波导，利用两根输出保偏光纤将Y形分支波导的光耦合出，最终与光纤线圈32相连，形成光纤陀螺系统的核心部件。

结合附图1、2与3，图4A与图4B分别示出现有的铌酸锂Y波导电光器件以及本实用新型的实施例中的铌酸锂Y波导电光器件接入到闭环干涉式光纤陀螺系统30后，对Y波导11两侧电极12施加频率为1KHz、电压峰值为5V锯齿波信号A后，在数字示波器端以X-T方式所接收并显示的光纤陀螺系统30的输入-输出信号曲线图，其中纵坐标为电压(单位V/mV)，横坐标为时间(单位ms)。

图4A为采用现有铌酸锂Y波导电光器件的光纤陀螺系统30在低温或潮湿工作环境下，当输入上述锯齿波信号后，在示波器端得到的输入-输出信号曲线图。在所述铌酸锂电光器件的工作温度下，尤其是在潮湿或低温的环境下，由于对铌酸锂Y波导电光器件没有采用任何保护措施，使得在施加信号A于所述铌酸锂Y波导电光器件的电极后，陀螺系统30的输出信号B如图4A所示。

理想的输出信号曲线应该是一条平直的线，仅在输入信号的电压正负发生转换的位置出现细微锯齿。如图4A所示，采用现有的Y波导电光器件的陀螺系统30在工作温度下、尤其是存在潮湿空气的环境中或低温环境中，基于输入信号A，其输出类似锯齿波的信号B，本领域技术人员可以理解，输出信号B表明位于所述Y波导分支两侧的电极之间的电介质绝缘性因湿气凝聚而发生改变，如绝缘性降低，极间电容增大等。这些电介质特性的改变，使得Y波导本身应具有的电光响应性能下降，如瞬态响应的时间常数变大，介质缓慢漏电产生的电漂移等。光纤陀螺系统由于Y波导电光响应性能的下降，其复位精度也相应地下降，导致光纤陀螺系统精度降低。

图4B为采用本实用新型中的铌酸锂Y波导电光器件的陀螺系统30在与图4A相同的工作环境下，当输入与图4A相同的信号A后得到的输入-输出曲线图。经过改进的Y波导电光器件，在其工作温度范围内，尤其是在潮湿或低温的环境下工作时，其电光响应性能较之以前的方案得到明显的改善。如图所示，当施加信号A于本实用新型中的Y波导电光器件后，所述光纤陀螺系统30的输出信号C基本呈现直线状，也就是说，本实用新型所提供的铌酸锂电光器件在潮湿或低温的环境下工作时，并没有在对波导起作用的电极上形成损害电光响应性能的电漂移、并且没有引起电介质的改变。因此，根据图4A与图4B所示的输入-输出曲线图可知，经改进的铌酸锂电光器件实现了在潮湿或低温环境下工作并同时保证良好的电光响应性能。

可以理解，本实用新型不仅适用于Y波导电光器件，还适用于铌酸锂电光器件中的其它低频器件，如直波导相位调制器、强度调制器等。

尽管本实用新型是通过参照附图以上述优选的实施例的方式来进行描述，但是可以理解，本实用新型的实现形式并不局限于上述实施方式。应该认识到，在不背离本实用新型权利要求所要求保护的范围内，本领域技术人员可以对本实用新型做出多种不同的变化和调整。

Claims (7)

1.一种具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述铌酸锂电光器件包括：

铌酸锂光波导芯片，所述光波导芯片包括铌酸锂晶体衬底、光波导以及电极，其中，所述光波导在铌酸锂晶体衬底中形成，并且靠近所述铌酸锂晶体衬底一侧表面，并且所述电极位于所述铌酸锂光波导芯片的表面并靠近所述光波导设置；

保护层，在所述铌酸锂光波导芯片的设置有所述电极的一侧表面上，所述保护层至少涂覆在所述电极的表面以及所述电极之间的区域。

2.根据权利要求1所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述保护层的电击穿阈值至少大于10KV/mm。

3.根据权利要求2所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述保护层的固化后硬度小于shore A 50。

4.根据权利要求3所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述保护层材料为有机硅类胶、环氧类胶、以及亚克力类胶中的一种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述铌酸锂光波导芯片还包括缓冲层，所述缓冲层设置在所述铌酸锂晶体衬底与所述电极之间。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述铌酸锂光波导芯片中的光波导为Y波导。

7.根据权利要求5所述的具有保护层的铌酸锂电光器件，其特征在于，所述铌酸锂光波导芯片中的光波导为Y波导。 

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