專利名稱：具有保護層的鈮酸鋰電光器件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鈮酸鋰電光器件，尤其是一種能夠在潮濕或低溫環(huán)境下工作 并保持優(yōu)異電光特性的具有保護層的鈮酸鋰電光器件。
背景技術：
鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是一種新型無機材料，其性質穩(wěn)定，且具有非常優(yōu)異的電光 特性。鈮酸鋰作為電光材料在光通訊中起到光調制作用，是制作電光器件的理想材料。鈮 酸鋰電光器件的制備方法通常是通過鈦擴散或者退火質子交換的方法在靠近鈮酸鋰晶體 表面的鈮酸鋰晶體襯底中制作光波導，然后再采用蒸發(fā)、光刻、電鍍、腐蝕等半導體工藝，在 波導附近制作電極。通過在電極上施加各種調制信號，改變位于電極對中的光波導中的光 信號的傳輸相位，達到電光信號轉換的目的。通過改變光波導和電極的形狀，可在鈮酸鋰晶 體上制作不同類型的鈮酸鋰電光器件，滿足不同應用領域的需求。在鈮酸鋰電光器件中，波導寬度一般在6至9um。為了提高電光作用的效率、降低 半波電壓，通常使波導兩側電極的間距盡可能小，盡可能與波導寬度大小相同。但是，當鈮 酸鋰電光器件工作在潮濕或者低溫環(huán)境下時，外部濕氣或由于低溫所產生的凝霜會凝聚在 電極以及電極之間的區(qū)域，通常，空氣中的水汽會降低電極之間電介質材料的絕緣性能并 腐蝕電極，引起電漂移甚至短路，使得施加于波導的電場發(fā)生變化，造成鈮酸鋰電光器件的 電光響應性能下降。通常為了解決上述問題，對于部分鈮酸鋰電光器件，如強度調制器、相位調制器 等，可采用管殼內部充入保護性干燥氣體并對管殼進行氣密封裝，從而阻止外部濕氣進入 鈮酸鋰電光器件腔體。但是，氣密封裝技術也有其局限性，主要體現(xiàn)在以下兩個方面1)采 用氣密封裝技術成本比較高，并且需要具備專用的封裝設備；幻某些鈮酸鋰電光器件無法 采用氣密封裝技術，如Y波導集成光學器件。Y波導集成光學器件主要通過采用退火質子交換技術在X切Y傳的鈮酸鋰晶體上 制作高消光比單偏振工作的Y分支形狀的波導而實現(xiàn)。Y波導集成光學器件具備多種功能， 如檢偏/起偏、分束/合束、相位調制等，是光纖陀螺系統(tǒng)的重要組件之一。隨著光纖陀螺市 場的逐漸興起，關于光纖陀螺系統(tǒng)和配套產品的研究也不斷深入。由于Y波導屬于雙光纖 輸出器件，如果采用上述氣密封裝技術，就需要使用光纖陣列，而金屬化光纖陣列的耦合、 封裝難度很大，并且，金屬化光纖封裝時引入的應力比較大，無法滿足Y波導尾纖偏振串音 的技術要求。所以一直以來Y波導電光器件在低溫以及潮濕環(huán)境下工作都無法保證其理想的 電光響應性能，使得采用該電光器件的光纖陀螺的精確度以及穩(wěn)定性受到影響，限制了 Y 波導的運用。因此，實有必要針對現(xiàn)有的鈮酸鋰電光器件，尤其是Y波導電光器件，設計一種新 型的器件結構，以克服現(xiàn)有技術中所存在的上述缺陷。本實用新型中的鈮酸鋰電光器件，正 是針對上述問題提出的。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種新型的鈮酸鋰電光器件，當所述鈮酸 鋰電光器件在潮濕或者低溫環(huán)境下工作時，能夠保持其在大體理想的工作環(huán)境下所能實現(xiàn) 的電光響應性能。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種鈮酸鋰電光器件，其包括鈮酸鋰光波導 芯片以及保護層，所述鈮酸鋰光波導芯片通常包括鈮酸鋰晶體襯底、光波導以及電極，所述 光波導在鈮酸鋰晶體襯底中形成，并且靠近所述鈮酸鋰晶體襯底一側表面，并且所述電極 被置于所述鈮酸鋰光波導芯片的表面并靠近所述光波導設置；所述保護層在所述鈮酸鋰光 波導芯片的設置有所述電極的一側表面上至少涂覆在所述電極的表面以及所述電極之間 的區(qū)域。優(yōu)選地，所述保護層的電擊穿閾值至少大于10KV/mm，且固化后硬度小于shore A 50。根據本實用新型的實施例，所述保護層材料為有機硅類膠、環(huán)氧類膠、以及亞克力 類膠中的一種。根據本實用新型的實施例，所述鈮酸鋰光波導芯片還包括緩沖層，所述緩沖層設 置在所述鈮酸鋰晶體襯底與所述電極之間。根據本實用新型的實施例，所述鈮酸鋰光波導芯片中的光波導為Y波導。本實用新型所提供的具有保護層結構的鈮酸鋰電光器件，由于保護層結構緊密地 貼合于所述鈮酸鋰光波導芯片表面上的電極作用區(qū)域，使得幾乎沒有任何空隙存在于所述 鈮酸鋰光波導芯片表面上的電極作用區(qū)域與所述保護層之間，從而有效地使所述電極作用 區(qū)域與外界環(huán)境相隔離，防止外界潮濕空氣接觸于所述電極以及所述電極作用區(qū)域，從而 防止在上述區(qū)域形成凝霜或受到其它外界環(huán)境的影響。因此，該器件結構有效地改善了鈮 酸鋰電光器件在不同的工作環(huán)境(例如不同的濕度或溫度等)尤其是潮濕、低溫的工作環(huán) 境中的電光響應性能。同時，對于鈮酸鋰電光器件，尤其是無法采用氣密封裝方法保護的鈮 酸鋰電光器件，本實用新型提供了一種成本低且簡單易行的解決方案。

下面將參照附圖以示例性實施例的方式描述本實用新型，其中圖1為現(xiàn)有的鈮酸鋰Y波導電光器件的結構圖；圖2為本實用新型的實施例中鈮酸鋰Y波導電光器件的結構圖；圖3為本實用新型的實施例中光纖陀螺系統(tǒng)的大體結構圖；圖4A為采用現(xiàn)有鈮酸鋰Y波導電光器件的光纖陀螺系統(tǒng)在特定工作環(huán)境下，當輸 入特定信號后所得到的輸入-輸出信號波形圖；圖4B為采用本實用新型的實施例的鈮酸鋰Y波導電光器件的光纖陀螺系統(tǒng)在與 圖4A相同的工作環(huán)境下，當輸入與圖4A相同的信號后所得到的輸入-輸出信號波形圖。
具體實施方式
下面參照圖1，圖1為現(xiàn)有的鈮酸鋰Y波導電光器件的結構圖。如圖所示，現(xiàn)有鈮酸鋰Y波導電光器件標記為10，其通常采用退火質子交換技術，在X切Y傳的鈮酸鋰晶體襯 底13上利用光刻工藝制備Y形分支波導圖形，然后利用質子交換工藝制備高消光比單偏振 工作的縱向的Y形分支的波導11 (波導寬度一般在6 9um)，然后在晶體的縱向表面、鄰 近Y波導11部分的外表面之上覆以適當厚度的緩沖層14，所述緩沖層14通常由二氧化硅 (SiO2)材料制成，然后再在所述緩沖層14上對應于Y波導11的各分支的兩側分別套刻一 對推挽結構的電極12，例如長直電鍍加厚行波形共面金電極。通過對所述電極12施加以各 種調制電信號，能夠改變光波導11中光信號的相位，達到電光信號轉換目的。本領域技術 人員可以理解，所述鈮酸鋰電光器件也可以不采用緩沖層，而使所述電極直接置于所述鈮 酸鋰晶體襯底13之上。如圖所示，通常置于緩沖層14上的電極12部分地暴露于外部環(huán)境。所以當器件 10工作在潮濕或者低溫環(huán)境下時，濕氣凝結或凝霜很容易形成在電極以及電極之間的部分 而導致電介質材料絕緣性能的下降、電極的腐蝕或者電漂移現(xiàn)象的產生，因此很難避免鈮 酸鋰電光器件10的電光響應性能的下降。圖2示出本實用新型的實施例的鈮酸鋰Y波導電光器件(標記為20)的結構圖。 如圖所示，鈮酸鋰電光器件20包括鈮酸鋰光波導芯片沈以及保護層25。所述鈮酸鋰光波 導芯片沈大體包括圖1所示的鈮酸鋰晶體襯底13、形成于所述鈮酸鋰晶體襯底13中的光 波導11、以及鄰近所述光波導11設置的緩沖層14，以及置于所述緩沖層14上的電極12。 如圖所示，保護層材料噴涂至所述緩沖層14的設置有電極12的表面上，以形成所述保護層 25。并且，所述保護層25主要覆蓋所述電極12對光波導11起作用的區(qū)域，即設置在緩沖層 14的表面上的電極12以及所述電極12之間的區(qū)域。在本實施例中，用于制作所述保護層 25的材料為環(huán)氧類膠，厚度大體為幾十微米，可以理解，保護層的材料與厚度可根據具體的 應用器件以及具體的工作方式等情況而不同。可以理解，對于沒有緩沖層的鈮酸鋰電光器件，由于電極直接設置于鈮酸鋰晶體 襯底上，所以保護層25可直接涂覆在鈮酸鋰晶體襯底13的設置有電極的表面之上。并且 優(yōu)選地，所述保護層25可涂覆在鈮酸鋰光波導芯片沈的設置有電極的整個表面，并且根據 不同的應用器件以及具體應用情況，所述保護層25可采用其它涂覆方式涂覆于所述光波 導芯片沈的設置有電極的表面之上。在本實施例中，保護層材料是采用噴涂方式涂覆在光 波導芯片的表面上的。如圖所示并結合上文所述內容，本領域技術人員可知，所述保護層25能夠使Y波 導芯片沈的緊密地貼合于所述保護層25之下的表面與外界環(huán)境相隔離，尤其是與潮濕空 氣的隔離，從而使處于保護層25之下的電極12的表面以及電極12之間的區(qū)域不會形成任 何水汽的凝聚，因此避免了因水汽凝聚而造成的電介質的絕緣性能的變化，同時也避免了 電漂移現(xiàn)象的產生。應該認識到，根據鈮酸鋰電光器件所固有的特性，所述保護層本身同樣會對芯片 的電光響應性能產生影響，所以其制作材料的選擇必然受到相應的限制。一般而言，為了達 到預期效果，所選保護層材料應同時具備以下特性1)對襯底和電極材料具有良好的粘附 性，從而保證所述保護層在芯片工作期間不易脫落；2)防潮性能優(yōu)異，從而能夠有效地防 止外界濕氣被所述保護層材料所吸收和/或進入受保護的電極作用區(qū)域；幻能夠承受較寬 的工作溫度范圍，至少涵蓋鈮酸鋰電光器件的工作溫度范圍，從而保證保護層不會因器件
5溫度的改變而降低保護效果，在本實施例中，所述工作溫度范圍涵蓋-45度至+70度的溫度 范圍；4)幾乎不影響光波導的傳輸損耗；5)具有較大的電擊穿閾值(至少大于10KV/mm)； 6)電絕緣性能良好；7)低彈性模量；8)低固化后硬度(小于shore A 50)。所述保護層材料可以是有機硅類膠、環(huán)氧類膠、以及亞克力類膠，但不局限于這幾 種。本領域技術人員可以理解，能夠同時具有上述特性的材料均可用作保護層材料用于本 實用新型中的鈮酸鋰電光器件，以保護鈮酸鋰電光器件不會受到外界環(huán)境以及保護層本身 的干擾，從而使所述器件的電光響應性能更穩(wěn)定，而不會因工作環(huán)境的改變而變化。本領域技術人員可以理解，針對用于保護層的不同的材料，以及鈮酸鋰電光器件 的設置有電極的表面的不同結構，其涂覆方式也相應地不同。對于有機硅類膠作為保護 層材料，則涂覆方式通常采用針筒擠出、隨后自然流平、然后常溫固化或高溫加熱固化的方 式，而對于亞克力類膠作為保護層材料，則涂覆方式通常需要采用UV照射固化的方式?？?以理解，對于其它材料以及其它的鈮酸鋰電光器件表面結構的實施例，也可采用本領域技 術人員所公知的蒸發(fā)、印刷等方法將保護層材料涂覆于鈮酸鋰電光器件的表面上的電極作 用區(qū)域以形成所述保護層。如圖3所示，根據本實用新型中的實施例，閉環(huán)干涉式光纖陀螺系統(tǒng)標記為30，其 大體包括鈮酸鋰電光器件31、線圈32、光源、電源、接收組件、信號源以及示波器等。利用輸 入保偏光纖輸入光耦合進入鈮酸鋰電光器件31中的Y形分支波導，利用兩根輸出保偏光纖 將Y形分支波導的光耦合出，最終與光纖線圈32相連，形成光纖陀螺系統(tǒng)的核心部件。結合附圖1、2與3，圖4A與圖4B分別示出現(xiàn)有的鈮酸鋰Y波導電光器件以及本實 用新型的實施例中的鈮酸鋰Y波導電光器件接入到閉環(huán)干涉式光纖陀螺系統(tǒng)30后，對Y波 導11兩側電極12施加頻率為IKHz、電壓峰值為5V鋸齒波信號A后，在數字示波器端以X-T 方式所接收并顯示的光纖陀螺系統(tǒng)30的輸入-輸出信號曲線圖，其中縱坐標為電壓(單位 V/mV)，橫坐標為時間(單位ms)。圖4A為采用現(xiàn)有鈮酸鋰Y波導電光器件的光纖陀螺系統(tǒng)30在低溫或潮濕工作環(huán) 境下，當輸入上述鋸齒波信號后，在示波器端得到的輸入-輸出信號曲線圖。在所述鈮酸鋰 電光器件的工作溫度下，尤其是在潮濕或低溫的環(huán)境下，由于對鈮酸鋰Y波導電光器件沒 有采用任何保護措施，使得在施加信號A于所述鈮酸鋰Y波導電光器件的電極后，陀螺系統(tǒng) 30的輸出信號B如圖4A所示。理想的輸出信號曲線應該是一條平直的線，僅在輸入信號的電壓正負發(fā)生轉換的 位置出現(xiàn)細微鋸齒。如圖4A所示，采用現(xiàn)有的Y波導電光器件的陀螺系統(tǒng)30在工作溫度 下、尤其是存在潮濕空氣的環(huán)境中或低溫環(huán)境中，基于輸入信號A，其輸出類似鋸齒波的信 號B，本領域技術人員可以理解，輸出信號B表明位于所述Y波導分支兩側的電極之間的電 介質絕緣性因濕氣凝聚而發(fā)生改變，如絕緣性降低，極間電容增大等。這些電介質特性的改 變，使得Y波導本身應具有的電光響應性能下降，如瞬態(tài)響應的時間常數變大，介質緩慢漏 電產生的電漂移等。光纖陀螺系統(tǒng)由于Y波導電光響應性能的下降，其復位精度也相應地 下降，導致光纖陀螺系統(tǒng)精度降低。圖4B為采用本實用新型中的鈮酸鋰Y波導電光器件的陀螺系統(tǒng)30在與圖4A相 同的工作環(huán)境下，當輸入與圖4A相同的信號A后得到的輸入-輸出曲線圖。經過改進的Y 波導電光器件，在其工作溫度范圍內，尤其是在潮濕或低溫的環(huán)境下工作時，其電光響應性能較之以前的方案得到明顯的改善。如圖所示，當施加信號A于本實用新型中的Y波導電 光器件后，所述光纖陀螺系統(tǒng)30的輸出信號C基本呈現(xiàn)直線狀，也就是說，本實用新型所提 供的鈮酸鋰電光器件在潮濕或低溫的環(huán)境下工作時，并沒有在對波導起作用的電極上形成 損害電光響應性能的電漂移、并且沒有引起電介質的改變。因此，根據圖4A與圖4B所示的 輸入-輸出曲線圖可知，經改進的鈮酸鋰電光器件實現(xiàn)了在潮濕或低溫環(huán)境下工作并同時 保證良好的電光響應性能?？梢岳斫?，本實用新型不僅適用于Y波導電光器件，還適用于鈮酸鋰電光器件中 的其它低頻器件，如直波導相位調制器、強度調制器等。盡管本實用新型是通過參照附圖以上述優(yōu)選的實施例的方式來進行描述，但是可 以理解，本實用新型的實現(xiàn)形式并不局限于上述實施方式。應該認識到，在不背離本實用新 型權利要求所要求保護的范圍內，本領域技術人員可以對本實用新型做出多種不同的變化 和調整。
權利要求1.一種具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所述鈮酸鋰電光器件包括 鈮酸鋰光波導芯片，所述光波導芯片包括鈮酸鋰晶體襯底、光波導以及電極，其中，所述光波導在鈮酸鋰晶體襯底中形成，并且靠近所述鈮酸鋰晶體襯底一側表面，并且所述電 極位于所述鈮酸鋰光波導芯片的表面并靠近所述光波導設置；保護層，在所述鈮酸鋰光波導芯片的設置有所述電極的一側表面上，所述保護層至少 涂覆在所述電極的表面以及所述電極之間的區(qū)域。
2.根據權利要求1所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所述保護層的 電擊穿閾值至少大于10KV/mm。
3.根據權利要求2所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所述保護層的 固化后硬度小于shore A 50。
4.根據權利要求3所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所述保護層材 料為有機硅類膠、環(huán)氧類膠、以及亞克力類膠中的一種。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所 述鈮酸鋰光波導芯片還包括緩沖層，所述緩沖層設置在所述鈮酸鋰晶體襯底與所述電極之 間。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所 述鈮酸鋰光波導芯片中的光波導為Y波導。
7.根據權利要求5所述的具有保護層的鈮酸鋰電光器件，其特征在于，所述鈮酸鋰光 波導芯片中的光波導為Y波導。
專利摘要本實用新型公開了一種鈮酸鋰電光器件，其包括光波導芯片以及保護層，所述保護層涂覆在所述光波導芯片表面的電極作用區(qū)域上。當所述電光器件工作在潮濕或低溫環(huán)境下時，通過所述保護層與所述光波導芯片所構成的器件結構，能夠消除外界濕氣對所述電光器件的電光響應性能的影響。本實用新型所公開的鈮酸鋰電光器件在工作溫度范圍內，尤其是在潮濕、低溫的工作環(huán)境下，相比于現(xiàn)有的鈮酸鋰電光器件，能夠得到更好的電光響應特性。
文檔編號G02F1/035GK201845145SQ201020282889
公開日2011年5月25日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月3日
發(fā)明者鄭遠生 申請人:北京世維通科技發(fā)展有限公司