一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器及其制備方法，該發(fā)明采用了一種高效散熱結(jié)構(gòu)，利用金剛石作為鈮酸鋰襯底的散熱材料，并采用液體毛細(xì)鍵合工藝實現(xiàn)鈮酸鋰襯底與金剛石薄片之間的良好接觸，不會引入熱阻和光學(xué)損耗，利用金剛石的高熱導(dǎo)率特性實現(xiàn)對電光波導(dǎo)調(diào)制器內(nèi)部熱量的疏散，實現(xiàn)調(diào)制器內(nèi)部熱場的均勻分布，本發(fā)明的調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝容易實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于激光通信、光纖傳感和光信號處理等領(lǐng)域。
【專利說明】一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]集成電光波導(dǎo)調(diào)制器是激光通信系統(tǒng)中實現(xiàn)電光調(diào)制的關(guān)鍵器件，其實現(xiàn)調(diào)制的基礎(chǔ)是晶體介質(zhì)的電光效應(yīng)。在電光波導(dǎo)調(diào)制器中，外加電場的線性電光效應(yīng)引起光波導(dǎo)介質(zhì)的折射率變化，進(jìn)而引起導(dǎo)波光傳播的相位變化。集成電光波導(dǎo)調(diào)制器通常采用鈮酸鋰(LiNb03)晶體作為襯底。然而，在實際應(yīng)用中，由于電光波導(dǎo)調(diào)制器熱電效應(yīng)引起的溫度變化將導(dǎo)致調(diào)制相位發(fā)生熱漂移，其幅度或大或小，其頻率或快或慢。這種熱漂移會造成器件輸出光功率、相位等性能發(fā)生很大變化，是波導(dǎo)調(diào)制器件的主要失效模式之一，嚴(yán)重限制了器件的實際應(yīng)用。
[0003]目前，抑制鈮酸鋰晶體熱效應(yīng)的措施有兩種:一是屏蔽熱電荷，二是采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計。前者需分別針對晶體的不同結(jié)構(gòu)采用不同的工藝流程，工藝繁瑣復(fù)雜；后者對調(diào)制器新結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求較高。但無論采用以上哪種措施，其目的均是要盡量消除或降低集成電光波導(dǎo)調(diào)制器內(nèi)部的熱效應(yīng)，使得器件內(nèi)部形成的熱場分布均勻。因此，如何提高集成電光波導(dǎo)調(diào)制器的散熱性能成為提高其性能的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器及其制備方法，該發(fā)明采用了一種高效散熱結(jié)構(gòu)，利用金剛石作為鈮酸鋰襯底的散熱材料，并采用液體毛細(xì)鍵合工藝實現(xiàn)鈮酸鋰襯底與金剛石薄片之間的良好接觸，不會引入熱阻和光學(xué)損耗，利用金剛石的高熱導(dǎo)率特性實現(xiàn)對電光波導(dǎo)調(diào)制器內(nèi)部熱量的疏散，實現(xiàn)調(diào)制器內(nèi)部熱場的均勻分布。
[0005]本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器包括電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片，其中，所述電光波導(dǎo)調(diào)制器部件包括金電極層、鉻金層、二氧化硅緩沖層、鈮酸鋰光波導(dǎo)和鈮酸鋰襯底；電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底和金剛石薄片之間通過鍵合匹配液進(jìn)行鍵合處理形成接觸。
[0007]在上述的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器中，鈮酸鋰襯底與金剛石薄片通過鍵合匹配液利用液體毛細(xì)鍵合工藝實現(xiàn)接觸。
[0008]在上述的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器中，所述鈮酸鋰襯底為X切向或Z切向的晶體。
[0009]在上述的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器中，所述電光波導(dǎo)調(diào)制器包括1個或2個鈮酸鋰光波導(dǎo)。
[0010]一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟:
[0011](1)分別采用三氯甲烷和去離子水對電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底表面進(jìn)行清洗;
[0012](2)、對步驟⑴清洗后的鈮酸鋰襯底進(jìn)行烘干處理；
[0013](3)、分別采用堿性溶液和酸性溶液對金剛石薄片進(jìn)行沖洗，并且在每次沖洗后，采用去離子水對殘留在金剛石薄片上的堿性溶液或酸性溶液進(jìn)行沖洗；然后再將金剛石薄片放入丙酮溶液中浸泡，并在浸泡之后利用去離子水沖洗殘留在金剛石薄片上的丙酮溶液；
[0014](4)、對步驟(3)沖洗后的金剛石薄片進(jìn)行烘干處理；
[0015](5)、將烘干處理后的電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片浸泡在鍵合匹配液中；
[0016]￠)、在保持電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底和金剛石薄片濕潤的條件下，將金剛石薄片放置在電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底下方，并在所述金剛石薄片的下方施加氣壓，使得金剛石薄片和鈮酸鋰襯底之間形成鍵合接觸，即金剛石薄片與鈮酸鋰襯底之間的干涉條紋消失。
[0017]上述的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，在步驟(5)中采用的鍵合匹配液為甲醇溶液。
[0018]上述的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，在步驟(3)中采用的堿性溶液為氨水和雙氧水的混合溶液，酸性溶液為鹽酸溶液。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0020](1)、本發(fā)明的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器在現(xiàn)有的電光波導(dǎo)調(diào)制器的襯底層增加了散熱結(jié)構(gòu)，并且該散熱結(jié)構(gòu)采用金剛石薄片實現(xiàn)，因為金剛石具有較高的熱導(dǎo)率，可以有效解決光波導(dǎo)調(diào)制器的散熱問題；
[0021](2)、在本發(fā)明的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器中，電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的襯底層和金剛石薄片之間采用鍵合匹配液進(jìn)行鍵合接觸，可以有效降低散熱結(jié)構(gòu)對電光波導(dǎo)調(diào)制器性能的影響，即在解決散熱問題時不會影響電光波導(dǎo)調(diào)制器的性能，并且該實現(xiàn)方法的工藝簡單、易于實現(xiàn)、便于集成，無需借助其他電學(xué)和光學(xué)手段實現(xiàn)器件的高效散熱，可有效抑制電光波導(dǎo)調(diào)制器的熱漂移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明高效散熱結(jié)構(gòu)的單波導(dǎo)調(diào)制器(相位調(diào)制器)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明高效散熱結(jié)構(gòu)的雙波導(dǎo)調(diào)制器(強度調(diào)制器)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0025]一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器包括電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片。其中，該電光波導(dǎo)調(diào)制器部件為現(xiàn)有器件，包括金電極層、鉻金層、二氧化硅緩沖層、鈮酸鋰光波導(dǎo)和鈮酸鋰襯底。本發(fā)明采用液體毛細(xì)鍵合工藝，在電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的襯底層和金剛石薄片之間形成鍵合接觸，該金剛石薄片作為電光波導(dǎo)調(diào)制器的散熱結(jié)構(gòu)，從而確保了本發(fā)明的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器具有高效散熱性能。
[0026]本發(fā)明采用的散熱結(jié)構(gòu)不影響現(xiàn)有電光波導(dǎo)調(diào)制器的性能，并且適用于各種形式的電光波導(dǎo)調(diào)制器，無論鈮酸鋰襯底是X切向晶體還是Z切向晶體，均能采用本發(fā)明的散熱結(jié)構(gòu)。而且本發(fā)明同樣適用于單波導(dǎo)調(diào)制器和雙波導(dǎo)調(diào)制器，其中，單波導(dǎo)調(diào)制器為只有1個鈮酸鋰光波導(dǎo)的電光波導(dǎo)調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示，該調(diào)制器可作為相位調(diào)制器；雙波導(dǎo)調(diào)制器為有2個鈮酸鋰光波導(dǎo)的電光波導(dǎo)調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示，該調(diào)制器可作為強度調(diào)制器。
[0027]本發(fā)明的高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器可以通過以下步驟制備得到:
[0028](1)分別采用三氯甲烷和去離子水對現(xiàn)有的電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底表面進(jìn)行清洗；
[0029](2)、對步驟(1)清洗后的鈮酸鋰襯底進(jìn)行烘干處理；
[0030](3)、分別采用堿性溶液和酸性溶液對金剛石薄片進(jìn)行沖洗，并且在每次沖洗后，采用去離子水對殘留在金剛石薄片上的堿性溶液或酸性溶液進(jìn)行沖洗；然后再將金剛石薄片放入丙酮溶液中浸泡，并在浸泡之后利用去離子水沖洗殘留在金剛石薄片上的丙酮溶液；其中，在該步驟中采用的堿性溶液為氨水和雙氧水的混合溶液，酸性溶液為鹽酸溶液。
[0031](4)、對步驟(3)沖洗后的金剛石薄片進(jìn)行烘干處理；
[0032](5)、將烘干處理后的電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片浸泡在鍵合匹配液中；其中該鍵合匹配液可以采用甲醇溶液。
[0033]￠)、在保持電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底和金剛石薄片濕潤的條件下，將金剛石薄片放置在電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底下方，并在所述金剛石薄片的下方施加氣壓，使得金剛石薄片和鈮酸鋰襯底之間形成鍵合接觸，通過觀察看到金剛石薄片與鈮酸鋰襯底之間的干涉條紋消失，就可以判斷已經(jīng)形成了鍵合接觸。
[0034]實施例:
[0035]在本實施例中選取的鈮酸鋰晶體的尺寸為40mmX10mmX2mm，金剛石薄片的尺寸為40mmX 10mmX 1mm，電光波導(dǎo)調(diào)制器部件中的銀酸鋰光波導(dǎo)寬度為5?8 μ m，金電極層和絡(luò)金層的總厚度為6?15 μ m。
[0036]在本實施例中給出了制備集成電光波導(dǎo)調(diào)制器的具體實施步驟，其中包括電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的制備步驟和增加散熱結(jié)構(gòu)的步驟，具體如下所示:
[0037](1)、選取尺寸為40mmX 10mmX 2mm的x切銀酸鋰晶片；
[0038](2)、先后使用無水乙醇、丙酮、三氯乙烯和去離子水對晶片進(jìn)行清洗；
[0039](3)、在對晶片清洗后，利用純氣氣喂'槍對晶片進(jìn)彳丁吹風(fēng)，氣流的吹動方向從晶片的中心開始逐步螺旋式向外推進(jìn)；
[0040](4)、利用質(zhì)子交換方法在晶片上制作一個光波導(dǎo)，光波導(dǎo)寬度為5?8 μπι。利用夾具將晶片夾穩(wěn)，將粉末狀的苯甲酸(C6H5COOH)交換源放入玻璃管內(nèi)。將玻璃管放入電加熱恒溫爐內(nèi)，利用溫控儀對爐內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度控制精度為±0.1°C ;
[0041](5)、對恒溫爐進(jìn)行加熱，使其溫度升高至200?250°C之間，此時將晶片放入熔融的苯甲酸中進(jìn)行浸漬，然后將玻璃管密封，在交換爐內(nèi)進(jìn)行加熱，保持恒溫60分鐘后，采用旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)玻璃管使晶片完全浸沒在苯甲酸內(nèi)，并啟動電磁攪拌裝置促進(jìn)質(zhì)子交換；質(zhì)子交換時間設(shè)置為3小時，然后將玻璃管冷卻至120°C左右，將晶片取出晾干。隨后將晶片放入溫度為100°C的去離子水內(nèi)，使其溫度降至室溫；
[0042](6)、依次用三氯甲烷和去離子水分別對晶片表面進(jìn)行清洗；
[0043](7)、對晶片進(jìn)行烘干處理；
[0044](8)、將烘干后的晶體作為電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底，且該鈮酸鋰襯底內(nèi)具有一個鈮酸鋰光波導(dǎo)；在該晶體依次鍍制二氧化硅緩沖層、鉻金層和金電極層，其中，鉻金層的厚度為3?6 μm，金層的厚度為3?9 μπι ;
[0045](9)、選取尺寸為40_X lOmmX 1mm的金剛石薄片；
[0046](10)、利用稀釋的氨水和雙氧水混合溶液對金剛石薄片進(jìn)行清洗處理5?8分鐘，然后用去離子水沖洗3?5分鐘；再利用稀釋的鹽酸水溶液對金剛石薄片進(jìn)行清洗處理5?8分鐘，隨后利用去離子水進(jìn)行沖洗3?5分鐘；將金剛石薄片放置在丙酮溶液中浸泡3?5分鐘，然后利用去離子水沖洗3?5分鐘；
[0047](11)、利用純氮氣噴槍對晶片進(jìn)行吹風(fēng)烘干處理。
[0048](12)、將晶片和金剛石薄片分別浸入裝有甲醇的器皿中浸泡3?5分鐘。
[0049](13)、在保持晶片和金剛石薄片濕潤的條件下，將晶片襯底一側(cè)放置在金剛石薄片上方；采用高壓氮氣噴槍吹氣3分鐘以上，直至觀察到金剛石片與晶片之間的干涉條紋全部從晶片邊緣淹沒為止，從而完成晶片與金剛石薄片的液體毛細(xì)鍵合。
[0050]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0051]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器，其特征在于:包括電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片，其中，所述電光波導(dǎo)調(diào)制器部件包括金電極層、鉻金層、二氧化硅緩沖層、鈮酸鋰光波導(dǎo)和鈮酸鋰襯底；電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底和金剛石薄片之間通過鍵合匹配液進(jìn)行鍵合處理形成接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器，其特征在于:鈮酸鋰襯底與金剛石薄片通過鍵合匹配液利用液體毛細(xì)鍵合工藝實現(xiàn)接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器，其特征在于:所述鈮酸鋰襯底為X切向或Z切向的晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成電光波導(dǎo)調(diào)制器，其特征在于:所述電光波導(dǎo)調(diào)制器部件中包括I個或2個鈮酸鋰光波導(dǎo)。
5.—種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)分別采用三氯甲烷和去離子水對電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底表面進(jìn)行清洗； (2)、對步驟(I)清洗后的鈮酸鋰襯底進(jìn)行烘干處理； (3)、分別采用堿性溶液和酸性溶液對金剛石薄片進(jìn)行沖洗，并且在每次沖洗后，采用去離子水對殘留在金剛石薄片上的堿性溶液或酸性溶液進(jìn)行沖洗；然后再將金剛石薄片放入丙酮溶液中浸泡，并在浸泡之后利用去離子水沖洗殘留在金剛石薄片上的丙酮溶液； (4)、對步驟(3)沖洗后的金剛石薄片進(jìn)行烘干處理； (5)、將烘干處理后的電光波導(dǎo)調(diào)制器部件和金剛石薄片浸泡在鍵合匹配液中； (6)、在保持電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底和金剛石薄片濕潤的條件下，將金剛石薄片放置在電光波導(dǎo)調(diào)制器部件的鈮酸鋰襯底下方，并在所述金剛石薄片的下方施加氣壓，使得金剛石薄片和鈮酸鋰襯底之間形成鍵合接觸，即金剛石薄片與鈮酸鋰襯底之間的干涉條紋消失。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，其特征在于:在步驟(5)中采用的鍵合匹配液為甲醇溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高效散熱結(jié)構(gòu)的集成光電波導(dǎo)調(diào)制器的制備方法，其特征在于:在步驟(3)中采用的堿性溶液為氨水和雙氧水的混合溶液，酸性溶液為鹽酸溶液。
【文檔編號】G02F1/035GK104483763SQ201410677231
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】劉向南, 張靚, 于征, 諶明, 向程勇, 盧滿宏, 杜中偉, 李英飛 申請人:北京遙測技術(shù)研究所, 航天長征火箭技術(shù)有限公司