基于ltcc的高q值光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種器件的封裝方法，具體為基于LTCC的高Q值光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺是實(shí)現(xiàn)載體旋轉(zhuǎn)角速度和姿態(tài)角度測(cè)量的傳感器件，是慣性導(dǎo)航的核心關(guān)鍵器件之一，可以廣泛的應(yīng)用于航天、航空、航海、軍事、汽車制造以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域中，受到了各國(guó)科學(xué)研宄人員的青睞。而光學(xué)諧振腔陀螺可以大大減小器件體積和重量，也能充分減小器件熱效應(yīng)，更重要的是，回音壁模式(WGM)高Q光學(xué)微腔，由于其較小的模式體積使得激光沿著微腔的大圓周以全反射方式傳播，因此在微腔內(nèi)光能量只有很少一部分泄露到腔外，從而形成了沿界面?zhèn)鞑サ母逹值光學(xué)模式，使得微光學(xué)諧振腔作為諧振式陀螺儀的核心敏感元件有了極大的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)陀螺儀的小型化、高靈敏度等特性。然而，微腔回音壁光學(xué)模式的高效率激發(fā)需要外部耦合器進(jìn)行倏逝場(chǎng)近場(chǎng)耦合，目前，所應(yīng)用的最廣泛的耦合系統(tǒng)是由光學(xué)微腔與錐形光纖組成的耦合系統(tǒng)。在該耦合系統(tǒng)中，耦合器與光學(xué)微腔的間距需控制在一定范圍內(nèi)方能實(shí)現(xiàn)高效率耦合，當(dāng)將該耦合系統(tǒng)應(yīng)用與陀螺儀等進(jìn)行傳感探測(cè)方面的研宄時(shí)，常常會(huì)因?yàn)轳詈蠣顟B(tài)的改變而造成探測(cè)不便，穩(wěn)定性差。由于球腔耦合系統(tǒng)的高靈敏性，得到誤差來源于多個(gè)方面，如系統(tǒng)的震動(dòng)、耦合位置的變動(dòng)、溫度的改變等都會(huì)引起輸出諧振譜線的漂移，從而使檢測(cè)精度降低。又如光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的輸出特性與所處的環(huán)境折射率有密切的關(guān)系，外界環(huán)境的變化會(huì)引起光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)輸出的變化。也就是說，使耦合系統(tǒng)與外界環(huán)境隔離有重要意義。因此，如何使該耦合系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高耦合系統(tǒng)的抗干擾能力以及魯棒性是相關(guān)器件研制的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光學(xué)微腔與耦合器組成的耦合系統(tǒng)不穩(wěn)定、易受外界環(huán)境變化影響的問題，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、抗干擾、不受外界干擾的光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)，并同時(shí)提供易操作，封裝效果好，成本低的光學(xué)微腔耦合結(jié)構(gòu)的封裝方法。
[0004]本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:基于LTCC的高Q值光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)微腔和耦合器，還包括外層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，外層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)包括粘合成一體的上頂板、中間板和下底板，中間板的板面上設(shè)有連接兩相對(duì)端部的光纖槽，光纖槽中間部位設(shè)有通孔，光學(xué)微腔和耦合器包容在光學(xué)透明封裝材料內(nèi)形成封裝體，封裝體內(nèi)嵌在外層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0005]上述的封裝結(jié)構(gòu)的封裝方法，包括以下步驟:
S1:選用陶瓷材料制備上頂板、中間板和下底板，中間板上設(shè)有光纖槽和通孔；
52:通過光纖熔融法制備光學(xué)微腔，光學(xué)微腔的直徑小于中間板上的通孔直徑；
53:通過光纖拉錐機(jī)拉伸光纖并精確控制拉錐長(zhǎng)度，制得耦合器，并將耦合器放置在中間板的光纖槽中，將耦合器固定；
S4:通過位移調(diào)節(jié)臺(tái)將光學(xué)微腔經(jīng)過中間板的通孔并靠近耦合器，精確調(diào)整光學(xué)微腔和耦合器之間的耦合位置，使得在示波器上顯示穩(wěn)定的耦合信號(hào)；
S5:選取光學(xué)透明封裝材料并通過點(diǎn)膠工藝流入到中間板上的通孔與光纖槽內(nèi)，光學(xué)微腔與耦合器包容在光學(xué)透明封裝材料內(nèi)，形成封裝體；
S6:對(duì)封裝體進(jìn)行紫外光照射，持續(xù)時(shí)間照射的時(shí)間大于分鐘；
S7:將上頂板、中間板和下底板貼合放置在熱板上，加熱到高溫狀態(tài)，通過粘合劑使其緊密粘合在一起，形成穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)。
[0006]上述封裝方法，點(diǎn)膠在高倍顯微鏡的檢測(cè)下進(jìn)行，并通過示波器上的耦合信號(hào)判斷點(diǎn)膠過程對(duì)耦合狀態(tài)的影響，如果點(diǎn)膠過程使得耦合信號(hào)不穩(wěn)定，則通過位移調(diào)節(jié)臺(tái)對(duì)光學(xué)微腔與耦合器的耦合位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到耦合信號(hào)穩(wěn)定為止。
[0007]上述封裝方法，選取的光學(xué)透明封裝材料的折射率低于光學(xué)微腔和耦合器的折射率，使得滿足全反射條件。
[0008]上述封裝方法，光學(xué)透明封裝材料為紫外膠粘性材料。因?yàn)樽贤饽z較S12材料折射率低，能夠滿足全反射的條件，而且紫外膠固化操作簡(jiǎn)單，易于封裝。
[0009]本發(fā)明所述的基于LTCC的高Q值光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法，是利用一種折射率低于二氧化硅折射率的紫外膠粘性材料(通常應(yīng)用的材料的折射率為1.32)，用來包容整個(gè)光學(xué)微腔和耦合器所構(gòu)建的耦合結(jié)構(gòu)，然后用低導(dǎo)熱率的陶瓷材料制作的三層封裝結(jié)構(gòu)，將前面獲得的封裝系統(tǒng)包容起來的操作工藝方法。由于耦合結(jié)構(gòu)中光學(xué)微腔相對(duì)于外部環(huán)境的相對(duì)折射率發(fā)生變化，耦合結(jié)構(gòu)的諧振峰會(huì)發(fā)生偏移，所以偏移量與封裝材料的折射率有關(guān)。但是，諧振峰的偏移并不影響光學(xué)微腔耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，經(jīng)過陶瓷材料三層結(jié)構(gòu)的封裝后，使耦合結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不受震動(dòng)、擠壓、外界環(huán)境變化等因素的影響，并將極大的推進(jìn)光學(xué)微腔器件的研發(fā)進(jìn)程。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有光學(xué)微腔與耦合器組成的耦合系統(tǒng)技術(shù)比較，不僅穩(wěn)定、固化了光學(xué)微腔耦合結(jié)構(gòu)，而且使光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)與外界隔絕，提高結(jié)構(gòu)抗震性。通過使用制作使用陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，將整個(gè)封裝耦合系統(tǒng)包容，克服了封裝固化的光學(xué)透明封裝材料的折射率易受環(huán)境溫度變化而改變的缺點(diǎn)，提高耦合系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，解決和攻克了現(xiàn)有耦合系統(tǒng)長(zhǎng)期難以提高穩(wěn)定，抗干擾能力中研制的技術(shù)難點(diǎn)，這些對(duì)于推進(jìn)光學(xué)微腔研宄和應(yīng)用推廣具有重大意義。
【附圖說明】
[0011]圖1為封裝體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為外層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為耦合系統(tǒng)封裝前與封裝后的透射光譜對(duì)比圖。耦合系統(tǒng)封裝前的透射光譜(a)的譜峰多個(gè)和不整齊，反映出耦合系統(tǒng)的震動(dòng)帶來耦合狀態(tài)的漂移，及引起了系統(tǒng)誤差，而耦合系統(tǒng)封裝后的透射光譜(b)的譜峰突出和整齊，說明了耦合系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高抗干擾能力。
[0014]圖4為耦合系統(tǒng)加上外層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)后的透射譜線，隨著時(shí)間的推移其Q值，諧振峰位置，耦合深度的變化情況，可見其保存時(shí)間長(zhǎng)，并且對(duì)外界環(huán)境溫度變化不敏感，穩(wěn)定性進(jìn)一步提尚。
[0015]圖中:1-光學(xué)微腔，2-1禹合器，3-封裝體，4-上頂板，5-中間板，6-下底板，7-光纖槽，8-通孔，9-光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]基于LTCC的高Q值光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)微腔I和耦合器2，還包括外層陶瓷封裝結(jié)