CN107065068A - 基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构 - Google Patents

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杨帆
陈思远
王涉
陈洋
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Abstract

针对目前发展迅速的基于拉锥光纤平板波导耦合方式的电场测量传感器，本发明提出了一种基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构。包括衬底，衬底上具有V型槽，V型槽的表面涂有掩蔽膜；拉锥光纤放置于V型槽中，V型槽上设置有平板波导。其中，衬底材料选择为单晶硅。本发明能够将光纤固定并且保持光纤拉锥区和平板波导的间距固定，能够有效的解决波导和光纤模场的匹配性以及耦合的准直性都带有很大的随机性的问题。

Description

基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构
技术领域
本发明属于测量传感器的封装领域，特别是对拉锥光纤平板波导耦合方式的电场测量传感器提出的一种封装结构。
背景技术
目前主要解决波导和光纤模场的匹配性以及耦合的随机性问题的封装方法有：
（1）直接微调光纤对准法。但由于其调整自由度太多，增加了调整的难度，同时光纤与波导易发生耦和退化等现象。
（2）“倒装”耦和结构。该方法虽然有较高的耦和精度。但其使用硅片较大，影响波导上的电接触和器件的高频性能。再者硅片与波导的热膨胀性不同影响耦和的热稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、低成本、间距固定并且能够保持波导和光纤模场有效匹配的基于拉锥光纤平板波导耦合方式的电场测量传感器封装结构。
为了实现上述目的本发明采用的技术方案如下：基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，包括衬底，衬底上具有V型槽，V型槽的表面涂有掩蔽膜；拉锥光纤放置于V型槽中，使拉锥光纤中段的锥部区域位于V型槽的中央位置，拉锥光纤锥部区域所处位置的V型槽上横跨设置有平板波导。
所述拉锥光纤锥部区域所处位置的V型槽中具有耦和油，使拉锥光纤与平板波导相对固定。对于拉锥光纤的锥部区域，V型槽的垂直深度较小，而在光纤的其他区域V型槽的垂直深度较大。
在上述方案中，所述衬底的材料为单晶硅，V型槽采用湿刻法腐蚀得到。湿刻法中采用各向异性的腐蚀液。
所述V型槽的开口方向必须平行或者垂直于单晶硅（110）晶向。V型槽的倾斜角为54.74度，V型槽的锥顶角为70.52度。
通过计算锥部区域V型槽的相关参数，使得锥部区域与V型槽水平面的距离为最佳耦合值。把平板波导放置在锥部区域之上的水平面上，利用锥部区域填充的耦和油，既实现良好耦和，又实现拉锥光纤的锥部区域与平板波导位置的相对固定。
本发明的优点：由于单晶硅的特殊微观机理，可实现光纤的精确定位并不随温度的变化而移位，使得波导和光纤模场的匹配性以及耦合的准直性能好。V型槽的设计可方便、稳定的使平板波导和拉锥光纤锥区达到所设计的耦和间距。
附图说明
图1为本发明 V型槽各晶面示意图；
图2 本发明光纤传感器的封装结构示意图；
图中：1-衬底，2-拉锥光纤，3-平板波导，4-锥部区域。
具体实施方式
本实施例选用单晶硅材料作为衬底1，单晶硅必须选（100）晶向。要求晶向要准，否则V型槽会歪，影响其使用；单晶硅材料缺陷少，特别是无层错，否则利用腐蚀工艺制作时会在缺陷处凹凸不平，太多了会影响其使用。
硅的腐蚀液有很多种，有的是各向异性，有的是各向同性。首先必须选用各向异性的腐蚀液，例如可选用强碱K，有机物I和水三元***。K- I-水三元腐蚀液中的各成分的质量百分数比为：K:I:水=23.4%:13.3%:63.3%。腐蚀温度在80摄氏度时，腐蚀速率低, 经腐蚀的V型槽质量比较好，槽侧壁光滑，槽底小丘较少，几何精度高。为了保证腐蚀液各成分在制作过程中基本不变，必须采用一套带有回流装置的水浴锅。其可以通过温度控制装置自动控制腐蚀温度为80摄氏度。加入水冷凝管缠绕在腐蚀液容器的挥发管上，使挥发的腐蚀液回到容器保证其浓度及配比不变化。将腐蚀用的提篮竖直放置在腐蚀液中，在腐蚀时将硅片竖直固定在提篮上，使腐蚀液沿V型槽流下，避免了腐蚀时杂质留在槽底产生小丘。此外，提篮还可以控制硅片的高度，以防止加热时腐蚀液翻滚带起的杂志附着在槽上。
V型槽的开口方向必须平行或者垂直于单晶硅（110）晶向，参见图1，如果方向对不准，V型槽会变形。
对于选用的腐蚀液要用相应的耐腐蚀的掩蔽膜，要求掩蔽膜的粘附性必须很好，质地要致密，还有要有一定的厚度，比如用二氧化硅作掩膜。采用高温湿氧化法生长SiO2，厚度约0.5um。这种方法的优点是SiO2膜牢固，致密性好，且比干氧氧化省时。在制作完成后，必须保证掩蔽膜光滑陡直，无毛刺和无钻蚀等常规光刻工艺所要求的质量。掩蔽膜是自身氧化层，不是镀层。掩蔽膜应该加在腐蚀V型槽后，保护衬底。
本发明要求V型槽的倾斜角为54.74度，这一角度下V型槽的物理化学性质更稳定、可靠性更高。同时也恰好满足腐蚀深度和表面宽度的配合值。此时V型槽的锥顶角为70.52度。
对于腐蚀深度，太大的话会引起V型槽明显的横向腐蚀，使得V型槽的宽度大于设计值，所以通常情况下，腐蚀深度的取值要与0.707倍的表面宽度接近或者要小。
根据以上要求，使用湿刻法在衬底上腐蚀出V型槽，加工非常简单。
参见图2，基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，包括衬底1，衬底上具有V型槽，V型槽的表面涂有掩蔽膜；拉锥光纤2放置于V型槽中，使拉锥光纤中段的锥部区域4位于V型槽的中央位置，拉锥光纤锥部区域4所处位置的V型槽上横跨有平板波导3。所述拉锥光纤锥部区域4所处位置的V型槽中具有耦和油，使拉锥光纤2与平板波导3相对固定。
本发明使用单晶硅作为衬底，可以满足光纤的微米级精度要求。同时V型槽可以利用上述腐蚀工艺实现精确的光纤定位，在高温下无光纤移位，具有高可靠性。能够有效的解决波导和光纤模场的匹配性以及耦合的准直性都带有很大的随机性的问题。实验证明，采用此封装方法可使光纤和光波导的***损耗小于7dB。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书面对本发明技术方法采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：包括衬底，衬底上具有V型槽，V型槽的表面涂有掩蔽膜；拉锥光纤放置于V型槽中，使拉锥光纤中段的锥部区域位于V型槽的中央位置，拉锥光纤锥部区域所处位置的V型槽上横跨设置有平板波导。
2.根据权利要求1所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述拉锥光纤锥部区域所处位置的V型槽中具有耦和油，使拉锥光纤与平板波导相对固定。
3.根据权利要求1或2所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述衬底的材料为单晶硅。
4.根据权利要求3所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述V型槽采用湿刻法腐蚀得到。
5.根据权利要求4所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述湿刻法采用各向异性的腐蚀液。
6.根据权利要求3所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述V型槽的开口方向必须平行或者垂直于单晶硅（110）晶向。
7.根据权利要求1或2或4或5或6所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述拉锥光纤锥部区域所处位置的V型槽的垂直深度小于V型槽其余区域的垂直深度。
8.根据权利要求7所述基于拉锥光纤平板波导耦合的电场测量传感器封装结构，其特征在于：所述V型槽的倾斜角为54.74度，V型槽的锥顶角为70.52度。
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