Герметично упакованная многофункциональная интегрально-оптическая схема

Полезная модель относится к области герметичного корпусирования многофункциональных интегрально-оптических схем (далее - МИОС), которые предназначены для применения в волоконно-оптических интерферометрических датчиках в качестве поляризатора, разветвителя и модулятора оптического сигнала.
Принцип работы данных устройств основан на оптических свойствах полупроводниковых кристаллов, таких как кристалл ниобата лития. Оптические свойства полупроводниковых кристаллов меняются в зависимости от прикладываемого электрического напряжения, наличия водяных паров в окружающей среде, изменения температуры окружающей среды и газового состава окружающей среды. Для сохранения стабильной работы интегрально-оптических схем необходимо сохранение условий среды в течение всего срока службы.
Известно (R.S. Moyer, R. Grencavich, F.F. Judd, R.С. Kershner, W.J. Minford, R.W. Smith, Design and qualification of hermetically packaged lithium niobate optical modulator// IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: 1998, Part B, vol. 21, №2, c. 130-135,) устройство герметично упакованного оптического модулятора на основе кристалла ниобата лития.
Модулятор на подложке из кристалла ниобата лития размещен внутри корпуса из ковара (сплав НК-29) и закреплен на дне корпуса посредством адгезива на основе эпоксидной смолы. Гермовывод оптических волокон осуществляется посредством керамической пропускной трубки, внутри которой закрепляются предварительно металлизированные никелем и золотом электроосаждающим способом оптические волокна (далее - волокно). Керамические трубки закрепляются на оптических волокнах при помощи металлического легкоплавкого припоя. После чего керамическая трубка закрепляется в выходной трубке корпуса при помощи того же металлического легкоплавкого припоя. На торец оптических волокон надеваются стеклянные капилляры, которые полируются под нужным углом и стыкуются с кристаллом ниобата лития посредством УФ-отверждаемого оптически прозрачного адгезива. Корпус закрыт крышкой методом шовно-роликовой сварки. Корпус обжигается в вакуумной среде для уменьшения количества молекул водорода. После обжига корпус заполняют газовой смесью из сухого азота и гелия через отверстие в крышке, которое после заполнения корпуса газовой смесью запаивается металлическим припоем.
Азот используется для уменьшения активности внутренней среды герметичного корпуса модулятора. Также наличие азота уменьшает количество проникающих внутрь молекул водорода, наличие которых приводит к образованию водяных паров.
Недостатками данного решения являются несогласованность коэффициентов термического расширения (далее - КТР) кварца, из которого производят волокно, и металлического припоя, использованного для закрепления волокна в керамической втулке. Также из-за несогласованности КТР между кристаллом ниобата лития и корпусом может возникнуть механическое напряжение в области стыковки волокна с кристаллом ниобата лития. Данные механические напряжения могут нарушить герметизацию корпуса в условиях перепада температуры.
Известно (патент US 8070368) устройство герметично упакованной интегрально-оптической схемы с окисляющим газом внутри корпуса.
Интегрально-оптическая схема, выполненная на кристалле ниобата лития, закрепленная на подложке из нержавеющей стали при помощи токопроводящего силикона, размещена внутри корпуса из ковара и закреплена тем же силиконом на дне корпуса. Гермовывод волокон осуществляется посредством герметично закрепленных трубок на волокнах, которые припаяны свинцово-оловянным припоем в выходных трубках корпуса. На торец оптических волокон надеваются втулки, которые полируются под нужным углом и стыкуются с кристаллом ниобата лития посредством УФ-отверждаемого оптически прозрачного адгезива. Корпус закрыт крышкой, закрепленной при помощи шовно-роликовой сварки. Корпус обжигается в течении 12 часов при температуре 100°С в вакуумной среде. После обжига корпус заполняется сухой газовой смесью из кислорода (40%) и гелия (60%). Гелий дополнительно служит трассирующим газом при проведении тестов на утечку внутренней среды корпуса.
Недостатками известного решения являются низкий срок службы адгезивов на основе эпоксидной смолы, а также выделение эпоксидной смолой кислорода в корпусе с кристаллом ниобата лития, который вступает в реакцию с водородом и образует молекулы воды. Также проблемой является несогласование КТР между кварцем, из которого изготовляется волокно и металлами, использованными в качестве припоя для обеспечения спайного соединения между втулкой и корпусом. Вследствие такой несогласованности при большом температурном градиенте возникают механические напряжения на волокне, которые вносят ошибки в сигнал датчика.
Известно (A. Mottet, S. Jilard, J. Hauden, N. Grossard, H. Porte, J. Tchahame, D. Veyrie, O. Gilard, Packaging improvement of LiNbO3 modulators and space evaluation results // ISCO 2018, 111803K, 2019) устройство герметично упакованного модулятора на основе ниобата лития, выбранное в качестве прототипа к предлагаемой полезной модели.
В данном решении корпус сделан из ковара. Волноводы интегрально-оптической схемы получены методом диффузии титана. А на боковой грани корпуса расположены герметичные выводы электрических контактов, предназначенные для управления интегрально-оптической схемой. Кристалл ниобата лития закреплен на дне корпуса при помощи токопроводящего силикона. Место стыковки волокна с корпусом зачищается до кварцевой части и на него наносится металл. На металлизированную часть волокна надевается пропускная трубка из ковара, покрытая золотом. На конце волокна находится стеклянная втулка, обеспечивающая простую стыковку волокна с интегрально-оптической схемой. После стыковки волокна с интегрально-оптической схемой пропускную трубку из ковара на волокне запаивают индукционным способом с выходной трубкой, находящейся на торце корпуса, образуя волоконный гермовывод. Перед посадкой крышки корпус обжигают для удаления органических элементов и водяных паров, содержащихся в использованных адгезивах. Крышку корпуса закрепляют шовно-роликовой сваркой в среде из азота и гелия. Гелий используется как трассирующий газ для облегчения проведения тестов на утечку.
Недостатками данного решения являются недостаточная информация о процессе герметизации волоконных выводов. Не известен металл, используемый для напыления на зачищенный участок волокна; в связи с чем, не известен его КТР и насколько он отличается от КТР кварца, из которого производится волокно. Не известен материал припоя, который использовался для закрепления пропускной трубки из ковара с волокном с выходной трубкой из ковара на торце корпуса, если таковой имел место быть. Недостатком также является несоответствие КТР ниобата лития и ковара, из которого изготовлен корпус.
Решаемая техническая проблема - совершенствование конструкции устройства для достижения технического результата.
Достигаемый технический результат - повышение стабильности работы интегрально-оптической схемы на основе кристалла ниобата лития в герметичном корпусе за счет улучшения качества герметизации, предотвращения структурного изменения кристалла ниобата лития и уменьшения пироэффекта.
Поставленная задача решается следующим образом.
Многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС), выполненная на подложке из кристалла ниобата лития с канальными волноводами из диффундированного титана, образующими два входных и два выходных порта, размещена внутри цельнометаллического корпуса герметизации (далее - корпуса) и закреплена на дне корпуса при помощи токопроводящего адгезива; с канальными волноводами интегрально-оптической схемы оптически соединены оптические двулучепреломляющие (ДЛП) волокна, закрепленные стеклянным припоем в пропускных трубках из ковара, которые закреплены внутри выходных трубок корпуса с помощью легкоплавкого металлического припоя, образуя волоконные гермовыводы, при этом формирование гермовыводов осуществляется для двух оптических ДЛП волокон.
Внутри корпуса размещен геттер, а на боковой грани корпуса расположены герметичные выводы электрических контактов, а корпус закрыт крышкой, закрепленной шовно-роликовой сваркой; внутренний объем корпуса герметизации заполнен сухим азотом, а, с размещаемой в корпусе МИОС на подложке ниобата лития, предварительно проведен восстановительный отжиг.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве основы устройства лежит кристалл ниобата лития, являющийся многофункциональной интегрально-оптической схемой, имеющей два входных порта и два выходных. С каждым портом оптически соединены оптические ДЛП волокна. Использование в заявляемой полезной модели оптических ДЛП волокон обусловлено необходимостью сохранения поляризации модулированного многофункциональной интегрально-оптической схемой оптического сигнала в интерферометрических волоконно-оптических датчиках.
Сам кристалл закреплен на дне корпуса с помощью эпоксидного токопроводящего клея. Клей создает короткое замыкание, которое способствует ускоренной релаксации зарядов, возникающих на гранях кристалла ниобата лития вследствие пироэффекта. Пироэффектом описывается явление, при котором изменение температуры кристалла ниобата лития приводит к образованию свободных зарядов на его поверхности, при миграции которых изменяются оптические свойства кристалла полупроводника. Также в корпусе расположен геттер, адсорбирующий молекулы водорода и воды. Корпус выполнен из цельнометаллического куска сплава металлов.
До установки интегрально-оптической схемы на дно корпуса она проходит предварительный восстановительный отжиг. Данный отжиг восстанавливает молекулы лития и ниобия, вследствие чего создаются кислородные вакансии, что приводит к повышению электронной и ионной проводимости и уменьшает влияние пироэффекта на оптический сигнал. Кроме того, благодаря использованию предварительного отжига, уменьшается структурное изменение кристалла ниобата лития, что приводит к повышению стабильности работы многофункциональной интегрально-оптической схемы. Уменьшению влияния пироэффекта на оптические свойства кристалла ниобата лития способствует и использование токопроводящего эпоксидного клея, геттера и заполнения внутренней среды корпуса сухим азотом. Азот создает сухую среду, предотвращая образование ОН соединений, и химически не взаимодействует с кристаллом ниобата лития.
ДЛП оптические волокна закреплены в пропускных трубках стеклянным припоем. Использование стеклянного припоя минимизирует механические деформации оптических ДЛП волокон, что предотвращает возникновение поляризационных преобразований. Пропускные трубки из ковара запаяны легкоплавким металлическим припоем в выходных трубках корпуса. Формирование гермовыводов осуществляется для двух оптических ДЛП волокон.
Благодаря использованию в конструкции корпуса ковара и стеклянного припоя достигается согласование КТР между компонентами корпуса, что приводит к уменьшению вероятности возникновения механических деформаций герметичного корпуса, ведущих к ухудшению качества герметизации, а также уменьшению величины внесенных поляризационных преобразований в оптических ДЛП волокнах. Благодаря использованию предварительного отжига, уменьшается структурное изменение кристалла ниобата лития, а благодаря использованию токопроводящего эпоксидного клея, геттера и заполнения внутренней среды корпуса сухим азотом уменьшается влияние пироэффекта на оптические свойства кристалла ниобата лития, что приводит к повышению стабильности работы многофункциональной интегрально-оптической схемы.
Сущность заявляемого решения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, где на фиг. 1 представлен вид сверху устройства без крышки; на фиг. 2 - волоконный гермовывод; на фиг. 3 - общий вид устройства, закрытого крышкой.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 приняты следующие обозначения:
1 - цельнометаллический корпус (далее - корпус герметизации),
2 - МИОС,
3 - герметичные выводы электрических контактов,
4 - оптические ДЛП волокна в защитной оболочке,
5 - зачищенный до кварцевой части участок оптических ДЛП волокон,
6 - стеклянная подложка с V-образными канавками,
7 - волоконный гермовывод, сформированный для двух оптических двулучепреломляющих волокон,
8 - углубление на дне корпуса герметизации;
9 - геттер,
10 - пропускная трубка,
11 - стеклянный припой,
12 - отверстие для заливки адгезива на основе эпоксидной смолы,
13 - адгезив на основе эпоксидной смолы,
14 - выходная трубка,
15 - металлический припой,
16 - крышка.
Герметично упакованная многофункциональная интегрально-оптическая схема (фиг. 1) содержит цельнометаллический корпус 1, на дне которого закреплена МИОС на подложке из кристалла ниобата лития 2, герметичные выводы электрических контактов 3, предназначенные для модуляции оптического сигнала, оптические ДЛП волокна 4 с зачищенным участком 5 для стыковки с МИОС при помощи стеклянных подложек с V-образными канавками 6, волоконные гермовыводы 7 и углубления на дне корпуса 8 для размещения стеклянных подложек с V-образными канавками и геттеров 9.
На фиг. 2 оптические ДЛП волокна 4 помещены в пропускную трубку 10 и на зачищенном участке 5 запаяны в трубку при помощи стеклянного припоя 11, пропускная трубка имеет отверстие 12, через которое заполняется эпоксидным адгезивом 13, а в выходной трубке 14 пропускная трубка крепится металлическим припоем 15.
На фиг. 3 - цельнометаллический корпус 1, с закрепленной внутри МИОС 2, герметичными выводами электрических контактов 3 и с волоконными гермовыводами 7, корпус 1 заполнен сухим азотом и закрыт крышкой 16.
Работа устройства заключается в следующем: оптический сигнал распространяется по одному из оптических волокон 4 и входит в волноводы МИОС 2 с одной из сторон. При прохождении оптического сигнала через волноводы МИОС 2 производится модуляция его фазы при помощи электрических контактов 3, после чего излучение выходит с другой стороны МИОС 2 и попадает в оптические волокна 4 с противоположной от входа стороны.
В качестве конкретного примера выполнения устройства предлагается использовать многофункциональную интегрально-оптическую схему на подложке из кристалла ниобата лития с волноводами, полученными диффузией титана, с двумя входными и двумя выходными портами. До установки в корпусе МИОС проходит предварительный восстановительный отжиг в среде смеси сухих газов водорода и азота. Корпус устройства предлагается изготовить из нержавеющей стали, например, марки 30X13. МИОС имеет скос со стороны входных и выходных портов для уменьшения обратных отражений от торцов. На дне корпуса МИОС закрепляется эпоксидным токопроводящим клеем, например, ЗИПСИЛ 520 ЭПК-01. Со стороны торцов кристалла ниобата лития расположены пара оптических ДЛП волокон. Конец оптических ДЛП волокон зачищается до кварцевого основания. На каждую пару из зачищенных ДЛП волокон помещается преформа стеклянного припоя в форме овала, которая при помощи индукционного метода пайки закрепляет волокно в пропускных трубках. Концы каждой пары оптических ДЛП волокон вклеиваются УФ-отверждаемым клеем в V-образные канавки стеклянной подложки, которые также имеют скос и оптически соединяются с портами МИОС при помощи УФ-отверждаемого клея. Расстояние между канавками совпадает с расстоянием между портами МИОС. Для упрощения стыковки волокон в V-образных канавках с МИОС на дне корпуса изготавливаются углубления. Пропускные трубки запаиваются индукционным методом и легкоплавким металлическим припоем, например, оловянно-свинцовым в выходных трубках корпуса, образуя тем самым волоконные гермовыводы. В углублениях на дне корпуса нанесен геттер, адсорбирующий молекулы водорода и воды, например, на основе титана. Одними из возможных вариантов расположения геттера могут быть также внутренняя боковая грань корпуса или внутренняя сторона крышки корпуса. На этапе закрепления крышки, например, шовно-роликовой сваркой, корпус с МИОС помещается в среду из сухого азота, тем самым сохраняя среду из сухого азота внутри корпуса.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в улучшении качества герметизации корпуса, предотвращения структурного изменения кристалла ниобата лития и уменьшения пироэффекта, что обеспечивает повышение стабильности работы интегрально-оптической схемы на основе кристалла ниобата лития в герметичном корпусе. Кроме того, использование стеклянного припоя минимизирует механические деформации оптических ДЛП волокон, что предотвращает возникновение поляризационных преобразований.