CN102279479A - 单片集成光学陀螺用声光移频器 - Google Patents

Abstract

单片集成光学陀螺用声光移频器属于集成光学技术领域。现有采用LiNbO₃波导材料制作的声光移频器其光波导损耗比较大，由于LiNbO₃基片是一种电介质材料，致使无法以其为基片制作光源，从而无法实现光学陀螺的完全的单片集成。本发明其特征在于，衬底为Si衬底，SiO₂下包层位于Si衬底上；具有Ge-SiO₂芯层的衍射通道与未衍射通道位于SiO₂下包层上；Ge-SiO₂芯层截面形状为矩形；SiO₂上包层覆盖Ge-SiO₂芯层及SiO₂下包层上表面未被Ge-SiO₂光波导占用的部分；换能器由ZnO压电膜及叉指底电极构成并位于SiO₂上包层上，ZnO压电膜的厚度等于0.4个声表面波波长；叉指底电极位于换能器底部。

Description

单片集成光学陀螺用声光移频器

技术领域

本发明涉及一种单片集成光学陀螺用声光移频器，具体涉及到Si基SiO₂光波导及ZnO压电膜叉指换能器结构，属于集成光学技术领域。

背景技术

近年来，随着集成光学和光电子技术的进步，惯性仪表光学陀螺技术朝着高精度和微型化方向发展，伴随这一发展，出现了第三代光学陀螺，即IOG(集成光学陀螺)。IOG由敏感元件、控制元件和光源组成。所述敏感元件是一种在硅片上制作而成的无源环形谐振器，所述控制元件是一种移频器。现有IOG实际上只是将分立的敏感元件、控制元件组合在一起，构成一种微型化光学陀螺，并不是严格意义上的单片集成光学陀螺。IOG的技术方向之一是单片集成化，所谓单片集成化是指在一个基片上制作敏感元件、控制元件，甚至包括光源。

与本发明有关的现有IOG控制元件是一种采用LiNbO₃波导材料制作的声光移频器。这种声光移频器其结构为，在LiNbO₃衬底上制作一条钛扩散层形成Ti-LiNbO₃光波导，在光波导一侧布置有作为换能器的叉指电极，该叉指电极属于表面电极，位于LiNbO₃衬底表面。该声光移频器所使用的LiNbO₃波导材料其光波导损耗比较大，因而降低了IOG的性能；再有，由于所述LiNbO₃基片是一种电介质材料，致使无法以其为基片制作光源，从而无法实现光学陀螺的完全的单片集成。所有这些阻碍了光学陀螺技术向高精度、微型化方向的发展。

在现有技术中有一种Si基SiO₂光波导材料，具有光波导损耗低的特点，用来制作环形谐振器。

发明内容

本发明的目的在于实现在硅片上制作光学陀螺声光移频器，为光学陀螺的单片集成和获得高精度提供前提条件，为此，我们发明了本发明之单片集成光学陀螺用声光移频器。

发明之单片集成光学陀螺用声光移频器光波导、换能器位于衬底上；见图1、图2所示，光波导的衍射通道1与未衍射通道2以偏转角Φ相交，形成光通道交叉区3；换能器位于衍射通道1与未衍射通道2相交的一侧；换能器声孔径朝向光通道交叉区3，声孔径轴线与未衍射通道2轴线呈布拉格角θ_B的补角，声孔径宽度L与光通道交叉区宽度W相等；其特征在于，衬底为Si衬底4，SiO₂下包层5位于Si衬底4上；具有Ge-SiO₂芯层6的衍射通道1与未衍射通道2位于SiO₂下包层5上；Ge-SiO₂芯层6截面形状为矩形；SiO₂上包层7覆盖Ge-SiO₂芯层6及SiO₂下包层5上表面未被Ge-SiO₂光波导6占用的部分；换能器由ZnO压电膜8及叉指底电极9构成并位于SiO₂上包层7上，ZnO压电膜8的厚度等于0.4个声表面波波长；叉指底电极9位于换能器底部。

本发明之声光移频器在Si衬底4上制作，而Si衬底4为一种硅单晶半导体材料。因此，能够在同一Si衬底4上制作光源，如半导体激光器；还能够在同一Si衬底4上制作敏感元件，如无源环形谐振器。来自光源的光自未衍射通道2的入射端口10以布拉格角θ_B入射，通过布拉格衍射域，衍射光由未衍射通道2输出端口11输出，进入无源环形谐振器，未衍射光由衍射通道1的出射端口12出射。实现了光学陀螺的单片集成。

换能器的电极具有底电极结构，并且，ZnO压电膜8的厚度等于0.4个声表面波波长，这些措施将声表面波SAW的机电耦合系数提高到16％。另外，由于本发明之声光移频器中的波导均为Si基SiO₂光波导，其光波导损耗只有0.01dB/cm，与光波导损耗为0.2dB/cm的Ti-LiNbO₃光波导相比，光波导损耗要小一个数量级，声光衍射效率提高到70％。因此，采用本发明之声光移频器的光学陀螺的精度能够大幅提高。

附图说明

图1是本发明之单片集成光学陀螺用声光移频器结构俯视示意图，该图兼作为摘要附图。

图2是本发明之单片集成光学陀螺用声光移频器结构A-A方向剖视示意图。

具体实施方式

发明之单片集成光学陀螺用声光移频器具体方案如下，见图1、图2所示，光波导、换能器位于衬底上。光波导的衍射通道1与未衍射通道2以偏转角Φ相交，形成光通道交叉区3。换能器位于衍射通道1与未衍射通道2相交的一侧；换能器声孔径朝向光通道交叉区3，声孔径轴线与未衍射通道2轴线呈布拉格角θ_B的补角，声孔径宽度L与光通道交叉区宽度W相等。衬底为Si衬底4，SiO₂下包层5位于Si衬底4上。具有Ge-SiO₂芯层6的衍射通道1与未衍射通道2位于SiO₂下包层5上；Ge-SiO₂芯层6截面形状为宽×高＝(6～7)×(5～6)的矩形，单位为毫米，构成一种单模波导。SiO₂上包层7覆盖Ge-SiO₂芯层6及SiO₂下包层5上表面未被Ge-SiO₂芯层6占用的部分，其中覆盖Ge-SiO₂芯层6部分的SiO₂上包层7作为衍射通道1与未衍射通道2的限制层。换能器由ZnO压电膜8及叉指底电极9构成并位于SiO₂上包层7上，ZnO压电膜8的厚度等于0.4个声表面波波长；叉指底电极9位于换能器底部，以适合于声表面波，材质为铝。

下面结合制作过程进一步说明本发明之单片集成光学陀螺用声光移频器。

采用湿氧氧化法，采用Si单晶片作为Si衬底4，在高温条件下热氧化，得到SiO₂层；然后采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)对SiO₂层进行Ge掺杂，得到Ge-SiO₂层；接着采用反应离子刻蚀工艺(RIE)刻蚀出具有满足单模传输条件的矩形Ge-SiO₂芯层6的衍射通道1、未衍射通道2；最后，再用PECVD法得到SiO₂上包层7。在衍射通道1与未衍射通道2相交的一侧的SiO₂上包层7上用溅射法覆盖ZnO压电膜8，ZnO压电膜8厚度等于0.4个声表面波波长，Al叉指底电极9放置在SiO₂上包层7与ZnO压电膜8交界面上。对叉指底电极9图形工艺的要求为不能断指、连指；对ZnO压电膜8的要求为按垂直方向取向。

声光移频器工作在布拉格衍射域，入射光自未衍射通道2的入射端口10以布拉格角θ_B入射，衍射光由未衍射通道2输出端口11输出，进入无源环形谐振器，未衍射光由衍射通道1的出射端口12出射。

Claims (4)

1.单片集成光学陀螺用声光移频器其光波导、换能器位于衬底上；光波导的衍射通道(1)与未衍射通道(2)以偏转角Φ相交，形成光通道交叉区(3)；换能器位于衍射通道(1)与未衍射通道(2)相交的一侧；换能器声孔径朝向光通道交叉区(3)，声孔径轴线与未衍射通道(2)轴线呈布拉格角θ_B的补角，声孔径宽度L与光通道交叉区宽度W相等；其特征在于，衬底为Si衬底(4)，SiO₂下包层(5)位于Si衬底(4)上；具有Ge-SiO₂芯层(6)的衍射通道(1)与未衍射通道(2)位于SiO₂下包层(5)上；Ge-SiO₂芯层(6)截面形状为矩形；SiO₂上包层(7)覆盖Ge-SiO₂芯层(6)及SiO₂下包层(5)上表面未被Ge-SiO₂光波导(6)占用的部分；换能器由ZnO压电膜(8)及叉指底电极(9)构成并位于SiO₂上包层(7)上，ZnO压电膜(8)的厚度等于0.4个声表面波波长；叉指底电极(9)位于换能器底部。

2.根据权利要求1所述的声光移频器，其特征在于，Ge-SiO₂芯层(6)截面形状为宽×高＝(6～7)×(5～6)的矩形，单位为毫米，构成一种单模波导。

3.根据权利要求1所述的声光移频器，其特征在于，覆盖Ge-SiO₂芯层(6)部分的SiO₂上包层(7)作为衍射通道(1)与未衍射通道(2)的限制层。

4.根据权利要求1所述的声光移频器，其特征在于，叉指底电极(9)材质为铝。

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