CN103292800A - 一种单片式集成光学陀螺及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片式集成光学陀螺及其制造方法。单片式集成光学陀螺包括：混合集成在同一硅基底上的光源、布拉格光栅、Y波导、环形谐振腔、光探测器和集成电路；光源输出的激光经布拉格光栅变为窄线宽激光，再被Y波导分成两束光，进入环形谐振腔；光探测器探测环形谐振腔顺时针和逆时针光强，进行光电转换；集成电路用于驱动和反馈控制光源、对光源直接进行调制、处理光探测器输出的信号并输出陀螺信号。本发明方法基于混合集成技术、光源调制技术和键合实现所述单片式集成光学陀螺。本发明采用直接光源调制的信号调制解调方案，使得将集成光学陀螺的关键部件混合集成在同一硅基底上成为可能，因而陀螺的体积得以减小，集成度得以提高。
Description
技术领域
本发明涉及光学陀螺仪表技术领域，尤其涉及一种单片式集成光学陀螺及其制造方法。
背景技术
集成光学陀螺凭借其小型化、集成化、质量轻的优势，成为陀螺领域中研究的热点。谐振式集成光学陀螺的工作原理是：光学萨格奈克效应（Sagnac Effect）会导致谐振腔的顺逆时针方向具有不同的谐振频率，其谐振频率差与陀螺的角速度成比例，通过检测这个谐振频率差，就可以获知陀螺的角速度。目前的集成光学陀螺还停留在分立式样机的研制阶段，其体积较大、集成化程度不高。制约光学陀螺实现集成化的因素，一是光学器件的小型化和集成化技术还不够成熟，二是各关键器件所使用的材料还没有统一，包括光源、探测器、调制器等，这是硅基光电子集成领域所要解决的主要问题之一。
发明内容
针对现有光学陀螺实现集成化存在的问题，本发明提供了一种单片式集成光学陀螺及其制造方法，基于混合集成技术和光源调制技术实现单片式集成光学陀螺。
本发明提供的一种单片式集成光学陀螺，包括：混合集成在同一硅基底上的光源、布拉格光栅、Y波导、环形谐振腔、光探测器以及集成电路；光源通过光波导连接布拉格光栅，布拉格光栅通过光波导连接Y波导，集成电路通过导线连接光源和光探测器。
光源用于输出激光，布拉格光栅控制激光变为窄线宽激光，Y波导将窄线宽激光分成两束光，两束光经耦合器进入环形谐振腔，分别在环形谐振腔中沿顺时针方向和逆时针方向传输，在环形谐振腔中传输的光经耦合器耦合出环形谐振腔；标记探测在环形谐振腔中沿顺时针方向传输的光的光探测器为顺时针光探测器，标记探测在环形谐振腔中沿逆时针方向传输的光的光探测器为逆时针光探测器，两个光探测器进行光电转换，将生成的电信号输出给集成电路；集成电路解调输入的电信号得到解调信号，以其中一个光探测器的解调信号作为光源的反馈控制信号，调谐光源的驱动电流，使光源输出的激光频率与环形谐振腔对应方向的谐振频率一致，此时另外一个光探测器的解调信号为陀螺的开环输出。
本发明提供的一种上述单片式集成光学陀螺的制造方法，包括如下步骤：
(a).在硅基片A上制作CMOS集成电路并把CMOS基片平整，在CMOS基片上表面沉积一层二氧化硅层；
(b).在硅基片B上表面沉积一层二氧化硅层，在二氧化硅层上制作布拉格光栅、Y波导、耦合器和环形谐振腔；
(c).在经过(b)处理后的基片B上进行锗外延生长，制作锗基光探测器；
(d).在经过(c)处理后的硅基片B上沉积一层二氧化硅层，进行退火处理，并把表面平整化；
(e).把经过(a)处理后的硅基片A和经过(d)处理后的硅基片B键合；
(f).把键合后的硅基片B的硅基底进行机械减薄，用化学腐蚀法去除残余的硅，使二氧化硅层暴露；
(g).通过光刻和刻蚀二氧化硅形成不同深度的槽，用于沉积金属电极；
(h).在(g)中槽中沉积金属形成电极；
(i).在属于硅基片B的二氧化硅层上刻蚀出一个槽；
(j).在(i)中刻蚀出的槽中，用外部光源管芯对准二氧化硅波导进行倒装焊。
本发明提供的单片式集成光学陀螺及其制造方法，由于采用直接光源调制的信号调制解调方案，使得将集成光学陀螺的关键部件混合集成在同一硅基底上成为可能，且结合混合集成技术和键合技术，使得陀螺的体积得以减小，集成度得以提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的透射式结构单片式集成光学陀螺的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的反射式结构单片式集成光学陀螺的结构示意图；
图3为本发明单片式集成光学陀螺制造方法的流程示意图。
其中：
1-光源；2-布拉格光栅；3-Y波导；4-环形谐振腔；51-顺时针光探测器；
52-逆时针光探测器；6-集成电路；31-第一Y波导；32-第二Y波导；33-第三Y波导。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种单片式集成光学陀螺，包括：混合集成在同一硅基底上的光源1、布拉格光栅2、Y波导3、环形谐振腔4、光探测器51、52、集成电路6以及连接各光学器件的光波导。本发明提供的单片式集成光学陀螺分为透射式结构和反射式结构。环形谐振腔4由闭合光波导构成。光源1输出的激光经布拉格光栅2压窄线宽后成为窄线宽激光，窄线宽激光被Y波导3分成两束光后一部分光进入环形谐振腔4，产生萨格奈克效应；光探测器51、52探测环形谐振腔4耦合出的光强，并实现光电转换，将生成的电信号输出给集成电路6；集成电路6用于驱动和反馈控制光源1、对光源1直接进行调制、处理光探测器51、52输出的信号并输出陀螺信号。本发明中光探测器中包括顺时针光探测器51和逆时针光探测器52。光源1由倒装焊工艺集成在硅基底上。
本发明中陀螺采用基于温度和电流控制、电流调制的工作方式。集成电路6对光源1进行恒温控制和电流调制。通过对顺时针光探测器51（或逆时针光探测器52）得到的信号进行解调，产生反馈控制信号，作用于光源1，改变光源1输出光的频率使其与环形谐振腔4顺时针（或逆时针）方向的谐振频率一致；同时对逆时针光探测器52（或顺时针光探测器51）上得到的电信号进行解调，输出角速度信息。
如图1所示，为透射式结构的单片式集成光学陀螺。图中实线为光波导，虚线为导线。透射式结构的单片式集成光学陀螺主要包括：混合集成在同一硅基底上的光源1、布拉格光栅2、Y波导3、环形谐振腔4、顺时针光探测器51、逆时针光探测器52以及集成电路6。光源1通过光波导依次连接布拉格光栅2和Y波导3，集成电路6通过导线连接两个光探测器51、52和光源1。Y波导3连接耦合器C1，经Y波导3分成的两束光通过耦合器C1耦合入环形谐振腔4，顺时针光探测器51和逆时针光探测器52之间连接有耦合器C2，环形谐振腔4中的光通过耦合器C2耦合出环形谐振腔4，在环形谐振腔4顺时针方向传输的光被顺时针光探测器51探测到，在环形谐振腔4逆时针方向传输的光被逆时针光探测器52所探测。
光源1发出的光经布拉格光栅2作用变为窄线宽激光，经过Y波导3后分成两束光，分别称为顺时针（CW）光和逆时针（CCW）光，两束光分别经耦合器C1耦合入环形谐振腔4。在环形谐振腔4中沿CW方向传输的一部分CW光和沿CCW方向传输的一部分CCW光通过耦合器C2耦合出环形谐振腔4，分别被顺时针光探测器51和逆时针光探测器52所探测。顺时针光探测器51和逆时针光探测器52对探测到的光完成光电转换，输出电信号给集成电路6。集成电路6在光源1的驱动电流上叠加交流调制信号，设定陀螺的工作点。集成电路6对输入的电信号进行解调得到解调信号，以顺时针光探测器51（或逆时针光探测器52）的解调信号作为光源1的反馈控制信号，调谐光源1的驱动电流使光源1输出的激光频率与环形谐振腔4的CW（或CCW）方向的谐振频率一致。此时，逆时针光探测器52（或顺时针光探测器51）的解调信号即为陀螺的开环输出。
图2为反射式结构的单片式集成光学陀螺。图中实线为光波导，虚线为导线。反射式结构单片式集成光学陀螺主要包括：混合集成在同一硅基底上的光源1、布拉格光栅2、第一Y波导31、第二Y波导32、第三Y波导33、环形谐振腔4、顺时针光探测器51、逆时针光探测器52以及集成电路6。光源1通过光波导连接布拉格光栅2，布拉格光栅2通过光波导连接第一Y波导31的输入端，第一Y波导31的两个输出端分别连接第二Y波导32和第三Y波导33的一个输出端，第二Y波导32的另一个输出端连接逆时针光探测器52，第三Y波导33的另一个输出端连接顺时针光探测器51，第二Y波导32和第三Y波导33的输出端连接耦合器C。集成电路6通过导线连接顺时针光探测器51、逆时针光探测器52和光源1。
光源1发出的光经布拉格光栅2作用变为窄线宽激光，经过第一Y波导31后分成两束光，分别称为CW光和CCW光。CW光经第二Y波导32和耦合器C后耦合入环形谐振腔4，在环形谐振腔4中沿CW方向传输。CW光经环形谐振腔4的滤波作用后，经过耦合器C和第三Y波导33被顺时针光探测器51所探测。CCW光经第三Y波导33和耦合器C后耦合入环形谐振腔4，在环形谐振腔4中沿CCW方向传输。CCW光经环形谐振腔4的滤波作用后，经过耦合器C和第二Y波导32被逆时针光探测器52所探测。顺时针光探测器51和逆时针光探测器52对探测到的光完成光电转换，输出电信号给集成电路6。集成电路6对输入的电信号进行解调得到解调信号。集成电路6在光源1的驱动电流上叠加交流调制信号，设定陀螺的工作点。集成电路6以顺时针光探测器51（或逆时针光探测器52）的解调信号作为光源1的反馈控制信号，调谐光源的驱动电流使输出光频率与谐振腔CW（或CCW）方向的谐振频率一致。此时，逆时针光探测器52（或顺时针光探测器51）的解调信号即为陀螺的开环输出。
本发明提供的一种上述单片式集成光学陀螺的制造方法，如图3和4所示，基本流程为：
(a).在硅基片A上制作CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）集成电路并把CMOS基片平整，在CMOS基片上表面沉积一层二氧化硅层，以备后续键合工艺使用。
(b).在硅基片B上表面沉积一层二氧化硅层S1，然后在二氧化硅层S1上制作基于硅基二氧化硅波导的布拉格光栅2、Y波导3(或31，32和33)、耦合器C1、C2（或C）以及环形谐振腔4的结构。
(c).在经过(b)处理后的硅基片B上进行锗外延生长，制作锗基光探测器51、52。
(d).在经过(c)处理后的硅基片B上沉积一层二氧化硅层S2，进行退火处理，并把表面平整化。
(e).把经过(a)处理后的硅基片A和经过(d)处理后的硅基片B键合。
(f).把键合后的原硅基片B的硅基底进行机械减薄，用化学腐蚀法去除残余的硅，使二氧化硅层S1暴露。
(g).通过光刻和刻蚀二氧化硅形成不同深度的槽，以备沉积金属电极。
(h).在(g)中槽中沉积金属形成电极。
(i).在属于硅基片B的二氧化硅层上深刻蚀出一个槽。槽的深度根据光源芯片的不同而不同，约十几微米到几百微米不等。
(j).在(i)步骤刻蚀出的槽中用外部光源管芯对准二氧化硅波导进行倒装焊。
本发明提供的单片式集成光学陀螺的制造方法基于混合集成技术、光源调制技术和键合技术。混合集成技术是指使用外部光源通过倒装焊等混合集成工艺实现与陀螺其他部件进行集成的技术；光源调制技术是指通过调制光源驱动电流的方式来设定集成光学陀螺工作点和进行信号调制解调的技术，该技术使陀螺系统不再需要相位调制器；键合技术使集成光学陀螺的光路和电路部分能够分开制造。本发明制造方法实现了非硅基光源、硅基二氧化硅波导、硅锗探测器和集成电路的单片式混合集成。
Claims (6)
1.一种单片式集成光学陀螺，其特征在于，包括：集成在同一硅基底上的光源、布拉格光栅、Y波导、环形谐振腔、两个光探测器以及集成电路；光源通过光波导连接布拉格光栅，布拉格光栅通过光波导连接Y波导，集成电路通过导线连接光源和两个光探测器；
光源用于输出激光，布拉格光栅控制激光变为窄线宽激光，Y波导将窄线宽激光分成两束光，两束光经耦合器进入环形谐振腔，分别在环形谐振腔中沿顺时针方向和逆时针方向传输，在环形谐振腔中传输的光经耦合器耦合出环形谐振腔；标记探测在环形谐振腔中沿顺时针方向传输的光的光探测器为顺时针光探测器，标记探测在环形谐振腔中沿逆时针方向传输的光的光探测器为逆时针光探测器，两个光探测器进行光电转换，将生成的电信号输出给集成电路；集成电路解调输入的电信号得到解调信号，以其中一个光探测器的解调信号作为光源的反馈控制信号，调谐光源的驱动电流，使光源输出的激光频率与环形谐振腔对应方向的谐振频率一致，此时另外一个光探测器的解调信号为陀螺的开环输出。
2.根据权利要求1所述的一种单片式集成光学陀螺，其特征在于，所述的环形谐振腔由闭合光波导构成。
3.根据权利要求1所述的一种单片式集成光学陀螺，其特征在于，所述的光源由倒装焊工艺集成在硅基底上。
4.根据权利要求1或2所述的一种单片式集成光学陀螺，其特征在于，所述的单片式集成光学陀螺采用透射式结构，Y波导连接耦合器C1，两个光探测器之间连接有耦合器C2，经Y波导分成的两束光通过耦合器C1耦合入环形谐振腔，环形谐振腔中的光通过耦合器C2耦合出环形谐振腔。
5.根据权利要求1或2所述的一种单片式集成光学陀螺，其特征在于，所述的单片式集成光学陀螺采用反射式结构，设置了三个Y波导：第一Y波导、第二Y波导和第三Y波导，布拉格光栅通过光波导连接第一Y波导的输入端，第一Y波导的两个输出端分别连接第二Y波导和第三Y波导的一个输出端，第二Y波导的另一个输出端连接逆时针光探测器，第三Y波导的另一个输出端连接顺时针光探测器，第二Y波导和第三Y波导的输出端连接耦合器C。
6.根据权利要求1所述的一种单片式集成光学陀螺的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
(a).在硅基片A上制作CMOS集成电路并把CMOS基片平整，在CMOS基片上表面沉积一层二氧化硅层；
(b).在硅基片B上表面沉积一层二氧化硅层，在二氧化硅层上制作布拉格光栅、Y波导、耦合器和环形谐振腔；
(c).在经过(b)处理后的基片B上进行锗外延生长，制作锗基光探测器；
(d).在经过(c)处理后的硅基片B上沉积一层二氧化硅层，进行退火处理，并把表面平整化；
(e).把经过(a)处理后的硅基片A和经过(d)处理后的硅基片B键合；
(f).把键合后的硅基片B的硅基底进行机械减薄，用化学腐蚀法去除残余的硅，使二氧化硅层暴露；
(g).通过光刻和刻蚀二氧化硅形成不同深度的槽，用于沉积金属电极；
(h).在(g)中槽中沉积金属形成电极；
(i).在属于硅基片B的二氧化硅层上刻蚀出一个槽；
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