CN104035158A - 一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法。该光波导芯片包括：衬底；二氧化硅下包层；二氧化硅芯区光波导，其包括输入直波导部分、两个圆弧型弯曲波导部分、阿基米德螺线型弯曲波导部分和输出直波导部分；二氧化硅上包层，其中，输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉，以减小X交叉点损耗；两个圆弧型弯曲波导反向相接，平滑地将输入直波导末端与阿基米德螺线型弯曲波导起始端连接起来，并在波导连接处的端面引入最佳的错位偏移量，使得弯曲损耗较小。本发明能够提高陀螺仪的灵敏度，降低陀螺仪的噪声。

Description

一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法。

背景技术

微光学陀螺是继机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺之后发展的新一代陀螺仪。它以光波导取代光纤作为Sagnac效应敏感元件，与光源、探测器、处理电路等集成在同一片硅片上，从而实现体积更小、可靠性更高的新一代陀螺仪。光波导的损耗越小，陀螺仪的灵敏度就越高。目前平面工艺光波导的损耗相比光纤大得多，如何降低光波导的损耗是实现高灵敏度微光学陀螺的关键问题。干涉型微光学陀螺是以螺线型光波导代替干涉型光纤陀螺的多匝光纤来实现的。与多匝光纤不同的是，螺线型光波导是平面工艺器件，因此螺线最内圈穿出螺线环时不可避免地与螺线环有多个X形交叉点。一方面，交叉角过小会导致穿过螺线环的光有一部分耦合进螺线环，产生一定的光损耗，并且对最终的干涉条纹产生一定干扰。另一方面，由于小型化的要求，螺线型光波导的半径需要尽量小，半径越小则光波导的弯曲损耗越大，尤其是最内圈穿出螺线环的路径，由于曲率半径较小且存在曲率突变的连接点，这段路径的弯曲损耗比较严重。如何设计螺线型光波导最内圈穿出螺线环的路径，使其既能避免穿过螺线环的光部分耦合进螺线环，减小交叉点损耗，又具有尽可能小的弯曲损耗，是干涉型微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片设计当中一个值得关注的问题。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片，该光波导芯片包括：衬底；二氧化硅下包层，形成于衬底的上方；二氧化硅芯区光波导，形成于二氧化硅下包层的上方；二氧化硅上包层，形成于所述二氧化硅芯区光波导的上方。

其中，所述衬底由绝缘或半绝缘材料制成，所述二氧化硅芯区光波导由掺Ge的二氧化硅制成，所述二氧化硅上包层由掺B、Ge或B、P的二氧化硅制成。

其中，所述二氧化硅下包层的厚度大于12μm。

其中，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1：在衬底上形成二氧化硅下包层；步骤2：在所述二氧化硅下包层上形成掺Ge的二氧化硅芯层；步骤3：进行光刻处理；步骤4：对于所述二氧化硅芯层进行图形化处理，得到芯区光波导结构；步骤5：在二氧化硅芯区光波导上形成掺B、Ge或B、P的二氧化硅上包层；步骤6：进行高温退火处理；步骤7：切片，并进行端面研磨和抛光，得到所述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片。

其中，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环时与螺线环垂直交叉，交叉点损耗最小，有利于提高陀螺仪的灵敏度；

(2)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环时与螺线环垂直交叉，避免了穿过螺线环的光耦合进螺线环导致对最终干涉条纹的干扰，有利于降低陀螺仪的噪声；

(3)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环的路径为螺线型光波导起始端连接两个圆弧型弯曲波导再连接直波导最后穿出，经过计算，该路径的弯曲损耗较小，有利于提高陀螺仪的灵敏度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的剖面结构示意图；

图2为图1所示光波导芯片的二氧化硅芯区光波导3的平面结构示意图；

图3为图2所示光波导芯片的二氧化硅芯区光波导3的路径方案与其他路径方案的比较示意图；

图4为根据本发明一实施例的一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法流程图。

【主要元件附图标记】

1-硅片衬底

2-二氧化硅下包层

3-二氧化硅芯区光波导

301-输入直波导

302-第一圆弧型弯曲波导

303-第二圆弧型弯曲波导

304-阿基米德螺线型弯曲波导

305-输出直波导

4-二氧化硅上包层

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

根据本发明的一方面，在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片，请参照图1，该光波导芯片包括：

衬底1；

其中，所述衬底的制备材料可以选择蓝宝石、硅片或玻璃等绝缘或半绝缘材料。

二氧化硅下包层2，形成于衬底1的上方；

二氧化硅芯区光波导3，形成于二氧化硅下包层2的上方；

二氧化硅上包层4，形成于所述二氧化硅芯区光波导3的上方。

以下结合附图对本实施例所述的光波导芯片中的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1，所述二氧化硅下包层2在1.55μm波长处的折射率为1.445，厚度为13μm，这是因为下包层厚度需要大于12μm左右才能充分防止芯区光波导中的光向硅片衬底泄漏。

所述二氧化硅芯区光波导3的材料是掺Ge的二氧化硅，在1.55μm波长处的折射率为1.456，与二氧化硅下包层2的折射率相差0.75％。二氧化硅芯区光波导3的横截面为5μm×5μm到6μm×6μm的矩形，这个尺寸可以保证1.55μm的光波在波导中单模传输，并且与光纤芯区截面尺寸相当，以至于在输入输出端口与光纤连接处不产生较大的耦合损耗。

所述二氧化硅上包层4的材料是掺B、Ge或B、P的二氧化硅，厚度为18μm，在1.55μm波长处的折射率为1.445，与二氧化硅下包层2的折射率相同。

请参照图2，所述二氧化硅芯区光波导3包括依次连接的输入直波导301、第一圆弧型弯曲波导302、第二圆弧型弯曲波导303、阿基米德螺线型弯曲波导304和输出直波导305。

其中，所述阿基米德螺线型弯曲波导304的螺线环极坐标方程为：

ρ＝ρ₀+kθ，

式中，ρ₀为螺线环起始半径，k为单位角度的半径增量。

本实施例中，所述阿基米德螺线型弯曲波导304的起始半径为8mm，起始半径在5mm到10mm之间可以满足微光学陀螺小型化的要求；螺线环宽度为6μm，螺线环间距(环间距＝360°×k-环宽度)为30μm，环间距在20μm到50μm之间可以避免两环之间的倏逝波串扰；螺线环数为5环，但本发明并不以此为限，环数在1环以上均可，环数越多微光学陀螺的灵敏度越大，但同时需要增大陀螺仪光源功率，因为波导长度变长总损耗增大。

所述输入直波导301与阿基米德螺线型弯曲波导304的螺线环垂直交叉，以减小X交叉点损耗，这是本发明的主要设计点之一。由于此时输入直波导301中的模场与螺线环中的模场完全不重叠，因此避免了输入直波导301中的光在交叉处耦合进入螺线环导致对最终干涉条纹的干扰。通过计算表明垂直交叉的交叉点损耗最小。

同时为了保证输入直波导301能与阿基米德螺线型弯曲波导304通过一段弯曲波导平滑连接，并且尽可能地减小光在其中传播的弯曲损耗，在本实施例提供的光波导芯片中对这段弯曲波导进行了如下设计：这段弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导302和第二圆弧型弯曲波导303反向相接组成，半径均为6mm，为螺线环起始半径的0.75倍；第一圆弧型弯曲波导302的圆心角为53.13°，第二圆弧型弯曲波导303的圆心角为180°，这是本发明的另一主要设计点，即两个圆弧型弯曲波导反向相接，平滑地将输入直波导末端与阿基米德螺线型弯曲波导起始端连接起来，并在波导连接处的端面引入最佳的错位偏移量，这样弯曲损耗较小。

下面参照图3解释一下上述弯曲波导的设计原理。如图3所示，o为输出直波导，a到g为不同的弯曲波导路径方案。所有方案中，弯曲波导的一端均与螺线环起始端相切连接，另一端均与输入直波导相切连接，其中a与g方案对应的输入直波导恰巧重合。所有方案有一个统一的设计原则，就是都保证弯曲波导中与输入直波导相接的一端的切线方向与螺线环垂直，这样才能保证所连接的输入直波导穿出螺线环时与螺线环垂直交叉。图3中的虚线为弯曲波导与直波导连接处对应的弯曲波导曲率半径。在上述设计原则的基础上，从a到g弯曲波导的曲率半径逐渐增大，分别为3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm和6mm。当曲率半径小于或等于螺线环起始半径的一半，即小于或等于4mm时，弯曲波导采用单圆弧设计即可满足上述设计原则，如a、b和c，其圆弧圆心角计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-\arccos \frac{r}{R-r}.$

上式中，R为螺线环起始半径，r为圆弧半径。

满足上式的圆弧的端点处切线方向通过螺线环圆心，也即与螺线环垂直。当曲率半径大于螺线环起始半径的一半，即大于4mm时，弯曲波导需要采用双圆弧反向相接的设计，才能满足上述设计原则，如d、e、f和g。两个圆弧的半径相同，其中与螺线环起始端相接的圆弧圆心角为180°，另一圆弧的圆心角计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{r}{3r-R}.$

上式中，R为螺线环起始半径，r为圆弧半径。

同样的，满足上式的圆弧的端点处切线方向通过螺线环圆心，也即与螺线环垂直。当曲率半径等于螺线环起始半径的0.75倍，即等于6mm时，也就是g方案，圆弧末端即将要与螺线环交叉，曲率半径不能再继续增大，否则圆弧将与螺线环产生非垂直交叉，将不满足设计原则。

以下用光束传输法(BPM)对上述7种弯曲波导路径方案的弯曲损耗进行计算，包括纯弯曲损耗和过渡损耗，计算结果如表1所示。纯弯曲损耗是光在同一曲率的弯曲波导上传播单位长度的辐射损耗。过渡损耗是光通过两个不同曲率的波导连接处时由于模场失配导致的耦合损耗。过渡损耗可以通过在波导连接处引入错位偏移的方法来优化，错位偏移量取决于两侧波导的曲率，曲率突变越大，则模场失配越严重，需要更大的错位偏移量来补偿，最佳的错位偏移量可用BPM进行仿真优化来确定。表1中过渡损耗的数据都是优化后的结果。

表1：7种弯曲波导路径方案的弯曲损耗

从最后的总弯曲损耗可以看出，采用单圆弧设计的a、b和c随着曲率半径的增大，总弯曲损耗变小；采用双圆弧反向相接设计的d、e、f和g随着曲率半径的增大，总弯曲损耗也变小。再比较c和g，一方面，由于g方案的曲率半径比c方案大，所以纯弯曲损耗比c方案小一个量级，与螺线环相接处和与输入直波导相接处的过渡损耗也都比c方案小一些；但是另一方面，g方案比c方案多了一处圆弧反向相接处的过渡损耗，由于两个圆弧的弯曲方向相反曲率突变较大，模场失配比较严重，所以此处的过渡损耗较大。这两方面因素相互竞争的结果，决定了c方案和g方案孰优孰劣。从表中可以看出，在螺线环起始半径为8mm的情况下，g方案略优于c方案。进一步的计算表明，螺线环起始半径进一步减小时，g方案的优势将更加明显。

因此，在本实施例提供的一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片中，连接输入直波导301和阿基米德螺线型弯曲波导304的弯曲波导采用了g方案的设计，也就是图2中的第一圆弧型弯曲波导302、第二圆弧型弯曲波导303。图2中的三处局部放大图表示优化后的波导连接处的错位偏移量。输入直波导301与第一圆弧型弯曲波导302相接处的偏移量为0.3μm，第一圆弧型弯曲波导302与第二圆弧型弯曲波导303相接处的偏移量为0.5μm，第二圆弧型弯曲波导303与阿基米德螺线型弯曲波导304相接处的偏移量为0.05μm。

至此，本实施例一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片介绍完毕。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法。图4为根据本发明一实施例的一种上述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法流程图。请参照图1和图4，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成二氧化硅下包层；

其中，所述衬底的制备材料可以选择蓝宝石、硅片或玻璃等绝缘或半绝缘材料。

其中，利用热氧化等半导体工艺形成所述二氧化硅下包层。

步骤2：在所述二氧化硅下包层上形成掺Ge的二氧化硅芯层；

其中，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等半导体工艺形成所述掺Ge的二氧化硅芯层。

步骤3：进行光刻处理；

步骤4：对于所述二氧化硅芯层进行图形化处理，得到芯区光波导结构；

其中，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)等半导体工艺对于所述二氧化硅芯层进行图形化处理。

其中，所述二氧化硅芯区光波导3包括依次连接的输入直波导301、第一圆弧型弯曲波导302、第二圆弧型弯曲波导303、阿基米德螺线型弯曲波导304和输出直波导305。

其中，所述输入直波导301与阿基米德螺线型弯曲波导304的螺线环垂直交叉。

其中，所述输入直波导301与阿基米德螺线型弯曲波导304通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导302和第二圆弧型弯曲波导303反向相接组成，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

步骤5：在二氧化硅芯区光波导上形成掺B、Ge或B、P的二氧化硅上包层；

其中，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等半导体工艺形成所述掺B、Ge或B、P的二氧化硅上包层。

步骤6：进行高温退火处理；

步骤7：切片，并进行端面研磨和抛光，得到所述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片，其特征在于，该光波导芯片包括：

衬底；

二氧化硅下包层，形成于衬底的上方；

二氧化硅芯区光波导，形成于二氧化硅下包层的上方；

二氧化硅上包层，形成于所述二氧化硅芯区光波导的上方。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述衬底由绝缘或半绝缘材料制成，所述二氧化硅芯区光波导由掺Ge的二氧化硅制成，所述二氧化硅上包层由掺B、Ge或B、P的二氧化硅制成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二氧化硅下包层的厚度大于12μm。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

7.一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法，其特征在于，述制备方法包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成二氧化硅下包层；

步骤2：在所述二氧化硅下包层上形成掺Ge的二氧化硅芯层；

步骤3：进行光刻处理；

步骤4：对于所述二氧化硅芯层进行图形化处理，得到芯区光波导结构；

步骤5：在二氧化硅芯区光波导上形成掺B、Ge或B、P的二氧化硅上包层；

步骤6：进行高温退火处理；

步骤7：切片，并进行端面研磨和抛光，得到所述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。