CN104931036B - 一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，包括铌酸锂波导芯片、光源及信号探测器，其中铌酸锂波导芯片包括相互连通的第一Y分支波导、第二Y分支波导、三个90°圆弧波导、锥形波导和直波导，锥形波导的宽端作为光学芯片的光输入端口，光源正对光输入端口，直波导的一端作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器的光敏面正对信号输出端口；该光学芯片的制备工艺主要采用光刻的方法，结合干法刻蚀技术、钛扩散及退火质子交换技术获得；该集成芯片替代了传统光纤陀螺中分立的光学器件，将光源、探测器、耦合器及调制器集成在一个铌酸锂基片上，提高光纤陀螺光学系统的集成度，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及电光材料的集成光学芯片，尤其涉及一种小型化光纤陀螺用铌酸锂基混合集成光学芯片。
背景技术
随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的体积、重量要求越来越高，集成化、小型化的光纤陀螺设计成为必然。传统光纤陀螺光学系统由各个分立光学器件组成，通过光纤耦合和熔接连接而成，这种形式的光纤陀螺工艺步骤繁琐，结构复杂不易安装的问题，耦合点和熔接点的稳定性可靠性较差，不能满足惯性系统小型集成化技术日益发展的需求。
为了提高光纤陀螺的性能指标，缩小光纤陀螺的体积，光学系统集成化----即将干涉型光纤陀螺中的光源、信号探测器、耦合器、偏振器和电光调制器集成在一起是干涉型光纤陀螺的一个发展趋势。该光学系统集成化的具体目标是将除光纤环以外的其它光学器件集成在一个基片上。目前这方面的报道还较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高、满足互易性且制备工艺简单、易于封装的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，包括铌酸锂波导芯片、光源以及信号探测器；所述的铌酸锂波导芯片呈台阶状，自下而上依次具有第一台阶平面、垂直台阶、第二台阶平面、倾斜台阶和第三台阶平面，所述的第一台阶平面呈L型，光源和信号探测器设在第一台阶平面上；
在第二台阶平面上有第一Y分支波导、三个90°圆弧波导、锥形波导和直波导，第一Y分支波导的基波导连接第一90°圆弧波导的一端，第一90°圆弧波导的另一端与第二90°圆弧波导的一端连接，第一Y分支波导的一个分支与锥形波导窄端相连，锥形波导的宽端位于垂直台阶上作为光学芯片的光输入端口，光源正对光输入端口，第一Y分支波导另一分支连接第三90°圆弧波导的一端，第三90°圆弧波导的另一端连接直波导的一端，直波导的另一端作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器的光敏面正对信号输出端口；
在第三台阶平面上设有第二Y分支波导，第二Y分支波导的基波导连接第二90°圆弧波导的另一端，第二Y分支波导的两个分支分别为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，第二Y分支波导的每个分支的两侧均设有调制电极。
上述技术方案中，所述的第一Y分支波导、三个90°圆弧波导、锥形波导和直波导通常均为脊形钛扩散型波导；第二Y分支波导为平面质子交换型波导。
所述的第一Y分支波导、三个90°圆弧波导、第二Y分支波导、直波导和锥形波导的窄端的线宽均相同，为4~6.5μm。
所述的第一90°圆弧波导与第二90°圆弧波导的曲率半径相同，半径为3~5mm；第三90°圆弧波导曲率半径为3~8mm；锥形波导的长度为2~3mm，斜度为1/3000~1/2000。
所述的铌酸锂波导芯片为平行四边形，长度为51~60mm，宽度为11~15mm。
所述的垂直台阶的高度为0.5~1mm，倾斜台阶的高度为2.4~3μm，倾角α为85°~90°。
所述的第二台阶平面和第三台阶平面均为平行四边形。
所述的光源所在的第一台阶平面处的宽度l 1为3~5mm，信号探测器所在的第一台阶平面处的宽度l 2为2~4mm。
上述的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片的制备方法，包括如下步骤：
1）按照第二台阶平面的尺寸设计要求制作第一掩膜板，对铌酸锂基板光刻后对第二台阶平面区域进行钛扩散；
2）按照第二台阶平面上波导的图形设计要求制作第二掩膜板，对经步骤1）处理的基板光刻及干法刻蚀后，获得第二台阶平面、倾斜台阶及第一Y分支波导、三个90°圆弧波导、锥形波导和直波导；
3）按照第三台阶平面上波导的图形设计要求制作第三掩膜板，对经步骤2）处理的芯片光刻及退火质子交换后，在第三台阶平面上获得第二Y分支波导；采用光刻工艺在第二Y分支波导的每个分支的两侧制作调制电极；
4）按照第一台阶平面的尺寸设计要求在经步骤3）处理后的芯片上切割出L型的第一台阶面和垂直台阶；
5）对光输入端口、信号输出端口、第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口所在的边缘分别抛光打磨；
6）将光源粘合到第一台阶平面上，使其正对光输入端口；
7）将信号探测器粘合到第一台阶平面上，使信号探测器的光敏面正对信号输出端口。
本发明的有益之处在于：
本发明针对小型化、高度集成光纤陀螺设计的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，将光学陀螺光学系统中除光纤环以外的其它光学器件包括光源、信号探测器、耦合器以及Y波导调制器集成在铌酸锂材料的基片上，其中耦合器和Y波导调制器为铌酸锂材料的双Y型波导，第一Y分支波导与第二Y分支波导并列且通过两个90°圆弧波导错开一定的距离，两个Y分支波导的基波导连通，满足互易性要求并且避免了第一Y分支波导衬底辐射光对第二Y分支波导的影响；此外，通过对铌酸锂基片进行台阶状设计，可以将光源和探测器粘合集成在铌酸锂基片上。该集成芯片为光纤陀螺提供一个高度集成化器件，满足光纤陀螺小型化、集成化、高可靠性和互易性的要求。相比较一般的光纤陀螺的光学器件都是单个独立的而言，本发明的光学芯片集成度高，制备工艺简单易行，便于封装。
附图说明
图1是铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片的整体结构示意图。
图2是铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片中铌酸锂波导芯片的结构示意图。
图3是图2的A-A阶梯剖面图。
图4是图2的B-B剖面图。
图中：1、铌酸锂波导芯片，2、光源，3、锥形波导，4、第一Y分支波导，5、第一90°圆弧波导，6、调制电极，7尾纤支座，8、第二Y分支波导，9、第二90°圆弧波导，10、第三90°圆弧波导，11、直波导，12、信号探测器，13、倾斜台阶，14、第一台阶平面，15、垂直台阶，16、光输入端口，17、第二台阶平面，18、信号输出端口，19、尾纤耦合边缘，20、第三台阶平面，21、第一尾纤耦合端口，22、第二尾纤耦合端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参照图1-4，本发明的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，包括铌酸锂波导芯片1、光源2以及信号探测器12；其中铌酸锂波导芯片1呈台阶状，自下而上依次具有第一台阶平面14、垂直台阶15、第二台阶平面17、倾斜台阶13和第三台阶平面20，所述的第一台阶平面14呈L型，光源2和信号探测器12设在第一台阶平面上；在第二台阶平面上17上有第一Y分支波导4、三个90°圆弧波导5、9、10，锥形波导3和直波导11，第一Y分支波导4的基波导连接第一90°圆弧波导5的一端，第一90°圆弧波导5的另一端与第二90°圆弧波导9的一端连接，第一Y分支波导4的一个分支与锥形波导3窄端相连，锥形波导3的宽端位于垂直台阶15上作为光学芯片的光输入端口16，所述的光源2正对光输入端口16，第一Y分支波导4另一分支连接第三90°圆弧波导10的一端，第三90°圆弧波导10的另一端连接直波导11的一端，直波导11的另一端作为光学芯片的信号输出端口18，信号探测器12的光敏面正对信号输出端口18；在第三台阶平面20上设有第二Y分支波导8，第二Y分支波导8的基波导连接第二90°圆弧波导的另一端，第二Y分支波导8的两个分支分别为第一尾纤耦合端口21和第二尾纤耦合端口22，第二Y分支波导8的每个分支的两侧均设有调制电极6。
如图3、4所示，所述的第一Y分支波导4、三个90°圆弧波导5、9、10，锥形波导3和直波导11均为脊形钛扩散型波导，脊形波导介质间折射率差比较大，弯曲损耗低，弯曲可以做到很小，能减小芯片尺寸；第二Y分支波导8为平面质子交换型波导。
所述的第一Y分支波导4、三个90°圆弧波导5、9、10，第二Y分支波导8、直波导11和锥形波导3的窄端的线宽均相同，为4~6.5μm。
所述的第一90°圆弧波导5与第二90°圆弧波导9的曲率半径相同，半径为3~5mm；第三90°圆弧波导10曲率半径为3~8mm；锥形波导3的长度为2~3mm，斜度为1/3000~1/2000。
所述的铌酸锂波导芯片1为平行四边形，长度为51~60mm，宽度为11~15mm。
如图4所示，所述的垂直台阶15的高度为0.5~1mm，倾斜台阶13的高度为2.4~3μm，倾角α为85°~90°，有倾角是因为倾斜为干法刻蚀得到的，刻蚀的边界很难达到垂直。
所述的第二台阶平面17为平行四边形，为了让光源斜入射，这样背向散射低，feilierr损耗低；第三台阶平面20也为平行四边形，适用于光在不同介质传播。
所述的光源2所在的第一台阶平面14处的宽度l 1为3~5mm，信号探测器12所在的第一台阶平面14处的宽度l 2为2~4mm。
上述的光学芯片的制作步骤如下：
1）按照第二台阶平面的尺寸设计要求制作第一掩膜板，对铌酸锂基板光刻后对第二台阶平面区域进行钛扩散；
2）按照第二台阶平面上波导的图形设计要求制作第二掩膜板，对经步骤1）处理的基板光刻及干法刻蚀后，获得第二台阶平面17、倾斜台阶13及第一Y分支波导4、三个90°圆弧波导5、9、10、锥形波导3和直波导11；
3）按照第三台阶平面上波导的图形设计要求制作第三掩膜板，对经步骤2处理的芯片光刻及退火质子交换后，在第三台阶平面20上获得第二Y分支波导8；采用光刻工艺在第二Y分支波导8的每个分支的两侧制作调制电极6；
4）按照第一台阶平面的尺寸设计要求在经步骤3处理后的芯片上切割出L型的第一台阶面14和垂直台阶15；
5）对光输入端口16、信号输出端口18、第一尾纤耦合端口21和第二尾纤耦合端口22所在的边缘分别抛光打磨；对芯片边缘进行消光打磨，波导中的辐射模将进入芯片衬底被吸收或者散射，从而保证辐射模传播远离第二Y分支波导，消除辐射模对光学芯片两个尾纤耦合端口的影响；
6）将光源2粘合到第一台阶平面14上，使其正对光输入端口16；
7）将信号探测器12粘合到第一台阶平面14上，使信号探测器12的光敏面正对信号输出端口18。
本发明的光学芯片使用时，将尾纤支座7粘结在本发明光学芯片的尾纤耦合边缘19，与光学芯片的第一尾纤耦合端口21和第二尾纤耦合端口22相连。
本发明的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片应用在光纤陀螺中时，光源发出的光由光输入端口16进入锥形波导3，锥形波导3改变模斑的大小使其与Y分支波导模斑匹配，进入第一Y分支波导4，经过两个90°圆弧波导进入第二Y分支波导8，光波从第一尾纤耦合端口21和第二尾纤耦合端口22进入光纤环并且以相反的方向传播，返回光波则由信号探测端口18到达探测器。
Claims (7)
1.一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：包括铌酸锂波导芯片（1）、光源（2）以及信号探测器（12）；所述的铌酸锂波导芯片（1）呈台阶状，自下而上依次具有第一台阶平面（14）、垂直台阶（15）、第二台阶平面（17）、倾斜台阶（13）和第三台阶平面（20），所述的第一台阶平面（14）呈L型，光源（2）和信号探测器（12）设在第一台阶平面上；
在第二台阶平面上设有第一Y分支波导（4）、三个90°圆弧波导（5、9、10）、锥形波导（3）和直波导（11），第一Y分支波导（4）的基波导连接第一90°圆弧波导（5）的一端，第一90°圆弧波导（5）的另一端与第二90°圆弧波导（9）的一端连接，第一Y分支波导（4）的一个分支与锥形波导（3）窄端相连，锥形波导（3）的宽端位于垂直台阶（15）上作为光学芯片的光输入端口（16），光源（2）正对光输入端口（16），第一Y分支波导（4）另一分支连接第三90°圆弧波导（10）的一端，第三90°圆弧波导（10）的另一端连接直波导（11）的一端，直波导（11）的另一端作为光学芯片的信号输出端口（18），信号探测器（12）的光敏面正对信号输出端口（18）；
在第三台阶平面（20）上设有第二Y分支波导（8），第二Y分支波导（8）的基波导连接第二90°圆弧波导的另一端，第二Y分支波导（8）的两个分支分别为第一尾纤耦合端口（21）和第二尾纤耦合端口（22），第二Y分支波导（8）的每个分支的两侧均设有调制电极（6）；
所述的第一Y分支波导（4）、三个90°圆弧波导（5、9、10）、锥形波导（3）和直波导（11）均为脊形钛扩散型波导；第二Y分支波导（8）为平面质子交换型波导；所述的第一Y分支波导（4）、三个90°圆弧波导（5、9、10）、第二Y分支波导（8）、直波导（11）和锥形波导（3）的窄端的线宽均相同，为4~6.5μm。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：所述的第一90°圆弧波导（5）与第二90°圆弧波导（9）的曲率半径相同，半径为3~5mm；第三90°圆弧波导（10）曲率半径为3~8mm；锥形波导（3）的长度为2~3mm，斜度为1/3000~1/2000。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：所述的铌酸锂波导芯片（1）为平行四边形，长度为51~60mm，宽度为11~15mm。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：所述的垂直台阶（15）的高度为0.5~1mm，倾斜台阶（13）的高度为2.4~3μm，倾角α为85°~90°。
5.根据权利要求1所述的一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：所述的第二台阶平面（17）和第三台阶平面（20）均为平行四边形。
6.根据权利要求1所述的一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片，其特征在于：所述的光源（2）所在的第一台阶平面（14）处的宽度l1为3~5mm，信号探测器（12）所在的第一台阶平面（14）处的宽度l2为2~4mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按照第二台阶平面的尺寸设计要求制作第一掩膜板，对铌酸锂基板光刻后对第二台阶平面区域进行钛扩散；
2）按照第二台阶平面上波导的图形设计要求制作第二掩膜板，对经步骤1）处理的基板光刻及干法刻蚀后，获得第二台阶平面（17）、倾斜台阶（13）及第一Y分支波导（4）、三个90°圆弧波导（5、9、10）、锥形波导（3）和直波导（11）；
3）按照第三台阶平面上波导的图形设计要求制作第三掩膜板，对经步骤2）处理的芯片光刻及退火质子交换后，在第三台阶平面（20）上获得第二Y分支波导（8）；采用光刻工艺在第二Y分支波导（8）的每个分支的两侧制作调制电极（6）；
4）按照第一台阶平面的尺寸设计要求在经步骤3）处理后的芯片上切割出L型的第一台阶面和垂直台阶（15）；
5）对光输入端口（16）、信号输出端口（18）、第一尾纤耦合端口（21）和第二尾纤耦合端口（22）所在的边缘分别抛光打磨；
6）将光源（2）粘合到第一台阶平面（14）上，使其正对光输入端口（16）；
7）将信号探测器（12）粘合到第一台阶平面（14）上，使信号探测器（12）的光敏面正对信号输出端口（18）。
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