CN105180917A - 一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法 - Google Patents

一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基混合集成光纤陀螺光学芯片及其制备方法，该光学芯片包括芯片硅基底及位于其上的光源、定向耦合器、Y波导调制器、信号探测器以及功率探测器；光源发出的光进入定向耦合器，由定向耦合器实现3dB分光，一半的光直接通过功率探测端口被功率探测器接收，另一半的光通过耦合端口进入Y波导调制器，光波从尾纤耦合端口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到达信号探测器。本发明的光学芯片集成度高、体积小、稳定性及效率高、功耗低，具有较好的可靠性和环境适应性。

Description

一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体硅材料以及电光材料集成的光学芯片，尤其涉及一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法。
背景技术
随着惯性导航技术的发展，应用领域对惯性导航系统的体积、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，耦合点和熔接点的稳定性可靠性较差，并且驱动电路系统复杂，不能满足惯性系统小型集成化技术日益发展的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高、能实现光电集成且易于封装的硅基混合集成单轴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：
本发明的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，包括芯片硅基底及位于其上的光源、定向耦合器、Y波导调制器、信号探测器以及功率探测器；
Y波导调制器为铌酸锂基质子交换型波导，波导线宽为4～6.5μm，通过苯并环丁烯(benzocyclobutence，BCB)胶层粘合在芯片硅基底上；
定向耦合器包括硅衬底及位于硅衬底上的SiO2包层，在SiO2包层内掩埋有SiO2：Ge芯层，SiO2：Ge芯层包括两个90°圆弧波导、两个半圆弧波导、耦合区波导和两个直波导；
耦合区波导由波导Ⅰ和波导Ⅱ耦合而成，波导Ⅰ的一个端口a连接第一半圆弧波导的一端，第一半圆弧波导的另一端连接第一90°圆弧波导的一端，第一90°圆弧波导的另一端作为光学芯片的光输入端口，所述的光源正对光输入端口，波导Ⅰ的另一个端口c连接第二直波导的一端，第二直波导的另一端作为功率探测端口，功率探测器的光敏面正对功率探测端口；波导Ⅱ的一个端口b连接第一直波导的一端，第一直波导的另一端作为光学芯片的信号探测端口，信号探测器的光敏面正对信号探测端口，波导Ⅱ的另一个端口d连接第二半圆弧波导的一端，第二半圆弧波导的另一端连接第二90°圆弧波导的一端，第二90°圆弧波导的另一端作为耦合端口，连接Y波导调制器的基波导，实现定向耦合器与Y波导调制器的耦合；Y波导调制器的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，每个分支的两侧均设有金属调制电极。
上述技术方案中，所述的定向耦合器通常设计为平行四边形，内角α为75±0.3°，长度为20.5～32.5mm，宽度为16～20mm，其中硅衬底的厚度h2为0.52～1mm，SiO2包层的厚度h1为20～30μm；SiO2：Ge芯层的横截面为矩形，其长为4～8μm，宽为4～6.5μm；其中两个90°圆弧波导和两个半圆弧波导的曲率半径相同，为3～5mm；耦合区波导的耦合长度h为5～10mm，耦合间距s为3.5～5μm，端口a与端口b间距w为1.5～2.5mm。
所述的Y波导调制器下方的BCB胶层的厚度h4通常为10～20μm，Y波导调制器的波导厚度h3为0.5～1mm，Y波导调制器通常为平行四边形，内角β为80±0.5°，长为2cm，宽为3.5～3.7μm。
所述的芯片硅基底通常设计为平行四边形，长度为41～53mm,宽度为24～28mm，厚度h6为0.52～0.67mm。
上述光学芯片的制备方法如下：
1)按照芯片的图形设计，切割出光学芯片的芯片硅基底和定向耦合器中的硅衬底；
2)采用PECVD在硅衬底上沉积第一层SiO2薄膜，作为缓冲层；在该层SiO2薄膜上生长掺锗SiO2薄膜，其厚度为耦合器波导芯层的厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2:Ge薄膜上形成SiO2:Ge芯层波导图形；再在上面覆盖一层SiO2薄膜，将SiO2:Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到定向耦合器；
3)按照Y波导调制器的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂基底上制作出Y分支波导；再采用光刻工艺在Y分支波导的每个分支两侧制作调制电极；
4)对定向耦合器的四个边缘以及Y波导调制器的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对Y波导调制器的另外两个边缘进行消光打磨；
5)采用Tresky贴片机将定向耦合器的硅衬底底面直接粘合在芯片硅基底上，将Y波导调制器通过BCB胶层粘合在芯片硅基底上，使定向耦合器的耦合端口与Y波导调制器的基波导精确耦合；
6)将光源粘合到芯片硅基底上，使其正对光输入端口；将信号探测器粘合到硅基底上，使信号探测器的光敏面正对信号探测端口；将功率探测器粘合到硅基底上，使功率探测器的光敏面正对信号探测端口，制得硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片。
本发明的有益之处在于：
本发明针对小型化、光电高度集成光纤陀螺涉及的硅基混合集成光纤陀螺芯片，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波导调制器集成在半导体硅材料的基片上，其中耦合器为硅基SiO2波导，衬底材料为硅，波导包层为SiO2，波导芯层为掺锗的SiO2(SiO2：Ge)，这种波导与光纤结构非常相似，具有传输损耗低，易与铌酸锂基Y分支波导实现片上集成且插入损耗低的优点；
本发明采用硅材料作为芯片的基底，可以利用成熟的微电子工艺将光源、探测器以及调制器的驱动电路集成在该硅基片上，这种方式将光学系统与电学系统进行集成，不仅使得光学系统体积减小、稳定性及效率得到提高、功耗降低，还极大地改善了电路系统的互连效率，提高了光纤陀螺光学系统的集成度，使光纤陀螺整体结构更加紧凑，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。
本发明的光学芯片满足光纤陀螺小型化、集成化、高可靠性和互易性的要求。相较于传统光纤陀螺中光学器件相互独立且与驱动电路系统分离而言，本发明的光学芯片集成度高，制备工艺成熟，便于封装。
附图说明
图1是硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片整体结构示意图；
图2是本发明的光学芯片及其上的定向耦合器及Y波导调制器的结构示意图；
图3是定向耦合器的结构示意图；
图4是硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片的A-A剖面图；
图5是硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片的B-B剖面图。
图中：1、光源，2、定向耦合器，3、芯片硅基底，4、硅衬底，5、信号探测器，6、BCB胶层，7、Y波导调制器，8、带尾纤支座，9、金属调制电极，10、耦合端口，11、功率探测器，12、SiO2包层，13、光输入端口，14、第一90°圆弧波导，15、第一半圆弧波导，16、耦合区波导，17、信号探测端口，18、第一直波导，19、第二90°圆弧波导，20、第二半圆弧波导，21、功率探测端口，22、第二直波导，23、第一尾纤耦合端口，24、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说明。
参照图1-5，本发明的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，包括芯片硅基底3及位于其上的光源1、定向耦合器2、Y波导调制器7、信号探测器5以及功率探测器11，如图1所示；
Y波导调制器7为铌酸锂基质子交换型波导，波导线宽为4～6.5μm，通过苯并环丁烯(benzocyclobutence，BCB)胶层6粘合在芯片硅基底3上；BCB胶在较低温度固化后具有非常好的化学稳定性、热稳定性和很高的平整度，可以通过调节旋涂BCB胶层的厚度来调整铌酸锂基Y分支波导7与定向耦合器2耦合的高度，使两者精确耦合。
如图3所示，定向耦合器波导2包括硅衬底4及位于硅衬底上的SiO2包层12，在SiO2包层12内掩埋有SiO2：Ge芯层，这种波导与光纤结构非常相似，具有传输损耗低，易与铌酸锂基Y分支波导实现片上集成且插入损耗低的优点。SiO2：Ge芯层包括两个90°圆弧波导14、19，两个半圆弧波导15、20，耦合区波导16和两个直波导18、22；
耦合区波导16由波导Ⅰ和波导Ⅱ耦合而成，波导Ⅰ的一个端口a连接第一半圆弧波导15的一端，第一半圆弧波导15的另一端连接第一90°圆弧波导14的一端，第一90°圆弧波导14的另一端作为光学芯片的光输入端口13，所述的光源1正对光输入端口13，波导Ⅰ的另一个端口c连接第二直波导22的一端，第二直波导22的另一端作为功率探测端口21，功率探测器11的光敏面正对功率探测端口21；波导Ⅱ的一个端口b连接第一直波导18的一端，第一直波导18的另一端作为光学芯片的信号探测端口17，信号探测器5的光敏面正对信号探测端口17，波导Ⅱ的另一个端口d连接第二半圆弧波导20的一端，第二半圆弧波导20的另一端连接第二90°圆弧波导19的一端，第二90°圆弧波导19的另一端作为耦合端口10，连接Y波导调制器7的基波导，实现定向耦合器2与Y波导调制器7的耦合；Y波导调制器7的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口23和第二尾纤耦合端口24，每个分支的两侧均设有金属调制电极9。
为了让光源能够斜射入芯片，定向耦合器2通常设计为平行四边形，内角α为75±0.3°，这样背向散射低，feilierr损耗低，同时为了适用于光在不同介质传播的情况，其长度通常为20.5～32.5mm，对应宽度通常为16～20mm，硅衬底4的厚度h2通常为0.52～1mm，SiO2包层12的厚度h1通常为20～30μm；
SiO2：Ge芯层的横截面通常为矩形，其长为4～8μm，宽为4～6.5μm；其中两个90°圆弧波导14、19和两个半圆弧波导15、20的曲率半径相同，为3～5mm；
耦合区波导16的耦合长度h为5～10mm，耦合间距s为3.5～5μm，端口a与端口b间距w为1.5～2.5mm。所述的波导Ⅰ和波导Ⅱ的横截面可以不完全相同，这样可以使得耦合器的分光比对输入光的波长变化不敏感。
为了适用于光在不同介质传播，Y波导调制器7通常设计为平行四边形，内角β为80±0.5°，长为2cm，宽为3.5～3.7mm。如图5所示，BCB胶层6的厚度h4为10～20μm，Y波导调制器7的厚度h3为0.5～1mm。
所述的光学芯片硅基底3通常为平行四边形，长度为41～53mm,对应宽度为24～28mm，厚度h6为0.52～0.67mm。
本发明的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片的制作步骤如下：
1)按照芯片的图形设计，切割出光学芯片的芯片硅基底3和定向耦合器2中的硅衬底4；
2)采用PECVD(等离子增强化学气相沉积)在硅衬底4上沉积第一层SiO2薄膜，作为缓冲层，厚度约为10μm；在该层SiO2薄膜上生长掺锗SiO2(SiO2：Ge)薄膜，其厚度为耦合器波导芯层的厚度，通常为4～6.5μm；经光刻、刻蚀等工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2：Ge芯层波导图形；再在上面覆盖一层SiO2薄膜，厚度通常为10μm以上，作为上包层，保证SiO2：Ge芯层波导覆盖良好，不能有空气孔洞，且薄膜应力较小，可有效防止光从上包层泄露，再进行高温退火，得到定向耦合器2；
3)按照Y波导调制器7的图形设计，采用光刻、质子交换、退火工艺，在铌酸锂基底上制作出Y分支波导；采用光刻工艺在Y分支波导7的每个分支两侧制作调制电极9；
4)对定向耦合器2的四个边缘以及Y波导调制器7的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对Y波导调制器7的另外两个边缘进行消光打磨，Y波导调制器7中的辐射模将进入铌酸锂衬底被吸收或者散射，从而保证辐射模传播远离Y分支波导，消除辐射模对两个尾纤耦合端口的影响；
5)采用Tresky贴片机将定向耦合器2的硅衬底底面直接粘合在芯片硅基底3上，将Y波导调制器7通过BCB胶层6粘合在芯片硅基底3上，通过调节旋涂BCB胶层的厚度来调整Y波导调制器7相对于定向耦合器2的SiO2：Ge芯层波导的高度，使两者精确耦合；
6)将光源1粘合到芯片硅基底3上，使其正对光输入端口13；将信号探测器5粘合到硅基底3上，使信号探测器5的光敏面正对信号探测端口17；将功率探测器11粘合到硅基底3上，使功率探测器11的光敏面正对信号探测端口21，制得硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片。
本发明的集成光学芯片使用时，将带尾纤支座8粘结在Y波导调制器7的尾纤耦合边缘，分别与铌酸锂基Y分支波导的第一尾纤耦合端口23和第二尾纤耦合端口24相连。
本发明的硅基混合集成单轴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13进入硅基SiO2定向耦合器2，硅基SiO2定向耦合器2实现3dB分光，一半的光直接通过功率探测端口被功率探测器接收，另一半的光通过耦合端口10进入Y波导调制器7，光波从第一尾纤耦合端口23和第二尾纤耦合端口24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17到达信号探测器。

Claims (6)

1.一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，包括：芯片硅基底(3)及位于其上的光源(1)、定向耦合器(2)、Y波导调制器(7)、信号探测器(5)以及功率探测器(11)；
Y波导调制器(7)为铌酸锂基质子交换型波导，波导线宽为4～6.5μm，通过BCB胶层(6)粘合在芯片硅基底(3)上；
定向耦合器(2)包括硅衬底(4)及位于硅衬底上的SiO(2)包层(12)，在SiO(2)包层(12)内掩埋有SiO2:Ge芯层，SiO2:Ge芯层包括两个90°圆弧波导(14、19)、两个半圆弧波导(15、20)、耦合区波导(16)和两个直波导(18、22)；
耦合区波导(16)由波导Ⅰ和波导Ⅱ耦合而成，波导Ⅰ的一个端口a连接第一半圆弧波导(15)的一端，第一半圆弧波导(15)的另一端连接第一90°圆弧波导(14)的一端，第一90°圆弧波导(14)的另一端作为光学芯片的光输入端口(13)，所述的光源(1)正对光输入端口(13)，波导Ⅰ的另一个端口c连接第二直波导(22)的一端，第二直波导(22)的另一端作为功率探测端口(21)，功率探测器(11)的光敏面正对功率探测端口(21)；波导Ⅱ的一个端口b连接第一直波导(18)的一端，第一直波导(18)的另一端作为光学芯片的信号探测端口(17)，信号探测器(5)的光敏面正对信号探测端口(17)，波导Ⅱ的另一个端口d连接第二半圆弧波导(20)的一端，第二半圆弧波导(20)的另一端连接第二90°圆弧波导(19)的一端，第二90°圆弧波导(19)的另一端作为耦合端口(10)，连接Y波导调制器(7)的基波导，实现定向耦合器(2)与Y波导调制器(7)的耦合；Y波导调制器(7)的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口(23)和第二尾纤耦合端口(24)，每个分支的两侧均设有金属调制电极(9)。
2.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的定向耦合器(2)为平行四边形，内角α为75±0.3°，长度为20.5～32.5mm，宽度为16～20mm，其中硅衬底(4)的厚度h2为0.52～1mm，SiO2包层(12)的厚度h1为20～30μm；SiO2:Ge芯层的横截面为矩形，其长为4～8μm，宽为4～6.5μm；所述的Y波导调制器(7)下方的BCB胶层(6)的厚度h4为10～20μm，Y波导调制器(7)的波导厚度h3为0.5～1mm，Y波导调制器(7)为平行四边形，内角β为80±0.5°，长为2cm，宽为3.5～3.7mm。
3.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的芯片硅基底(3)为平行四边形，长度为41～53mm,宽度为24～28mm，厚度h6为0.52～0.67mm。
4.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的两个90°圆弧波导(14、19)和两个半圆弧波导(15、20)的曲率半径相同，为3～5mm。
5.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的耦合区波导(16)的耦合长度h为5～10mm,耦合间距s为3.5～5μm，端口a与端口b间距w为1.5～2.5mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)按照芯片的图形设计，切割出光学芯片的芯片硅基底(3)和定向耦合器(2)中的硅衬底(4)；
2)采用PECVD在硅衬底(4)上沉积第一层SiO2薄膜，作为缓冲层；在该层SiO2薄膜上生长掺锗SiO2薄膜，其厚度为耦合器波导芯层的厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2:Ge薄膜上形成SiO2:Ge芯层波导图形；再在上面覆盖一层SiO2薄膜，将SiO2:Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到定向耦合器(2)；
3)按照Y波导调制器(7)的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂基底上制作出Y分支波导；再采用光刻工艺在Y分支波导(7)的每个分支两侧制作调制电极(9)；
4)对定向耦合器(2)的四个边缘以及Y波导调制器(7)的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对Y波导调制器(7)的另外两个边缘进行消光打磨；
5)采用Tresky贴片机将定向耦合器(2)的硅衬底底面直接粘合在芯片硅基底(3)上，将Y波导调制器(7)通过BCB胶层(6)粘合在芯片硅基底(3)上，使定向耦合器(2)的耦合端口(10)与Y波导调制器(7)的基波导精确耦合；
6)将光源(1)粘合到芯片硅基底(3)上，使其正对光输入端口(13)；将信号探测器(5)粘合到硅基底(3)上，使信号探测器(5)的光敏面正对信号探测端口(17)；将功率探测器(11)粘合到硅基底(3)上，使功率探测器(11)的光敏面正对信号探测端口(21)，制得硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片。
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