CN108225297B - 一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，包括：基底晶片、下包层、二氧化硅波导环圈、二氧化硅直波导、上包层、铌酸锂薄膜、电光移频器光学波导、电光移频器金属电极、铌酸锂直条光学波导，可将铌酸锂薄膜光学波导中经过电光移频的光波沿垂直方向耦合导入二氧化硅波导环圈中进行角速度测量，将二氧化硅波导环圈低传输损耗、低弯曲损耗的特点与铌酸锂晶体的电光移频功能相结合，既克服了基于二氧化硅波导的集成光学陀螺难以制作集成光学移频器的难题，也解决了基于铌酸锂波导的集成光学陀螺中波导环圈弯曲损耗过大、环圈半径过大的问题，提升了谐振式集成光学陀螺的集成度和实用化价值，适于实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及光学陀螺仪等导航与惯导技术领域，特别是涉及一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺。
背景技术
光学陀螺是一种利用萨格奈克效应测量旋转角速率的新型惯性仪表。光学陀螺主要有三大类:激光陀螺、光纤陀螺和集成光学陀螺。目前,激光陀螺技术已经十分成熟,并在许多惯性导航领域特别是高精度领域得到应用。但是激光陀螺需采用悬臂梁结构的振动来避免它的“闭锁”现象，因此激光陀螺并不是全固态仪表。与激光陀螺相比，光纤陀螺具有更小的体积、更轻的质量、更低的成本、没有运动部件等优点，是一种真正的全固态仪表。
然而随着导航技术的发展，一些领域对光学陀螺提出了新的技术发展要求，即光学陀螺的集成度、功耗、可靠性、体积等指标实现进一步的提升。在这个背景下，将光纤陀螺各分立元件的功能实现混合集成甚至单芯片集成，即集成光学陀螺，则成为了当前的重要技术发展方向。
目前集成光学陀螺的主要技术难点在于光学陀螺各功能元器件，如激光器、耦合器、调制器、探测器、光学波导线路(特别是光学波导环圈)等，所基于的材料有所不同，实现混合集成甚至单片集成的技术难度很大，因此当前的技术发展主要集中于实现耦合器、调制器以及光学波导线路(光学波导环圈)的单片集成，为下一步进行与激光器和探测器的混合集成甚至单片集成奠定基础。
二氧化硅是当前已知的损耗较低的几种材料之一，是制作低损耗光学波导线路的理想材料。然而，二氧化硅光学波导制作调制器、移频器等集成光学器件的难度较大，难以实现耦合器、调制器以及光学波导线路在二氧化硅材料上的单片集成。
铌酸锂具有优良的电光、声光、压电以及光学非线性等多种物理性质，可用于制作电光调制器、声光移频器、声光滤波器、声表面波滤波器以及波长转换器等多种集成光学器件，也是制作光学波导线路的理想材料。但是，铌酸锂光学波导环圈的弯曲损耗较大，而为了降低其弯曲损耗，波导环圈的尺寸往往需要很大，这又难以满足惯导领域对集成光学陀螺小型化的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，以解决上述的二氧化硅材料制作集成光学移频器的难题和铌酸锂光学波导弯曲损耗过大的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，包括：基底晶片1、下包层2、二氧化硅波导环圈3、二氧化硅直波导4、上包层5、铌酸锂薄膜6、电光移频器光学波导7、电光移频器金属电极8、铌酸锂直条光学波导9，
所述基底晶片1为表面抛光的硅晶片，厚度在0.1mm～1mm；
所述下包层2是基底晶片1硅片的上表面经过热氧化工艺形成的致密的二氧化硅膜层，下包层2的厚度在6μm～15μm，作为二氧化硅波导环圈3和二氧化硅直波导4的下包层材料；
所述二氧化硅波导环圈3制备于下包层2的上方，采用跑道型结构，位于左侧的二氧化硅直波导4和右侧的二氧化硅直波导4中间，厚度在1μm～10μm，高度在1μm～10μm，环圈半径0.1cm～10cm，所述二氧化硅波导环圈3采用掺杂的二氧化硅材料，其折射率高于作为下包层2和上包层5的二氧化硅材料；
所述二氧化硅直波导4制备于下包层上方，位于二氧化硅波导环圈3的外侧、铌酸锂直条光学波导7的正下方，厚度在1μm～10μm、高度在1μm～10μm，所述二氧化硅波导环圈3采用掺杂的二氧化硅材料，其折射率高于作为下包层2和上包层5的二氧化硅材料；
所述上包层5为二氧化硅膜层，制作于二氧化硅直波导4和二氧化硅波导环圈3的上方，其厚度在6μm～15μm，作为二氧化硅波导环圈3和二氧化硅直波导4的上包层材料；
所述铌酸锂薄膜6制作于上包层5的上表面，所述铌酸锂薄膜6具有单晶结构，其晶体切向为X切Y传或X切Z传或Y切Z传，厚度在0.1μm～10μm；
所述电光移频器光学波导7制作于铌酸锂薄膜6中，采用钛扩散或退火质子交换工艺制作，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm，所述光移频器光学波导由输入波导以及双马赫-增德尔(Mach-Zehnder)光学波导组成；
所述电光移频器金属电极8制作于电光移频器光学波导7的双马赫-增德尔光学波导上方，分置于双马赫-增德尔光学波导双臂外侧及中间，采用集总式电极结构或行波电极结构；
所述铌酸锂直条光学波导9制作于铌酸锂薄膜6中，采用钛扩散或退火质子交换工艺制作，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm，铌酸锂直条光学波导9制作于二氧化硅直波导4的正上方。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，本发明提供的谐振式集成光学陀螺通过垂直耦合的方式将二氧化硅波导环圈低传输损耗、低弯曲损耗的特点与铌酸锂晶体的电光移频功能相结合，既克服了基于二氧化硅波导的集成光学陀螺难以制作集成光学移频器的难题，也解决了基于铌酸锂波导的集成光学陀螺中波导环圈弯曲损耗过大、环圈半径过大的问题，提升了谐振式集成光学陀螺的集成度，适于实现谐振式集成光学陀螺批量生产，有利于提高谐振式集成光学陀螺的实用化价值，便于在产业上推广和应用。
附图说明
图1所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺的结构分解图；
图2所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺的铌酸锂薄膜部分横截面示意图；
图3所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺的二氧化硅波导部分横截面示意图；
图4所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺的二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合区域横截面示意图；
图5(a)所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺中光波从铌酸锂直条光学波导耦合导入二氧化硅直波导及二氧化硅波导环圈的工作原理示意图(以顺时针光束为例)；
图5(b)所示为本发明提出的谐振式集成光学陀螺中光波从二氧化硅波导环圈耦合导出二氧化硅直波导的工作原理示意图(以顺时针光束为例)；
图中，1.基底晶片、2.下包层、3.二氧化硅波导环圈、4.二氧化硅直波导、5.上包层、6.铌酸锂薄膜、7.电光移频器光学波导、8.电光移频器金属电极、9.铌酸锂直条光学波导。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，包括基底晶片1、下包层2、二氧化硅波导环圈3、二氧化硅直波导4、上包层5、铌酸锂薄膜6、电光移频器光学波导7、电光移频器金属电极8、铌酸锂直条光学波导9。
如图1所示为本发明实施例提供的一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺的结构分解图，其结构从下向上依次为：
基底晶片1，采用厚度在0.1mm～1mm、表面抛光的硅晶片；
下包层2，为基底晶片1硅片的上表面经过热氧化工艺形成的致密的二氧化硅膜层，厚度在6μm～15μm；
二氧化硅波导环圈3，位于下包层2的上方，为跑道型结构，采用掺杂的二氧化硅材料，厚度在1μm～10μm，高度在1μm～10μm，环圈半径0.1cm～10cm；
二氧化硅直波导4，位于下包层2的上方、二氧化硅波导环圈3外侧，采用掺杂的二氧化硅材料，厚度在1μm～10μm，高度在1μm～10μm；
上包层5，位于二氧化硅波导环圈3和二氧化硅直波导4的上方，采用二氧化硅材料，厚度在6μm～15μm；
铌酸锂薄膜6，位于上包层5的上方，其下表面与上包层5的上表面键合，厚度在0.1μm～10μm；
电光移频器光学波导7，位于铌酸锂薄膜6中，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm；
电光移频器金属电极8，位于电光移频器光学波导7的双马赫-增德尔光学波导上方；
铌酸锂直条光学波导9，位于铌酸锂薄膜6中，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm。
图2是本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺中铌酸锂薄膜部分横截面示意图。
铌酸锂薄膜6具有单晶结构，其晶体切向为X切Y传或X切Z传或Y切Z传。铌酸锂薄膜6通过将铌酸锂体材料晶片与上包层5(包含上包层5下面的基底晶片1、下包层2、二氧化硅波导环圈3、二氧化硅直波导4等结构)进行键合，再通过减薄抛光工艺，得到厚度在0.1μm～10μm的薄膜结构。传统的铌酸锂体材料晶片的厚度在0.2mm至1mm，其光学波导只能局限于上表面的10μm左右的深度范围内，因此本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺选择将铌酸锂体材料进行减薄，得到铌酸锂薄膜6，以实现光波从铌酸锂薄膜6中的光学波导可以有效地沿垂直方向耦合导入二氧化硅直波导4及二氧化硅波导环圈3中。
本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺采用铌酸锂电光强度调制器作为移频器。当对铌酸锂电光强度调制器施加圆频率为ωm的微波调制电压，在一定调制电压与直流偏置电压的作用下，可实现光波从中心频率ω0向边频带ω0±ωm等频率的偏移，实现光波的频移。
铌酸锂电光移频器由电光移频器光学波导7和电光移频器金属电极8组成。电光移频器光学波导7制作于铌酸锂薄膜中，采用钛扩散或退火质子交换等工艺制作，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm。电光移频器光学波导7包括输入波导以及双马赫-增德尔(Mach-Zehnder)光学波导。电光移频器金属电极8制作于电光移频器光学波导7的双马赫-增德尔光学波导上方，并分置于马赫-增德尔光学波导双臂外侧及中间，采用集总式电极结构或行波电极结构。
图3是本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺二氧化硅波导部分横截面示意图。
基底晶片1为表面抛光的硅晶片，其作用一方面在于二氧化硅波导的基底，另一方面也在于本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺的载体。
下包层2是在基底晶片1(硅片)的上表面经过热氧化工艺形成得到的致密的二氧化硅膜层，作为二氧化硅波导环圈3和二氧化硅直波导4的下包层材料。
二氧化硅波导环圈3采用气相沉积法(如等离子体增强化学气相沉积法PECVD、低压化学气相沉积法LPCVD等)并结合局部掺杂、微结构刻蚀等工艺制备得到。二氧化硅波导环圈3是本实施例提供的谐振式集成光学陀螺用于进行角速度信息测量的敏感环圈，采用跑道型环圈结构，是顺时针旋转和逆时针旋转的光波的载体。
二氧化硅直波导4位采用气相沉积法(如等离子体增强化学气相沉积法PECVD、低压化学气相沉积法LPCVD等)并结合局部掺杂、微结构刻蚀等工艺制备得到。二氧化硅直波导4作为二氧化硅波导环圈3的耦合波导，将在二氧化硅波导环圈3中顺时针旋转和逆时针旋转的光波耦合导出，用于光信号探测。
上包层5为二氧化硅材料，采用沉积工艺制作于二氧化硅直波导4和二氧化硅波导环圈3的上方，并采用化学机械抛光等抛光工艺使其平坦化，形成二氧化硅波导的上包层。
图4是本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺的二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合区域横截面示意图。图5(a)为本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺中光波从铌酸锂直条光学波导9沿垂直方向耦合导入二氧化硅直波导4及二氧化硅波导环圈3的工作原理示意图，图5(b)分别为本发明实施例提供的谐振式集成光学陀螺中光波从二氧化硅波导环圈3耦合导出二氧化硅直波导4的工作原理示意图，图5(a)和图5(b)均以顺时针旋转的光波为例，逆时针旋转的光波与之成镜面对称结构。
铌酸锂薄膜6中的左侧电光移频器对在该侧电光移频器光学波导7中传输的光波进行移频，移频后的光波由铌酸锂直条光学波导9沿垂直方向耦合导入二氧化硅直波导4，二氧化硅直波导4与二氧化硅波导环圈3中的直条部分形成定向耦合波导结构，光波从二氧化硅直波导4耦合导入二氧化硅波导环圈3中并在其中传输，光波每次经过耦合器时，都会有小部分的光由耦合器输出、导入二氧化硅直波导4，而大部分光在二氧化硅波导环圈3中继续传输，这样在二氧化硅直波导4的输出端就存在着一系列出射光波，出射光波满足一定条件时会发生多光束干涉和谐振效应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，其特征在于，包括：基底晶片(1)、下包层(2)、二氧化硅波导环圈(3)、二氧化硅直波导(4)、上包层(5)、铌酸锂薄膜(6)、电光移频器光学波导(7)、电光移频器金属电极(8)、铌酸锂直条光学波导(9)，
所述基底晶片(1)为表面抛光的硅晶片，厚度在0.1mm～1mm；
所述下包层(2)是基底晶片(1)硅片的上表面经过热氧化工艺形成的致密的二氧化硅膜层，下包层(2)的厚度在6μm～15μm，作为二氧化硅波导环圈(3)和二氧化硅直波导(4)的下包层材料；
所述二氧化硅波导环圈(3)制备于下包层(2)的上方，采用跑道型结构，位于左侧的二氧化硅直波导(4)和右侧的二氧化硅直波导(4)中间，厚度在1μm～10μm，高度在1μm～10μm，环圈半径0.1cm～10cm，所述二氧化硅波导环圈(3)采用掺杂的二氧化硅材料，其折射率高于作为下包层(2)和上包层(5)的二氧化硅材料；
所述二氧化硅直波导(4)制备于下包层上方，位于二氧化硅波导环圈(3)的外侧、铌酸锂直条光学波导(7)的正下方，厚度在1μm～10μm、高度在1μm～10μm，所述二氧化硅波导环圈(3)采用掺杂的二氧化硅材料，其折射率高于作为下包层(2)和上包层(5)的二氧化硅材料；
所述上包层(5)为二氧化硅膜层，制作于二氧化硅直波导(4)和二氧化硅波导环圈(3)的上方，其厚度在6μm～15μm，作为二氧化硅波导环圈(3)和二氧化硅直波导(4)的上包层材料；
所述铌酸锂薄膜(6)制作于上包层(5)的上表面，所述铌酸锂薄膜(6)具有单晶结构，其晶体切向为X切Y传或X切Z传或Y切Z传，厚度在0.1μm～10μm；
所述电光移频器光学波导(7)制作于铌酸锂薄膜(6)中，采用钛扩散或退火质子交换工艺制作，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm，所述电光移频器光学波导由输入波导以及双马赫-增德尔光学波导组成；
所述电光移频器金属电极(8)制作于电光移频器光学波导(7)的双马赫-增德尔光学波导上方，分置于双马赫-增德尔光学波导双臂外侧及中间，采用集总式电极结构或行波电极结构；
所述铌酸锂直条光学波导(9)制作于铌酸锂薄膜(6)中，采用钛扩散或退火质子交换工艺制作，波导宽度在1μm～10μm，波导扩散深度在1μm～10μm，铌酸锂直条光学波导(9)制作于二氧化硅直波导(4)的正上方。
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