CN109579817B - 一种硅基-ln基混合集成光学芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成光学和光纤传感技术领域，具体涉及一种硅基‑LN基混合集成光学芯片的制备方法，该芯片由硅基芯片和铌酸锂基两块芯片拼接而成，硅基芯片上集成了输入光波导、1×3Y分支耦合器、第七输出光波导、第一90°圆弧光波导、第一方向耦合器、第八输出光波导、第二90°圆弧光波导、第二方向耦合器、第九输出光波导、第三90°圆弧光波导、第三方向耦合器；铌酸锂基芯片上集成了第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器、第三Y分支耦合器。该芯片混合集成了多个关键功能波导器件，可实现光束分束、合束及调制等，具有集成度高、一致性好、功率低、体积小和可靠性高等众多优点，可应用于开发三轴光纤陀螺。
Description
技术领域
本发明属于集成光学和光纤传感技术领域，具体涉及一种硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法。
背景技术
光纤陀螺是一种惯性角速度测量仪器，主要应用于平台导航、导弹制导、瞄准稳定、姿态控制、定位等领域。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、重量要求越来愈高，集成化、小型化的光纤陀螺设计成为必然。在实际的惯性测量系统中，一般需要测量三个相互垂直方向的角速率信息，因此利用单个惯性传感器实现三轴测量，复合惯性器件小型化、低成本发展趋势，在惯性系统检测方面具有重要应用前景。然而目前的三轴光纤陀螺均为分立的光纤器件组合而成，需要多个光纤方向耦合器、光学相位调制器等因此整个系统体积大、质量高，而稳定性和一致性较差，无法满足惯性系统小型化集成化日益发展的需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种集成度高、易于实现光电集成的硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法，所述制备方法所制备的硅基-LN基混合集成光学芯片由硅基芯片1和铌酸锂基芯片2拼接而成；
所述硅基芯片1上集成了输入光波导3-1、1×3Y分支耦合器3、第七输出光波导4-1、第一90°圆弧光波导4-2、第一方向耦合器4、第八输出光波导5-1、第二90°圆弧光波导5-2、第二方向耦合器5、第九输出光波导6-1、第三90°圆弧光波导6-2、第三方向耦合器6；
所述铌酸锂基芯片2上集成了第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8、第三Y分支耦合器9和对应设计制作的金属电极10；
所述硅基芯片1的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片2中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器各自的第一输出直波导段分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段同轴；
所述输入光波导3-1是1×3Y分支耦合器3的输入直波导，1×3Y分支耦合器3有三条输出波导，分为第一输出波导3-2、第二输出波导3-3、第三输出波导3-4，第一输出波导3-2对应1×3Y分支耦合器3的第一输出端口，第二输出波导3-3对应1×3Y分支耦合器3的第二输出端口，第三输出波导3-4对应1×3Y分支耦合器3的第三输出端口；
1×3Y分支耦合器3的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口分别与第一方向耦合器4的第一输入端4-3、第二方向耦合器5的第一输入端5-3和第三方向耦合器6的第一输入端6-3相连；
第一方向耦合器4的第二输入端4-4、第二方向耦合器5的第二输入端5-4和第三方向耦合器6的第二输入端6-4分别连接第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2；
第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2分别与第七输出光波导4-1、第八输出光波导5-1和第九输出光波导6-1连接，第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3交叉，第八输出光波导5-1与1×3Y分支耦合器3的第三输出波导3-4交叉；第一方向耦合器4的第二输出端4-6、第二方向耦合器5的第二输出端5-6和第三方向耦合器6的第二输出端6-6端面涂覆吸光材料；
第一方向耦合器4的第一输出端4-5、第二方向耦合器5的第一输出端5-5和第三方向耦合器6的第一输出端6-5分别与第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8和第三Y分支耦合器9各自的直波导相连；
每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极10；
第一Y分支耦合器7的两输出端口分别与第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3相连；第二Y分支耦合器8的两输出端口分别与第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3相连；第三Y分支耦合器9的两输出端口分别与第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极10；
所述硅基芯片1上的各个光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7μm，宽4～6.5μm，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；
所述铌酸锂基芯片2上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸；
所述硅基芯片1波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20mm；铌酸锂基芯片波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm；
其中，所述第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2、第三90°圆弧光波导6-2曲率半径相同，为2.5～5mm。
所述第一输入波导4-1、第二输入波导5-1与第三输入波导6-1之间间距相同，为0.5～1mm；
所述第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3、第三输出光波导8-2、第四输出光波导9-2、第五输出光波导9-3、第六输出光波导9-3分别连接一导光光纤；
所述第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导5-2与1×3Y分支耦合器3的第二输出波导3-4的交叉角为60°～90°；
具体而言，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：按照上述芯片图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片1的硅衬底和铌酸锂芯片2中的铌酸锂衬底；
步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层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厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；
步骤3：按照所述铌酸锂基芯片2的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；
步骤4：对硅基芯片1的四个边缘及铌酸锂基芯片2的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器各自的一个输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器各自的第二输出端端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶等，形成端面吸收层；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器的第二输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤6：将硅基芯片1与铌酸锂基芯片2的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。
其中，所述光学芯片光路如下：光源由输入光波导进入硅基芯片，沿1×3Y分支耦合器分为三束光强相等的光束分别进入第一方向耦合、第二方向耦合器和第三方向耦合器。第一方向耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器将光束再分为光强相等的光束，各自的一束光直接被吸收，通过对输出光波导端面涂吸收材料，将光信号迅速衰减，各自的另一束光分别进入铌酸锂基芯片的第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器和第三Y分支耦合器，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六输出光波导，经相位调制后分别进入分别对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个光纤环路，经循环后返回各自的波导端口，光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入光探测器中。通过对光探测器输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。
(三)有益效果
本发明所制备的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片和传统的分立器件构成的三轴光纤陀螺相比，无需将各光纤耦合器、调制器等分立器件再组装，其关键功能器件均已芯片化，通过该多功能集成芯片即可实现光束的调制、分束和合束等功能，满足光纤陀螺小型化、集成化、高可靠性和互易性的要求。
本发明所制备的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片，采用光源共用方案，具有一致性好、稳定性高、功率低、体积小和质量轻等众多优点。
本发明所制备的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片，通过结合硅基二氧化硅平面波导技术与铌酸锂基波导技术二者的优点，有效减小光学系统体积，提高光纤陀螺系统的集成度，使得光纤陀螺系统整体结构更加紧凑，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。
本发明硅基芯片中的光波导：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，这种波导与光纤结构非常相似，具有传输损耗低，与铌酸锂基Y分支波导插入损耗低、版图设计灵活，且制备工艺简单，成本大幅降低等优点；
本发明制备方法采用硅材料作为芯片基底，可以利用成熟的微电子工艺将光源、探测器集成在该硅基片上，可有效减小光学系统体积，稳定性及效率，功耗，提高光纤陀螺系统的集成度，使得光纤陀螺系统整体结构更加紧凑，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。
附图说明
图1是本发明实施例1的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片整体结构示意图。
图2是本发明实施例1的硅基芯片结构示意图。
图3是本发明实施例1的LN基芯片结构示意图。
图4是本发明实施例1的硅基芯片波导与LN芯片耦合结构截面示意图。
图5本发明实施例2的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片整体结构示意图。
图6是本发明实施例2的三轴光纤陀螺系统结构示意图。
图7是本发明实施例2的三轴光纤陀螺系统结构示意图。
图中主要标记说明：1：硅基芯片，2：铌酸锂基，3：1×3Y分支耦合器、4：第一方向耦合器，5：第二方向耦合器，6：第三方向耦合器，7：第一Y分支耦合器，8：第二Y分支耦合器，9：第三Y分支耦合器，12：光源，13：1*3探测器阵列，14：光纤环。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法，所述制备方法所制备的硅基-LN基混合集成光学芯片由硅基芯片1和铌酸锂基芯片2拼接而成；
所述硅基芯片1上集成了输入光波导3-1、1×3Y分支耦合器3、第七输出光波导4-1、第一90°圆弧光波导4-2、第一方向耦合器4、第八输出光波导5-1、第二90°圆弧光波导5-2、第二方向耦合器5、第九输出光波导6-1、第三90°圆弧光波导6-2、第三方向耦合器6；
所述铌酸锂基芯片2上集成了第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8、第三Y分支耦合器9和对应设计制作的金属电极10；
所述硅基芯片1的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片2中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器各自的第一输出直波导段分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段同轴；
所述输入光波导3-1是1×3Y分支耦合器3的输入直波导，1×3Y分支耦合器3有三条输出波导，分为第一输出波导3-2、第二输出波导3-3、第三输出波导3-4，第一输出波导3-2对应1×3Y分支耦合器3的第一输出端口，第二输出波导3-3对应1×3Y分支耦合器3的第二输出端口，第三输出波导3-4对应1×3Y分支耦合器3的第三输出端口；
1×3Y分支耦合器3的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口分别与第一方向耦合器4的第一输入端4-3、第二方向耦合器5的第一输入端5-3和第三方向耦合器6的第一输入端6-3相连；
第一方向耦合器4的第二输入端4-4、第二方向耦合器5的第二输入端5-4和第三方向耦合器6的第二输入端6-4分别连接第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2；
第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2分别与第七输出光波导4-1、第八输出光波导5-1和第九输出光波导6-1连接，第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3交叉，第八输出光波导5-1与1×3Y分支耦合器3的第三输出波导3-4交叉；第一方向耦合器4的第二输出端4-6、第二方向耦合器5的第二输出端5-6和第三方向耦合器6的第二输出端6-6端面涂覆吸光材料；
第一方向耦合器4的第一输出端4-5、第二方向耦合器5的第一输出端5-5和第三方向耦合器6的第一输出端6-5分别与第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8和第三Y分支耦合器9各自的直波导相连；
每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极10；
第一Y分支耦合器7的两输出端口分别与第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3相连；第二Y分支耦合器8的两输出端口分别与第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3相连；第三Y分支耦合器9的两输出端口分别与第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极10；
所述硅基芯片1上的各个光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7μm，宽4～6.5μm，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；
所述铌酸锂基芯片2上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸；
所述硅基芯片1波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20mm；铌酸锂基芯片波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm；
其中，所述第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2、第三90°圆弧光波导6-2曲率半径相同，为2.5～5mm。
所述第一输入波导4-1、第二输入波导5-1与第三输入波导6-1之间间距相同，为0.5～1mm；
所述第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3、第三输出光波导8-2、第四输出光波导9-2、第五输出光波导9-3、第六输出光波导9-3分别连接一导光光纤；
所述第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导5-2与1×3Y分支耦合器3的第二输出波导3-4的交叉角为60°～90°；
具体而言，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：按照上述芯片图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片1的硅衬底和铌酸锂芯片2中的铌酸锂衬底；
步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层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厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；
步骤3：按照所述铌酸锂基芯片2的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；
步骤4：对硅基芯片1的四个边缘及铌酸锂基芯片2的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器各自的一个输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器各自的第二输出端端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶等，形成端面吸收层；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器的第二输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤6：将硅基芯片1与铌酸锂基芯片2的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。
其中，所述光学芯片光路如下：光源由输入光波导进入硅基芯片，沿1×3Y分支耦合器分为三束光强相等的光束分别进入第一方向耦合、第二方向耦合器和第三方向耦合器。第一方向耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器将光束再分为光强相等的光束，各自的一束光直接被吸收，通过对输出光波导端面涂吸收材料，将光信号迅速衰减，各自的另一束光分别进入铌酸锂基芯片的第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器和第三Y分支耦合器，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六输出光波导，经相位调制后分别进入分别对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个光纤环路，经循环后返回各自的波导端口，光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入光探测器中。通过对光探测器输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。
此外，本发明还提供一种用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片，所述硅基-LN基混合集成光学芯片由硅基芯片1和铌酸锂基芯片2拼接而成；
所述硅基芯片1上集成了输入光波导3-1、1×3Y分支耦合器3、第七输出光波导4-1、第一90°圆弧光波导4-2、第一方向耦合器4、第八输出光波导5-1、第二90°圆弧光波导5-2、第二方向耦合器5、第九输出光波导6-1、第三90°圆弧光波导6-2、第三方向耦合器6；
所述铌酸锂基芯片2上集成了第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8、第三Y分支耦合器9和对应设计制作的金属电极10；
所述硅基芯片1的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片2中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器各自的第一输出直波导段4-5、5-5、6-5分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段7-1、8-1、9-1同轴。
其中，所述输入光波导3-1是1×3Y分支耦合器3的输入直波导，1×3Y分支耦合器3有三条输出波导，分为第一输出波导3-2、第二输出波导3-3、第三输出波导3-4，第一输出波导3-2对应1×3Y分支耦合器3的第一输出端口，第二输出波导3-3对应1×3Y分支耦合器3的第二输出端口，第三输出波导3-4对应1×3Y分支耦合器3的第三输出端口；
1×3Y分支耦合器3的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口分别与第一方向耦合器4的第一输入端4-3、第二方向耦合器5的第一输入端5-3和第三方向耦合器6的第一输入端6-3相连；
第一方向耦合器4的第二输入端4-4、第二方向耦合器5的第二输入端5-4和第三方向耦合器6的第二输入端6-4分别连接第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2；
第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2分别与第七输出光波导4-1、第八输出光波导5-1和第九输出光波导6-1连接，第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3交叉，第八输出光波导5-1与1×3Y分支耦合器3的第三输出波导3-4交叉；第一方向耦合器4的第二输出端4-6、第二方向耦合器5的第二输出端5-6和第三方向耦合器6的第二输出端6-6端面涂覆吸光材料；
第一方向耦合器4的第一输出端4-5、第二方向耦合器5的第一输出端5-5和第三方向耦合器6的第一输出端6-5分别与第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8和第三Y分支耦合器9各自的直波导7-1、8-1、9-1相连。
其中，每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极10；
第一Y分支耦合器7的两输出端口分别与第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3相连；第二Y分支耦合器8的两输出端口分别与第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3相连；第三Y分支耦合器9的两输出端口分别与第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极10。
其中，所述硅基芯片1上的各个光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，优选0.75％～1.5％，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7μm，宽4～6.5μm，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上。
其中，所述铌酸锂基芯片2上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸。
其中，所述硅基芯片1波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20mm；铌酸锂基芯片波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm。
其中，所述第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2、第三90°圆弧光波导6-2曲率半径相同，为2.5～5mm。
其中，所述第一输入波导4-1、第二输入波导5-1与第三输入波导6-1之间间距相同，为0.5～1mm。
其中，所述第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3、第三输出光波导8-2、第四输出光波导9-2、第五输出光波导9-3、第六输出光波导9-3分别连接一导光光纤。
其中，所述第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器3的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导5-2与1×3Y分支耦合器3的第二输出波导3-4的交叉角为60°～90°。
优选地，所述吸光材料层采用铝、钛或其他吸收材料。
此外，本发明还提供一种上述用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法，其制作步骤如下：
步骤1：按照上述芯片图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片1的硅衬底和铌酸锂芯片2中的铌酸锂衬底；
步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层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厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；
步骤3：按照所述铌酸锂基芯片2的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；
步骤4：对硅基芯片1的四个边缘及铌酸锂基芯片2的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器各自的一个输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器4、5、6的第二输出端4-2、5-2、6-2端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶等，形成端面吸收层；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器4、5、6的第二输出端4-2、5-2、6-2的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤6：将硅基芯片1与铌酸锂基芯片2的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。
由此，本发明提出的一种用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片光路如下：光源由输入光波导进入硅基芯片，沿1×3Y分支耦合器分为三束光强相等的光束分别进入第一方向耦合、第二方向耦合器和第三方向耦合器。第一方向耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器将光束再分为光强相等的光束，各自的一束光直接被吸收，通过对输出光波导端面涂吸收材料，将光信号迅速衰减，各自的另一束光分别进入铌酸锂基芯片的第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器和第三Y分支耦合器，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六输出光波导，经相位调制后分别进入分别对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个光纤环路，经循环后返回各自的波导端口，光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入光探测器中。通过对光探测器输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。
实施例1
参见图1、图2和图3所示，本实施例的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片由硅基芯片1和铌酸锂基芯片2拼接而成，所述硅基芯片1上集成了输入光波导3-1、1×3Y分支耦合器3、第七输出光波导4-1、第一90°圆弧光波导4-2、第一方向耦合器4、第八输出光波导5-1、第二90°圆弧光波导5-2、第二方向耦合器5、第九输出光波导6-1、第三90°圆弧光波导6-2、第三方向耦合器6；所述铌酸锂基芯片2上集成了第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8、第三Y分支耦合器9和设计制作的金属电极10；所述硅基芯片1的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片2中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器的第一输出直波导段4-5、5-5、6-5分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段7-1、8-1、9-1同轴。
输入光波导3-1是1×3Y分支耦合器的输入直波导，1×3Y分支耦合器3的第一输出端口3-2、第二输出端口3-3、第三输出端口3-4分别与第一方向耦合器的第一输入端4-3、第二方向耦合器第一输入端5-3和第三方向耦合器的第一输入端6-3相连，第一方向耦合器第二输入端4-4、第二方向耦合器5-4和第三方向耦合器的第二输入端6-4分别连接第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2，第一90°圆弧光波导4-2、第二90°圆弧光波导5-2和第三90°圆弧光波导6-2分别与第七输出光波导4-1、第八输出光波导5-1和第九输出光波导6-1连接，第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3交叉，第八输出光波导5-1与1×3Y分支耦合器3的第三输出波导3-4交叉；第一方向耦合器第二输出端4-6、第二方向耦合器第二输出端5-6和第三方向耦合器的第二输出端6-6、端面涂覆吸光材料；第一方向耦合器4的第一输出端4-5、第二方向耦合器5的第一输出端5-5和第三方向耦合器6的第一输出端6-5分别与第一Y分支耦合器7、第二Y分支耦合器8和第三Y分支耦合器9的直波导7-1、8-1、9-1相连；每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极10；第一Y分支耦合器的两端口分别与第一输出光波导7-2、第二输出光波导相连7-3，第二Y分支耦合器的两输出端口分别与第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3相连，第三Y分支耦合器的两输出端口分别于第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极10。
所述硅基芯片1上的各输入光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，优选0.75％～1.5％，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7，宽4～6.5微米，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；
所述铌酸锂基芯片2上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为书微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸；
参见图4所示，所述硅基芯片1波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20；铌酸锂基芯片2波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm；
所述90°圆弧光波导4-2、5-2、6-2曲率半径相同，为2.5～5mm。
所述第一输入波导4-1、第二输入波导5-1与第三输入波导6-1之间间距相同，为0.5～1mm。
所述第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3、第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3、第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3分别连接一导光光纤，通常采用光纤阵列输出；
所述第七输出光波导4-1与1×3Y分支耦合器的的第一输出波导3-2和第二输出波导3-3的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导5-2与1×3Y分支耦合器的第二输出波导3-3交叉角为60°～90°。
所述吸光材料层采用铝、钛或其他吸收材料。
所述用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法，其步骤如下：
步骤1：按照上述芯片的图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片1的硅衬底和铌酸锂芯片2中的铌酸锂衬底；
步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层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厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；
步骤3：按照上述铌酸锂基芯片2的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；
步骤4：对硅基芯片的四个边缘及铌酸锂基芯片的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；
步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器4、5、6的第二输出端4-2、5-2、6-2端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶等，形成端面吸收层；
步骤6：将硅基芯片与铌酸锂基芯片的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。
实施例2
参见图4，本实施例的用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片与实施1的不同之处在于：所述硅基芯片上的第一方向耦合器4、第二方向耦合器5和第三方向耦合器6的第二输出端4-2、5-2、6-2各自对应的直波导区4-7、5-7、6-7，采用干法刻蚀手段将上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料。
参见图6和图7，本发明的硅基-LN混合集成光学芯片应用在三轴光纤陀螺系统中，光源12发出的光由光输入端3-1进入硅基芯片1×3耦合器3，硅基1×3耦合器3实现1：1：1分光，分别进入三个硅基SiO2方向耦合器4、5、6，一半的光通过三个硅基SiO2方向耦合器4、5、6分别进入三个LN Y波导调制器7、8、9，进入LN Y波导调制器7的光波分别从第一输出光波导7-2、第二输出光波导7-3进入光纤环14并且以相反方向传播，进入LN Y波导调制器8的光波分别从第三输出光波导8-2、第四输出光波导8-3进入光纤环15并且以相反方向传播，LNY波导调制器9的光波分别从第五输出光波导9-2、第六输出光波导9-3进入光纤环16并且以相反方向传播，返回光波则分别由硅基SiO2方向耦合器4、5、6的第七输出光波导4-1，第八输出光波导5-1、第九输出光波导6-1到达信号探测器13。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法所制备的硅基-LN基混合集成光学芯片由硅基芯片(1)和铌酸锂基芯片(2)拼接而成；
所述硅基芯片(1)上集成了输入光波导(3-1)、1×3Y分支耦合器(3)、第七输出光波导(4-1)、第一90°圆弧光波导(4-2)、第一方向耦合器(4)、第八输出光波导(5-1)、第二90°圆弧光波导(5-2)、第二方向耦合器(5)、第九输出光波导(6-1)、第三90°圆弧光波导(6-2)、第三方向耦合器(6)；
所述铌酸锂基芯片(2)上集成了第一Y分支耦合器(7)、第二Y分支耦合器(8)、第三Y分支耦合器(9)和对应设计制作的金属电极(10)；
所述硅基芯片(1)的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片(2)中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器各自的第一输出直波导段分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段同轴；
所述输入光波导(3-1)是1×3Y分支耦合器(3)的输入直波导，1×3Y分支耦合器(3)有三条输出波导，分为第一输出波导(3-2)、第二输出波导(3-3)、第三输出波导(3-4)，第一输出波导(3-2)对应1×3Y分支耦合器(3)的第一输出端口，第二输出波导(3-3)对应1×3Y分支耦合器(3)的第二输出端口，第三输出波导(3-4)对应1×3Y分支耦合器(3)的第三输出端口；
1×3Y分支耦合器(3)的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口分别与第一方向耦合器(4)的第一输入端(4-3)、第二方向耦合器(5)的第一输入端(5-3)和第三方向耦合器(6)的第一输入端(6-3)相连；
第一方向耦合器(4)的第二输入端(4-4)、第二方向耦合器(5)的第二输入端(5-4)和第三方向耦合器(6)的第二输入端(6-4)分别连接第一90°圆弧光波导(4-2)、第二90°圆弧光波导(5-2)和第三90°圆弧光波导(6-2)；
第一90°圆弧光波导(4-2)、第二90°圆弧光波导(5-2)和第三90°圆弧光波导(6-2)分别与第七输出光波导(4-1)、第八输出光波导(5-1)和第九输出光波导(6-1)连接，第七输出光波导(4-1)与1×3Y分支耦合器(3)的第一输出波导(3-2)和第二输出波导(3-3)交叉，第八输出光波导(5-1)与1×3Y分支耦合器(3)的第三输出波导(3-4)交叉；第一方向耦合器(4)的第二输出端(4-6)、第二方向耦合器(5)的第二输出端(5-6)和第三方向耦合器(6)的第二输出端(6-6)端面涂覆吸光材料；
第一方向耦合器(4)的第一输出端(4-5)、第二方向耦合器(5)的第一输出端(5-5)和第三方向耦合器(6)的第一输出端(6-5)分别与第一Y分支耦合器(7)、第二Y分支耦合器(8)和第三Y分支耦合器(9)各自的直波导相连；
每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极(10)；
第一Y分支耦合器(7)的两输出端口分别与第一输出光波导(7-2)、第二输出光波导(7-3)相连；第二Y分支耦合器(8)的两输出端口分别与第三输出光波导(8-2)、第四输出光波导(8-3)相连；第三Y分支耦合器(9)的两输出端口分别与第五输出光波导(9-2)、第六输出光波导(9-3)相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极(10)；
所述硅基芯片(1)上的各个光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7μm，宽4～6.5μm，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；
所述铌酸锂基芯片(2)上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸；
所述硅基芯片(1)波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20mm；铌酸锂基芯片波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm；
所述第一输入波导(4-1)、第二输入波导(5-1)与第三输入波导(6-1)之间间距相同，为0.5～1mm；
所述第一输出光波导(7-2)、第二输出光波导(7-3)、第三输出光波导(8-2)、第四输出光波导(9-2)、第五输出光波导(9-3)、第六输出光波导(9-3)分别连接一导光光纤；
所述第七输出光波导(4-1)与1×3Y分支耦合器(3)的第一输出波导(3-2)和第二输出波导(3-3)的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导(5-2)与1×3Y分支耦合器(3)的第二输出波导(3-4)的交叉角为60°～90°；
具体而言，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：按照上述芯片图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片(1)的硅衬底和铌酸锂芯片(2)中的铌酸锂衬底；
步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层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厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；
步骤3：按照所述铌酸锂基芯片(2)的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；
步骤4：对硅基芯片(1)的四个边缘及铌酸锂基芯片(2)的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器各自的一个输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器各自的第二输出端端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶，形成端面吸收层；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器的第二输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；
步骤6：将硅基芯片(1)与铌酸锂基芯片(2)的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。
2.如权利要求1所述的所述制备方法，其特征在于，所述第一90°圆弧光波导(4-2)、第二90°圆弧光波导(5-2)、第三90°圆弧光波导(6-2)曲率半径相同。
3.如权利要求1所述的所述制备方法，其特征在于，所述第一90°圆弧光波导(4-2)曲率半径为2.5～5mm。
4.如权利要求1所述的所述制备方法，其特征在于，所述第二90°圆弧光波导(5-2)曲率半径为2.5～5mm。
5.如权利要求1所述的所述制备方法，其特征在于，所述第三90°圆弧光波导(6-2)曲率半径为2.5～5mm。
6.如权利要求1所述的所述制备方法，其特征在于，所述光学芯片光路如下：光源由输入光波导进入硅基芯片，沿1×3Y分支耦合器分为三束光强相等的光束分别进入第一方向耦合、第二方向耦合器和第三方向耦合器；第一方向耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器将光束再分为光强相等的光束，各自的一束光直接被吸收，通过对输出光波导端面涂吸收材料，将光信号迅速衰减，各自的另一束光分别进入铌酸锂基芯片的第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器和第三Y分支耦合器，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六输出光波导，经相位调制后分别进入分别对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个光纤环路，经循环后返回各自的波导端口，光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入光探测器中；通过对光探测器输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。
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| CN109579817A (zh) | 2019-04-05 |
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