CN110186447A - 谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备，该谐振式陀螺仪光波导芯片包括：SOI基片，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；所述顶层硅上制作有脊形硅波导芯区，所述脊形硅波导芯区包括：依次连接的输入模斑转换器、波导和输出模斑转换器；二氧化硅层，位于所述脊形硅波导芯区上方；氮化硅层，包括氮化硅微环谐振腔，位于所述二氧化硅层上方；二氧化硅上包层，覆盖于所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片上方。本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片具有高灵敏度、高可集成度、响应速度快、对加速度不敏感和制备工艺简单的效果。

Description

谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学和微纳系统领域，尤其涉及一种谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法。
背景技术
惯性导航系统是一种不依赖任何外界设备，不需要与外界发生通信联系的完全自主式导航。它具有隐蔽性好，不受外界干扰，不受时间、地域、气候条件限制等诸多优点，被广泛应用于各领域的飞行器。加速度计和陀螺仪是惯性导航系统的两大关键器件。通过三轴加速度计记录系统的加速度并对时间积分的到系统的实时速度与实时位置；通过三轴陀螺仪记录系统的角速度并对时间积分可得到系统的实时姿态。惯性导航系统的性能很大程度上取决于陀螺仪的性能，陀螺仪的性能很大程度上直接影响着惯性导航系统的发展。
目前高精度的陀螺仪主要有机械陀螺、微机电陀螺以、激光陀螺以及光纤陀螺。机械陀螺和微机电陀螺由于存在敏感元件，抗冲击能力差，对加速度敏感。而传统的激光陀螺和光纤陀螺体积较大成本较高。因此，发展基于微纳光子学的集成光学陀螺有着重要的战略军事意义。借助环形谐振腔的传输特性，陀螺仪可以在很小的尺寸下实现很高的检测灵敏度，理论上灵敏度可以达到战术级惯性导航需求、体积小、价格低廉；除此之外，相较于传统的机械式“转子”陀螺，光学陀螺没有机械转动部件，因此可以抗振动、冲击、对重力加速度不敏感；并且，系统响应速度快、动态范围宽，使用便捷。但是现有的硅基集成光学陀螺普遍存在波导环形谐振腔损耗较大，检测极限灵敏度较低的问题，而目前采用的硅基集成中的氮化硅波导结构尺寸较大，并且无法制作激光器和光电探测器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片，包括：
SOI基片，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；所述顶层硅上制作有脊形硅波导芯区，所述脊形硅波导芯区包括：依次连接的输入模斑转换器、波导和输出模斑转换器；
二氧化硅层，位于所述脊形硅波导芯区上方；
氮化硅层，包括氮化硅微环谐振腔，位于所述二氧化硅层上方；
二氧化硅上包层，覆盖于所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片上方。
在一些实施例中，所述氮化硅微环谐振腔的波导芯层为高横纵比结构，所述高横纵比结构用以减小由于刻蚀导致的波导粗糙侧壁所带来的损耗。
在一些实施例中，所述波导为直波导或者弯曲波导。
在一些实施例中，所述氮化硅微环谐振腔位于所述波导形成的直线一侧，与所述脊形硅波导芯区部分重叠，以实现与所述波导的光谐振耦合。
在一些实施例中，所氮化硅微环谐振腔与所述波导通过垂直耦合进行光谐振耦合。
在一些实施例中，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器均为宽度渐变增大的波导。
在一些实施例中，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器的窄波导端均与光纤连接，宽波导端均与所述波导连接，且宽波导端的尺寸均与所述波导的尺寸相匹配。
在一些实施例中，所述SOI基片中埋氧层的厚度大于或等于2μm；所述二氧化硅层和二氧化硅上包层的材料均为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅；所述二氧化硅层的表面起伏为零点几纳米。
根据本发明的另一个方面，提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，包括：
在SOI基片的顶层硅上制作脊形硅波导芯区；
在所述脊形硅波导芯区上方沉积二氧化硅层，并进行研磨抛光使所述二氧化硅层表面平整；
在所述二氧化硅层表面沉积高横纵比结构的氮化硅层并使用光学光刻制作氮化硅微环谐振腔；
在所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片表面沉积二氧化硅上包层。
在一些实施例中，所述二氧化硅层为采用低压化学气相沉积方法沉积得到。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过将直波导制于SOI基片的顶层硅上，可以实现将激光器及探测器均集成在该谐振式陀螺仪光波导芯片上，实现器件的芯片级尺寸；
(2)本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过采用高横纵比的氮化硅波导结构，其低波导传输损耗使微环谐振腔具有高Q值，可以检测到更加微弱的转动信号，使谐振式陀螺仪光波导芯片具有高灵敏度；
(3)本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过光波导之间的垂直耦合，可以实现对波导耦合间距的精确控制，再结合低压化学气相沉积方法沉积得到的二氧化硅层的表面起伏只有零点几纳米，可以极大的降低耦合器插入损耗；
(4)本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，采用的陀螺仪的全光结构，使得该陀螺仪体积小，价格低廉，抗冲击，对加速度不敏感，抗电磁干扰能力强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的谐振式陀螺仪光波导芯片的俯视结构示意图；
图2为图1中谐振式陀螺仪光波导芯片沿着A-A线剖开得到的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的脊形硅波导芯区立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的陀螺仪Sagnac效应原理图；
图5为本发明实施例提供的陀螺仪微环谐振腔损耗与极限灵敏度之间的关系图；
图6为本发明实施例提供的谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法流程图；
图7为本发明实施例提供的氮化硅微环谐振腔俯视图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1-SOI基片；
10-顶层硅；
101-输入模斑转换器； 102-直波导；
103-输出模斑转换器；
11-埋氧层； 12-底层硅；
2-二氧化硅层；
3-氮化硅层；
301-氮化硅微环谐振腔
4-二氧化硅上包层。
具体实施方式
本发明借助于微腔光学谐振效应，提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过借助硅基波导中直波导与氮化硅波导的垂直耦合结构，得以充分利用硅基光电成熟的产业优势和氮化硅波导低损耗特点。波导垂直耦合结构的耦合间距较波导水平耦合，耦合间距控制更加精确，器件性能更加符合设计值。因此，该陀螺仪光波导芯片具有更加广袤的应用前景。
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，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的一个方面，本实施提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片，如图1和图2所示，该谐振式陀螺仪光波导芯片包括：
SOI基片1，包括底层硅12、埋氧层11和顶层硅10；其中，顶层硅10上制作有脊形硅波导芯区，该脊形硅波导芯区结构包括：依次连接的输入模斑转换器101、波导102和输出模斑转换器103；
二氧化硅层2，覆盖于脊形硅波导芯区上方；
氮化硅层3，包括氮化硅微环谐振腔301，位于二氧化硅层2上方；
二氧化硅上包层4，覆盖于氮化硅层3、二氧化硅层2以及SOI基片1上方。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片，通过将直波导制于SOI基片的顶层硅上，可以实现将激光器及探测器均集成在该谐振式陀螺仪光波导芯片上，实现器件的芯片级尺寸。
在本实施例中，如图2所示，氮化硅微环谐振腔301位于波导形成的直线一侧，波导102与微环谐振腔301通过垂直耦合进行光谐振耦合，波导102结构可以是直波导，也可以是弯曲波导，用以减小耦合失配因子，降低倏逝波耦合器的插入损耗。在一实例中，微环谐振腔301的半径为0.3cm，直波导102与微环谐振腔301存在一最佳耦合系数，当设定微环传输损耗和谐振腔长后，可计算出最佳耦合系数，得到对应耦合系数的耦合间距。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片，通过光波导之间的垂直耦合，可以实现对波导耦合间距的精确控制，并且二氧化硅层的表面起伏只有零点几纳米，可以极大的降低耦合器插入损耗。
如图2和图3所示，本实施例中，SOI基片1，包含底层硅12、埋氧层11和顶层硅10，其中，埋氧层11在1.55μm波长处的折射率为1.457，厚度为2μm。在一些实施例中，SOI基片1中埋氧层11的厚度为大于或等于2μm，因为作为芯区下包层的埋氧层11的厚度需要大于1.5μm左右才能充分防止芯区光波导中的光向衬底底层硅12泄露。
本实施例中，顶层硅12中制作有脊形硅波导芯区，该脊形硅波导芯区是通过刻蚀部分高度的顶层硅10形成的，如图2所示，顶层硅10在1.55μm波长处的折射率为3.471，与埋氧层11的折射率相差58％，如此高的折射率差可以有效的将光限制在脊形硅波导芯区中实现器件结构的小型化、微型化。
在一优选的实例中，如图2所示，该脊形光波导芯区的横截面为脊型，高150nm、宽400nm，平板层(未被刻蚀的顶层硅10)高70nm，上述尺寸的设置可以保证1.55μm的光波在波导中实现单模传输。
本实施例中，二氧化硅层2覆盖于SOI基片上方，该二氧化硅层2的材料为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅，厚度为3μm，在1.55μm波长处的折射率为1.457，与埋氧层11的折射率相同。
本实施例中，二氧化硅层2的厚度需要精确的控制以实现对直波导102与微环谐振腔301之间的最佳耦合比。
本实施例中，氮化硅层3制备有微环谐振腔301，微环谐振腔301位于直波导102的一侧。氮化硅层3的折射率为1.97，与二氧化硅层2折射率差26％。在一优选的实例中，如图2所示，该氮化硅层3的横截面为矩形，高100nm、宽2μm，该高横纵比的波导结构可以保证1.55μm的光波在波导中实现单模传输，所述高横纵比是指波导宽度远大于波导厚度。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过采用高横纵比的氮化硅波导结构，其低波导传输损耗使微环谐振腔具有高Q值，可以检测到更加微弱的转动信号，使谐振式陀螺仪光波导芯片具有高灵敏度
下面进一步结合附图来详细介绍本发明的谐振式陀螺仪光波导芯片的光路和工作原理。
如图4所示，陀螺仪的检测原理是基于光学Sagnac效应。从光路上M点发出的两束光，一束沿光路顺时针方向传播，另一路沿光路逆时针方向传播，各自绕行一周后返回到M点。如果光路系统相对惯性空间是静止的，则两束光走过完全相同的光程，返回M点时相位差为0。如果光路系统相对惯性空间沿顺时针方向旋转，从M点发出的两束光再绕行期间，光路上的M点移动到M’位置，则沿逆时针方向传播的光绕行不到一周就到达M点，顺势正方向传播的光绕行超过一周才到达M点，两束光到达M点的光程不相等，这个光程差可以表示为：
ΔL＝4AΩ/c
根据微环谐振腔的谐振特性，微环谐振腔腔长与谐振频率之间的关系如下：
f＝p*c/L
其中，L微环谐振腔腔长，c为真空中光速，
因此我们可知，当陀螺仪转动，其两束输出光会产生一个谐振频率差，
Δf＝4AΩ/nLλ
A为微环谐振腔闭合面积，n为光路有效折射率，L为微环谐振腔长度，λ为真空中波长。通过检测这个谐振频率差，经过换算就可以得到陀螺的旋转角速度。
谐振式集成光学陀螺仪的极限灵敏度主要取决于探测器的散粒噪声，具体关系如下：
δΩmin＝cλδi/2L2iD(δT/δφ)
其中q为基本电荷量，iD为光电探测器的最大电流，kB为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，RL为光电探测器负载电阻，RIN为激光器相对强度噪声，B为探测器带宽。Φ为光传输一周的总相位变化。τ为光传输一周的总损耗值，Υ＝taτ。
固定其它参数，随着环内损耗的增加，陀螺仪的极限灵敏度不断增加，性能恶化，如图5所示。因此本发明的谐振式陀螺仪光波导芯片借助氮化硅波导微环谐振腔301较小的传输损耗，可以极大地提高陀螺仪的检测精度。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，采用的陀螺仪的全光结构，使得该陀螺仪体积小，价格低廉，抗冲击，对加速度不敏感，抗电磁干扰能力强。
本实施例中，如图1所示，输入模斑转换器101和输出模斑转换器103均为一宽度渐变增大的波导，两者的窄波导端均与光纤相连，宽波导端均与直波导102尺寸匹配，通过宽度渐变实现直波导102与光纤的高效耦合。在一实例中，输入模斑转换器101和输出模斑转换器103的起始宽度(光入射端)为180nm，长度为220μm，可以满足与绝大多数保偏光纤的高耦合比。
本发明谐振式陀螺仪光波导芯片中各部件的尺寸设置也可以根据实际需要进行适应性调整，不局限于上述实施例所示。
根据本发明的另一个发明，提供了一种新型谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，如图6所示，该方法包括：
S21，在SOI基片的顶层硅上制作脊形光波导芯区；
S22，在脊形硅波导芯区沉积二氧化硅层，并进行研磨抛光使二氧化硅层表面平整；
S23，在二氧化硅层表面沉积高横纵比结构的氮化硅并借助使用光学光刻制作氮化硅微环谐振腔；
S24，在所述氮化硅层表面沉积二氧化硅上包层。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，通过将直波导制于SOI基片的顶层硅上，可以实现将激光器及探测器均集成在该谐振式陀螺仪光波导芯片上，实现器件的芯片级尺寸
进一步的，步骤S21包括如下子步骤：
S210，准备SOI基片并进行基片清洗。
具体的SOI基片进行清洗的过程如下：首先丙酮超声去除表面颗粒污染物，然后利用丙酮水浴加热，去除表面有机污染物，再用乙醇水浴加热去除残余丙酮，最后用去离子水反复冲洗，保证SOI基片的表面干净清洁。
S211，在清洗后的SOI基片上均匀涂覆一定厚度的电子束胶-负胶。
S212，采用电子束曝光技术对SOI基片表面上的电子束胶进行曝光，并进行显影、定影处理，留下输入模斑转换器、直波导、输出模斑转换器结构的胶层。
S213，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀部分高度的顶层硅，完成图形从电子束胶到SOI基片上的转移。
S214，将完成刻蚀的SOI基片放入丙酮溶液中水浴加热进行去胶处理，并用乙醇水浴加热去除残余丙酮，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到脊形光波导芯区结构。
步骤S22，具体为：在含有脊形光波导芯区结构的SOI基片表面借助低压化学气相沉积(LPCVD)沉积一定厚度的掺杂B、Ge或B、P的二氧化硅上包层；其中，B、Ge或B、P的掺杂是在生长过程中掺杂实现的。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，通过光波导之间的垂直耦合，可以实现对波导耦合间距的精确控制，再结合低压化学气相沉积方法沉积得到的二氧化硅层的表面起伏只有零点几纳米，可以极大的降低耦合器插入损耗。
在步骤S3中，为通过LPCVD方法在二氧化硅层表面生长一定厚度的氮化硅，并借助图形化工艺制备微环谐振腔，图形化工艺包括如下步骤：在掺杂二氧化硅层上涂覆光刻胶-正胶；
并利用接触式曝光工艺进行套刻对准曝光，以及进行显影、定影处理，在SOI基片的对应位置处留微环谐振腔；
利用ICP刻蚀氮化硅，这一步需要过刻以保证未被光刻胶保护的区域氮化硅被刻蚀干净，得到的器件结构的俯视图如图7所示。最后进行常规清洗，进行下一步工艺。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，通过采用高横纵比的氮化硅波导结构，其低波导传输损耗使微环谐振腔具有高Q值，可以检测到更加微弱的转动信号，使谐振式陀螺仪光波导芯片具有高灵敏度。
步骤S24中制备二氧化硅上包层的过程与步骤S22相同，此处不再进行赘述。
本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，采用的陀螺仪的全光结构，使得该陀螺仪体积小，价格低廉，抗冲击，对加速度不敏感，抗电磁干扰能力强。
综上所述，本发明提供了一种新型谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，该光波导芯片借助于微腔光学谐振效应，借助硅波导与氮化硅波导的垂直耦合结构，充分利用了硅波导的可集成和氮化硅波导的低损耗优势。波导垂直耦合结构的耦合间距较波导水平耦合控制更加精确，器件性能更加符合设计值。因此，该陀螺仪光波导芯片具有更加广袤的应用前景。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明谐振式陀螺仪光导芯片及其制备方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些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值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
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)

1.一种谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，包括：
SOI基片，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；所述顶层硅上制作有脊形硅波导芯区，所述脊形硅波导芯区包括：依次连接的输入模斑转换器、波导和输出模斑转换器；
二氧化硅层，位于所述脊形硅波导芯区上方；
氮化硅层，包括氮化硅微环谐振腔，位于所述二氧化硅层上方；
二氧化硅上包层，覆盖于所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片上方。
2.根据权利要求1所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述氮化硅微环谐振腔的波导芯层为高横纵比结构，所述高横纵比结构用以减小由于刻蚀导致的波导粗糙侧壁所带来的损耗。
3.根据权利要求1所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述波导为直波导或者弯曲波导。
4.根据权利要求1所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述氮化硅微环谐振腔位于所述波导形成的直线一侧，与所述脊形硅波导部分重叠，以实现与所述波导的光谐振耦合。
5.根据权利要求4所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所氮化硅微环谐振腔与所述波导通过垂直耦合实现倏逝波耦合。
6.根据权利要求1所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器均为宽度渐变增大的波导结构。
7.根据权利要求6所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器的窄波导端均与光纤连接，宽波导端均与所述波导连接，且宽波导端的尺寸均与所述波导的尺寸相匹配。
8.根据权利要求1所述的谐振式陀螺仪光波导芯片，其特征在于，所述SOI基片中埋氧层的厚度大于或等于2μm；所述二氧化硅层和二氧化硅上包层的材料均为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅；所述二氧化硅层的表面起伏为零点几纳米。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的谐振式陀螺仪光波导芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在SOI基片的顶层硅上制作脊形硅波导芯区；
在所述脊形硅波导芯区上方沉积二氧化硅层，并进行研磨抛光使所述二氧化硅层表面平整；
在所述二氧化硅层表面沉积高横纵比结构的氮化硅层并使用光学光刻制作氮化硅微环谐振腔；
在所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片表面沉积二氧化硅上包层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅层为采用低压化学气相沉积方法沉积得到。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109974681A (zh) * 2019-04-09 2019-07-05 东南大学 一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法
CN111399117A (zh) * 2020-04-30 2020-07-10 中国科学院半导体研究所 混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法
CN112284370A (zh) * 2020-12-18 2021-01-29 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） 光子集成片上激光陀螺及其制备方法
WO2021108580A1 (en) 2019-11-27 2021-06-03 Anello Photonics, Inc. Ring waveguide based integrated photonics optical gyroscope with gain tuning for enhanced performance
CN113280803A (zh) * 2021-05-19 2021-08-20 北京航空航天大学 一种敏感单元及光学陀螺仪
CN113820902A (zh) * 2021-09-09 2021-12-21 深圳大学 一种片上光源调制系统
CN114137659A (zh) * 2021-11-02 2022-03-04 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种微腔芯片及其制备方法
CN114413875A (zh) * 2021-12-16 2022-04-29 光子集成(温州)创新研究院 一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法
CN115267971A (zh) * 2022-08-10 2022-11-01 南京邮电大学 一种光子惯导芯片及其制备方法
TWI849803B (zh) * 2022-12-16 2024-07-21 美商阿內洛光電子公司 用於氮化矽波導中平滑側壁之預偏置遮罩與濕式蝕刻之處理流程

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3937578A (en) * 1974-02-11 1976-02-10 Raytheon Company Laser gyroscope
CN1595064A (zh) * 2004-06-18 2005-03-16 东南大学 用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺及其制备方法
CN101477225A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 北京航空航天大学 光学波导及其制作方法与微光学陀螺
CN101858745A (zh) * 2010-06-21 2010-10-13 中北大学 基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺
CN102147497A (zh) * 2011-03-25 2011-08-10 北京航空航天大学 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法
CN103869504A (zh) * 2014-03-31 2014-06-18 中北大学 基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法
CN108693602A (zh) * 2018-06-07 2018-10-23 上海理工大学 一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3937578A (en) * 1974-02-11 1976-02-10 Raytheon Company Laser gyroscope
CN1595064A (zh) * 2004-06-18 2005-03-16 东南大学 用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺及其制备方法
CN101477225A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 北京航空航天大学 光学波导及其制作方法与微光学陀螺
CN101858745A (zh) * 2010-06-21 2010-10-13 中北大学 基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺
CN102147497A (zh) * 2011-03-25 2011-08-10 北京航空航天大学 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法
CN103869504A (zh) * 2014-03-31 2014-06-18 中北大学 基于硅基光波导微环谐振腔的双层石墨烯电光调制器的制备方法
CN108693602A (zh) * 2018-06-07 2018-10-23 上海理工大学 一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. H. SCHMID: ""Mode Converters for Coupling to High Aspect Ratio Silicon-on-Insulator Channel Waveguides"", 《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》 *
费瑶 等: ""端面反射和超模损耗对波导环形谐振腔输出谱线的影响"", 《中国激光》 *
邹静慧: ""用于硅基光集成芯片与光纤耦合的光栅耦合器"", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109974681B (zh) * 2019-04-09 2021-01-26 东南大学 一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法
CN109974681A (zh) * 2019-04-09 2019-07-05 东南大学 一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法
EP4066333A4 (en) * 2019-11-27 2024-02-14 Anello Photonics, Inc. INTEGRATED RING WAVE GUIDE BASED OPTICAL PHOTONIC GYROSCOPE WITH GAIN TUNING FOR IMPROVED PERFORMANCE
WO2021108580A1 (en) 2019-11-27 2021-06-03 Anello Photonics, Inc. Ring waveguide based integrated photonics optical gyroscope with gain tuning for enhanced performance
CN111399117A (zh) * 2020-04-30 2020-07-10 中国科学院半导体研究所 混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法
CN112284370A (zh) * 2020-12-18 2021-01-29 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） 光子集成片上激光陀螺及其制备方法
CN113280803A (zh) * 2021-05-19 2021-08-20 北京航空航天大学 一种敏感单元及光学陀螺仪
CN113820902A (zh) * 2021-09-09 2021-12-21 深圳大学 一种片上光源调制系统
CN113820902B (zh) * 2021-09-09 2024-04-05 深圳大学 一种片上光源调制系统
CN114137659A (zh) * 2021-11-02 2022-03-04 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种微腔芯片及其制备方法
CN114413875A (zh) * 2021-12-16 2022-04-29 光子集成(温州)创新研究院 一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法
CN115267971A (zh) * 2022-08-10 2022-11-01 南京邮电大学 一种光子惯导芯片及其制备方法
CN115267971B (zh) * 2022-08-10 2024-03-26 南京邮电大学 一种光子惯导芯片及其制备方法
TWI849803B (zh) * 2022-12-16 2024-07-21 美商阿內洛光電子公司 用於氮化矽波導中平滑側壁之預偏置遮罩與濕式蝕刻之處理流程

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