CN112284370A - 光子集成片上激光陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成光学陀螺技术领域，特别涉及一种光子集成片上激光陀螺及其制备方法，光子集成片上激光陀螺包括：自上而下设置的电子集成层、光子集成层及衬底层；上层电子集成层采用SIP电学芯片；中层光子集成层采用异质集成；下层衬底层为硅片；光子集成层与电子集成层通过键合工艺完成电互连。光子集成片上激光陀螺的制备方法包括：在硅晶圆上制备楔形微环腔；制备氮化硅光波导并实现光互连；异质集成有源器件；在硅片的二氧化硅表层制备图形化金属实现电互连；集成SIP电学芯片。本发明提供的光子集成片上激光陀螺及其制备方法，解决了现有技术中存在的集成光学陀螺灵敏度较差，且集成度不高的技术问题。

Description

光子集成片上激光陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成光学陀螺技术领域，特别涉及一种光子集成片上激光陀螺及其制备方法。

背景技术

惯性技术不受外界干扰，完全利用自包含传感器从载体及其外部自然环境中感知的信息进行导航，是重要的导航领域技术手段之一，陀螺仪是惯性导航系统的重要核心组件。为了推进应对现代复杂战场强对抗和GPS拒止环境下的惯性导航能力建设，提高炮射自旋稳定弹药和高动态远程导弹等战术武器制导化应用需求，陀螺小型化和集成化是成为各国竞相发展的重要方向。现代技术发展为新型高精度微型陀螺技术方案提供了更多的选择，国内外研究的小型化目前比较有代表性的陀螺主要有：微半球谐振陀螺、MEMS陀螺、光学集成陀螺。在这三种小型化陀螺的结构中，微半球谐振陀螺存在核心振动部件的加工工艺、装调工艺要求较高，需要进一步发展。MEMS陀螺优势是小型化、集成化且现在处于高速发展阶段，但是精度提高到导航精度，还需要提升制作工艺及抗冲击性能等。

光学集成陀螺利用高品质因子光学微环腔作为核心敏感单元，是继激光陀螺和光纤陀螺之后，逐渐发展起来的一种新型固态集成陀螺，具有微型化、集成化、可大批量生产；启动速度快、测量能力不受限制；直接输出数字信号，以及对热和振动不敏感等优点，成为了光学陀螺的一个重要发展趋势。然而目前的集成光学陀螺灵敏度较差，且集成度不高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的集成光学陀螺灵敏度较差，且集成度不高的技术问题，提供了一种光子集成片上激光陀螺及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种光子集成片上激光陀螺，包括：自上而下设置的电子集成层、光子集成层及衬底层；

所述上层电子集成层采用SIP电学芯片；

所述中层光子集成层采用异质集成；

所述下层衬底层为硅片；所述光子集成层与所述电子集成层通过键合工艺完成电互连。

进一步的，所述SIP电学芯片包括：集成了PDH稳频、激光芯片驱动和声光调制芯片驱动电路的第一SIP芯片，集成了激光功率稳定、声光调制芯片驱动和光电探测芯片信号读出电路的第二SIP芯片，和集成了光电探测芯片信号读出、拍频信号处理和运算电路的第三SIP芯片；

所述光子集成层集成有电互联的窄线宽半导体激光芯片、声光调制芯片、相位调制芯片、光电探测芯片及传输波导；所述传输波导上集成分束器及耦合器；所述光子集成层集成还集成有光学微环腔，所述传输波导与所述光学微环腔耦合实现光互联。

进一步的，所述光学微环腔为楔形二氧化硅波导空气包层微环腔。

进一步的，所述光学微环腔上表面、楔面和下表面粗糙度小于1nm，Q值大于或等于10⁸量级；

所述光学微环腔自由谱宽为布里渊频移的整数倍。

进一步的，所述传输波导为氮化硅传输波导。

进一步的，所述传输波导的有效折射率与所述光学微环腔的折射率相等；

所述传输波导厚度为250nm。

进一步的，所述光学微环腔与所述传输波导的耦合方式为滑轮耦合；

所述传输波导的中心耦合部分环绕在所述光学微环腔外侧，所述传输波导的中心耦合部分的半径等于所述光学微环腔半径、耦合间距及所述传输波导宽度的一半之和；

所述传输波导的中心耦合部分通过外接圆弧波导与直波导连接；所述外接圆弧波导的半径与所述传输波导的中心耦合部分的半径相同。

进一步的，所述传输波导的中心耦合部分长度为200nm、耦合间距为3.8μm。

进一步的，所述窄线宽半导体激光芯片为InGaAs DBR激光芯片；

所述声光调制芯片为LiNbO₃声光调制芯片；

所述相位调制芯片为LiNbO₃相位调制芯片；

所述光电探测芯片为InGaAs PIN探测芯片。

本发明还提供了一种光子集成片上激光陀螺的制备方法，包括：在硅晶圆上制备楔形的光学微环腔；制备氮化硅光波导并实现光互连；异质集成有源器件；在硅片的二氧化硅表层制备图形化金属实现电互连；集成SIP电学芯片。

本发明提供的光子集成片上激光陀螺及其制备方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的光子集成片上激光陀螺及其制备方法，基于硅基光子集成工艺将激光陀螺光电微系统集成到一个硅芯片上。采用高品质因子二氧化硅楔形波导微环腔替代传统激光陀螺的玻璃腔体和分立反射镜，通过微环腔内产生的相向传输的受激布里渊激光进行拍频来感测旋转角速度。陀螺微系统中的窄线宽激光芯片、电光调制器、相位调制器和光电探测芯片等有源器件异质集成在硅片上，分束器、耦合器和传输波导等无源器件采用硅基工艺直接集成在硅片上，系统中的有源器件驱动、锁频、功率稳定、信号读出电路集成在SIP芯片中，然后倒装互连在硅片上。因此，本发明公开的光子集成片上激光陀螺及其制备方法既可以达到传统激光陀螺的性能，又能实现低成本、小尺寸、低功耗和小重量陀螺芯片，拓宽系统战术应用场景，提高系统在极端环境下的适应能力，同时本发明将光纤体系中的布里渊型激光引入到环形光学微腔系统中，在片上实现布里渊激光线宽压缩，大大提高激光陀螺灵敏度。

附图说明

图1 是本发明实施例提供的片上激光陀螺系统组成示意图；

图2是本发明实施例提供的又一片上激光陀螺结构示意图；

图3是本发明实施例提供的有源芯片异种集成硅片上的剖面结构示意图；

图4 是本发明实施例提供的氮化硅波导和微腔耦合结构示意图；

图5 是本发明实施例提供的楔形微环腔剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的集成光学陀螺灵敏度较差，且集成度不高的技术问题，提供了一种光子集成片上激光陀螺及其制备方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1-图4，本发明实施例提供了一种光子集成片上激光陀螺，包括：自上而下设置的电子集成层、光子集成层及衬底层。上层电子集成层采用SIP电学芯片；中层光子集成层采用异质集成；下层衬底层为硅片；光子集成层与电子集成层通过键合工艺完成电互连。

具体的，SIP电学芯片包括：集成了PDH稳频、激光芯片驱动和声光调制芯片驱动的第一SIP芯片7，集成了激光功率稳定、声光调制芯片驱动和光电探测芯片信号读出电路的第二SIP芯片8，和集成了光电探测芯片信号读出、拍频信号处理和运算电路的第三SIP芯片9。光子集成层集成有电互联的窄线宽半导体激光芯片3、声光调制芯片4、相位调制芯片5、光电探测芯片6及传输波导2。传输波导2上集成分束器及耦合器。光子集成层还集成有光学微环腔1，传输波导2与光学微环腔1耦合实现光互联。本发明实施例中，窄线宽半导体激光芯片3采用InGaAs DBR激光芯片、系统的激光波段优选为C波段；声光调制芯片4采用LiNbO₃声光调制芯片；相位调制芯片5采用LiNbO₃相位调制芯片；光电探测芯片6采用InGaAs PIN探测芯片。泵浦激光锁定到微腔谐振频率频优选Pound-Drever-Hall方案，功率稳定采用基于声光调制芯片的主动反馈方式。

本发明实施例中，参见图1-图4，光学微环腔1为楔形二氧化硅波导空气包层微环腔。光学微环腔1上表面、楔面和下表面粗糙度小于1nm，Q值大于或等于10⁸量级。光学微环腔1自由谱宽为布里渊频移的整数倍。光学微环腔1、传输波导2、耦合器和分束器一起采用硅基工艺制备在硅片17上。本方案采用湿法刻蚀工艺，相比于传统的干法刻蚀工艺，可以获得更加光滑的表面，减少光学微环腔1的表面散射损耗；楔形波导截面相比于传统的矩形波导截面可以增加内部模场与微腔表面距离，进一步减少表面散射损耗。选择二氧化硅材料，在于该材料在1550nm波段吸收损耗小，另外该材料的湿法刻蚀工艺成熟。因此，传统矩形波导二氧化硅微腔Q值一般为10⁵~10⁶，该方案可以将Q值提高2~3个数量级。

传输波导2为氮化硅传输波导；传输波导2的有效折射率与光学微环腔1的折射率相等；传输波导2的优选厚度为250nm。为了保证谐振腔中实现单TE基模传输（该模式损耗最小），与之耦合的波导需要保证单模传输；同时为了保证最高的耦合效率，传输波导2的有效折射率要等于谐振腔的折射率；为了同时满足这两个条件，选择折射率高于二氧化硅的氮化硅材料。

参见图5，光学微环腔1与传输波导2的耦合方式为滑轮耦合；传输波导2的中心耦合部分24环绕在光学微环腔1外侧，传输波导2的中心耦合部分24的半径R等于光学微环腔1半径、耦合间距及传输波导2宽度的一半之和。传输波导2的中心耦合部分24通过外接圆弧波导23与直波导连接，外接圆弧波导23的半径R与传输波导2的中心耦合部分24的半径R相同。控制传输波导2的中心耦合部分24长度，提高TE₀₀模式耦合效率，抑制TM₀₀模式耦合效率；本发明实施例中，传输波导2的中心耦合部分24长度为200nm、耦合间距为3.8μm。可以通过调节中心耦合部分24的波导长度控制TE₀₀和TM₀₀模式的耦合效率，有利于在谐振腔中实现单TE基模传输，降低传输损耗。

本发明提供的光子集成片上激光陀螺，外部电源通过SIP电学芯片的电学输入接口10输入，集成了PDH稳频、激光芯片驱动和声光调制芯片驱动电路的第一SIP芯片7 中的激光驱动部分输出直流到窄线宽半导体激光芯片3，产生两束窄线宽泵浦激光，通过传输波导2传输、分束和耦合以顺时针和逆时针耦合进入环形的光学微腔1。上路光束通过集成了PDH稳频、激光芯片驱动和声光调制芯片驱动电路的第一SIP芯片7利用基于相位调制芯片5、光电探测芯片6和窄线宽半导体激光芯片3的PDH稳频方案将窄线宽半导体激光芯片3的输出光频率锁定到光学微腔1的谐振频率；另一束光通过集成了激光功率稳定、声光调制芯片驱动和光电探测芯片信号读出电路的第二SIP芯片8与声光调制芯片将分光路激光中心频率偏移，避免系统进入闭锁区，两个分光路上通过集成了激光功率稳定、声光调制芯片驱动和光电探测芯片信号读出电路的第二SIP芯片8控制声光调制芯片4和光电探测芯片6以主动反馈的方式稳定激光功率，两束泵浦光沿着环形的光学微腔1相向传输分别产生两束反向的受激布里渊激光，通过传输波导2耦合拍频，然后经过光电探测芯片6进行光电转换，然后经集了成光电探测芯片信号读出、拍频信号处理和运算电路的第三SIP芯片9采集电信号，最后通过快速傅里叶变换处理将信号解算，通过信号输出接口11将信号输出。

实施例2

本实施例还提供了一种光子集成片上激光陀螺的制备方法，包括：

步骤1、在硅片17上制备楔形的光学微环腔1。

在硅片17上氧化生长的二氧化硅层19通过光刻和HF酸缓冲液湿法腐蚀形成楔形的光学微环腔芯层结构；通过Xe₂F气体刻蚀硅片19形成空气腔22，空气腔22包裹在楔形的光学微环腔芯层下表面。

步骤2、制备氮化硅传输波导并实现光互连。

采用等离子增强化学气相沉积设备生长250nm厚氮化硅，通过接触式紫外曝光和显影定义波导图形；再利用反应离子刻蚀机刻蚀出氮化硅传输波导；使用磷酸湿法腐蚀工艺去除表面残余氮化硅，采用有机清洗去除光刻胶，丙酮溶液超声清洗5min，然后放入异丙醇溶液超声清洗5min，之后重复上述步骤1~2次，直到完全清除表面光刻胶，放入去离子水中浸泡5min，氮气枪吹干。再使用原子层沉积系统生长一层二氧化硅，作为氮化硅传输波导包覆层，厚度为200nm。

氮化硅传输波导与光学微环腔1耦合方式为滑轮耦合，氮化硅传输波导环绕在光学微腔1外侧。中心耦合部分24的半径R等于光学微环腔1半径加耦合间距加上氮化硅传输波导宽度的一半，中心耦合部分24通过外接圆弧波导23与直波导连接，外接圆弧波导23的半径R与中心耦合部分24半径R相同。

步骤3、异质集成有源器件。

多颗有源芯片20均采用PonN结构，有源芯片20下方设置有AuSn预镀焊料16；利用硅光子异质单片集成工艺将有源芯片20集成在光学微环腔1所在的硅片17（硅晶圆）上，有源芯片20的缝隙中设置有二氧化硅填充料18。基于刻蚀挖坑、共晶植入、镀膜填充和套刻工艺等步骤，将不同材料体系的有源芯片20外延全结构植入光学微环腔1所在的硅片17上，通过紫外接触式光刻、III-V或者SiO₂刻蚀工艺制作有源芯片20的光波导21，并和氮化硅传输波导相连接，不同材料体系传输波导的对准通过套刻工艺实现，再通过紫外接触式光刻和电子束蒸发工艺制备有源芯片顶层P型电极15。

步骤4、在硅片17的二氧化硅表层制备图形化金属实现电互连。

通过紫外接触式光刻、电子束蒸发工艺和剥离工艺在硅片的二氧化硅层表面制备SIP电学芯片的电源输入接口10的金属焊盘、信号输出接口11的金属焊盘、SIP电学芯片供负极供电焊盘12，金属电极14为两层金属材料，底层厚度为200nm的镍或铬，表层为厚度为100nm的金。

步骤5、集成SIP电学芯片。

采用植金丝球热压工艺集成SIP电学芯片，利用引线键合设备在金丝末端产生金丝球，将25~75μm金丝通过打火杆瞬间的大电流使得金丝自身熔化，并在尾部形成金球。通过劈刀传递到金丝球的超声波能量使得金丝球与硅片17的金属焊盘间形成共晶层，形成互连，夹断金丝，在焊盘表面形成金丝球，用该方法依次在SIP电学芯片倒装互联焊盘13上植上金丝球。采用倒装贴片设备将硅片17的金属焊盘温度控制在300℃，将SIP电学芯片焊盘对准硅片贴装位置的焊盘，施加40~100N的压力，并保持300℃持续30秒，然后开始降温，降温器件保持压力，直至降到室温，撤掉压力；然后在倒装芯片四周填充环氧胶加固芯片；按照此工艺完成三颗电学芯片的集成贴装。

本发明实施例提供的光子集成片上激光陀螺及其制备方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的光子集成片上激光陀螺及其制备方法，基于硅基光子集成工艺将激光陀螺光电微系统集成到一个硅芯片上。采用高品质因子二氧化硅楔形波导微环腔替代传统激光陀螺的玻璃腔体和分立反射镜，通过微环腔内产生的相向传输的受激布里渊激光进行拍频来感测旋转角速度。陀螺微系统中的窄线宽激光芯片、电光调制器、相位调制器和光电探测芯片等有源器件异质集成在硅片上，分束器、耦合器和传输波导等无源器件采用硅基工艺直接集成在硅片上，系统中的有源器件驱动、锁频、功率稳定、信号读出电路集成在SIP芯片中，然后倒装互连在硅片上。因此，本发明实施例公开的光子集成片上激光陀螺及其制备方法既可以达到传统激光陀螺的性能，又能实现低成本、小尺寸、低功耗和小重量陀螺芯片，拓宽系统战术应用场景，提高系统在极端环境下的适应能力，同时本发明实施例将光纤体系中的布里渊型激光引入到环形光学微腔系统中，在片上实现布里渊激光线宽压缩，大大提高激光陀螺灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子集成片上激光陀螺，其特征在于，包括：自上而下设置的电子集成层、光子集成层及衬底层；

上层所述电子集成层采用SIP电学芯片；

中层所述光子集成层采用异质集成；

下层所述衬底层为硅片；所述光子集成层与所述电子集成层通过键合工艺完成电互连。

2.根据权利要求1所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述SIP电学芯片包括：集成了PDH稳频、激光芯片驱动和声光调制芯片驱动电路的第一SIP芯片，集成了激光功率稳定、声光调制芯片驱动和光电探测芯片信号读出电路的第二SIP芯片，和集成了光电探测芯片信号读出、拍频信号处理和运算电路的第三SIP芯片；

所述光子集成层集成有电互联的窄线宽半导体激光芯片、声光调制芯片、相位调制芯片、光电探测芯片及传输波导；所述传输波导上集成分束器及耦合器；所述光子集成层集成还集成有光学微环腔，所述传输波导与所述光学微环腔耦合实现光互联。

3.根据权利要求2所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述光学微环腔为楔形二氧化硅波导空气包层微环腔。

4.根据权利要求3所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述光学微环腔上表面、楔面和下表面粗糙度小于1nm，Q值大于或等于10⁸量级；

所述光学微环腔自由谱宽为布里渊频移的整数倍。

5.根据权利要求2所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述传输波导为氮化硅传输波导。

6.根据权利要求5所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述传输波导的有效折射率与所述光学微环腔的折射率相等；

所述传输波导厚度为250nm。

7.根据权利要求2所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述光学微环腔与所述传输波导的耦合方式为滑轮耦合；

所述传输波导的中心耦合部分环绕在所述光学微环腔外侧，所述传输波导的中心耦合部分的半径等于所述光学微环腔半径、耦合间距及所述传输波导宽度的一半之和；

所述传输波导的中心耦合部分通过外接圆弧波导与直波导连接；所述外接圆弧波导的半径与所述传输波导的中心耦合部分的半径相同。

8.根据权利要求7所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述传输波导的中心耦合部分长度为200nm、耦合间距为3.8μm。

9.根据权利要求2-8任一项所述的光子集成片上激光陀螺，其特征在于，所述窄线宽半导体激光芯片为InGaAs DBR激光芯片；

所述声光调制芯片为LiNbO₃声光调制芯片；

所述相位调制芯片为LiNbO₃相位调制芯片；

所述光电探测芯片为InGaAs PIN探测芯片。

10.一种权利要求1-9任一项所述的光子集成片上激光陀螺的制备方法，其特征在于，包括：在硅晶圆上制备楔形的光学微环腔；制备氮化硅光波导并实现光互连；异质集成有源器件；在硅片的二氧化硅表层制备图形化金属实现电互连；集成SIP电学芯片。

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