CN112833872A - 基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。本发明提供的集成光学芯片具有导波、起偏、分束、合束、相位调制等多种功能，通过制作成阵列式波导光路实现了三轴光纤陀螺的多个光器件的高度集成，并采用阵列式的光纤耦合结构实现了集成光学芯片的组装。采用本发明提供的方案，三轴光纤陀螺的光器件数量可以大幅减少，提升了三轴光纤陀螺系统的可靠性和总体性能、降低了制造成本和装配难度。本发明提供的集成光学芯片以退火质子交换波导为基础，因而兼具有传统铌酸锂波导器件的光学损耗低、热稳定性高、可靠性高、制备工艺成熟等显著特点，十分有利于提升集成光学组件的工程应用价值。

Description

基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件
技术领域
本发明可应用于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。
背景技术
惯性测量单元一般包含有三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，其中加速度计用于检测物体在载体坐标系中独立三轴的加速度信号，陀螺仪用于检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。惯性测量单元通过测量物体在三维空间中的角速度和加速度，解算出物体的姿态，因而在导航中用着十分重要的应用。
光纤陀螺仪是一种具有精度高、启动时间短、环境适应性强、可靠性高、成本低等多种显著优势的传感仪表，以其为核心元件的惯性测量单元可实现对物体的速度和姿态等信息的快速和精确的测量。
参考图1，所示为一个单轴的光纤陀螺仪的光路基本构造的示意性框图，包括：激光光源、光电探测器、光纤耦合器、Y波导调制器、传感光纤环。对于一套三轴光纤陀螺仪系统，现有技术一般是在单独装配好每一单轴光纤陀螺仪的光路基础上，再进行三轴系统的光路的装配。因此，在现有三轴光纤陀螺仪的技术方案及生产制造过程中，特别是涉及其中无源光纤器件和有源光电器件的光路搭建方面，存在着如下的问题。
首先，在现有的三轴光纤陀螺系统中，一般总共包含有3支光纤耦合器和3支Y波导调制器，即共计6支无源或有源的光器件。此外，两支光器件之间包含有1个光纤熔接点(光纤耦合器的输出光纤和Y波导调制器的输入光纤之间的熔接点)，且每支Y波导调制器包含3个光纤耦合点(1个输入端口和2个输出端口)。由此可见，每套三轴光纤陀螺系统一共包含3个光纤熔接点以及9个Y波导光纤耦合点。
在光纤陀螺仪的组装过程中，光纤熔接点和光纤耦合点是系统可靠性隐患的重点部位，这是因为：通过预热放电熔接的两根光纤存在着熔接点断裂失效的隐患，通过填充紫外胶水并进行紫外光曝光固化的光纤耦合点存在着开胶失效的隐患。熔接点数量和耦合点数量越多，则产品失效的隐患就越大。
其次，较多的光器件必然导致三轴光纤陀螺系统的总体成本难以降低。而且，在三轴光纤陀螺光路系统的组装过程中，由于装配复杂程度较高，工程技术人员的操作熟练度、合格率也很大程度地影响着系统的制造成本。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种可以基于波导光路实现多组的耦合器、起偏器、分束器、合束器、相位调制器等光器件在单一晶片上的多功能集成，且具有可靠性高、稳定性好、操作简便等特点的基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，包括：
铌酸锂基底晶片及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构，且每一组集成光学结构分别对应于一个单轴光纤陀螺仪的光信号处理；
每一组集成光学结构均包括：一组无源集成光学结构和一组有源集成光学结构；每一组无源集成光学结构为一个Y分支光波导，集成有导波、起偏、分束等多种无源光器件的功能；每一组有源集成光学结构由一个Y分支光波导及其金属电极构成，不仅集成有导波、分束、合束等多种无源光器件的功能，还具有电光相位调制的有源光器件的重要功能。所述无源集成光学结构包括二合一式的Y分支光波导，其输入端具有两个光波导端口；所述有源集成光学结构包括一分二式的Y分支光波导以及金属电极，在其输出端具有两个光波导端口；所述无源集成光学结构中的Y分支光波导的输出端与所述有源集成光学结构中的Y分支光波导输入端连通；
在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的两个端口分别可用于通过光纤与激光光源和光电探测器连接，从激光光源发出的光波经由Y分支光波导两个端口的其中之一进入Y分支光波导，经过光波导的起偏后，通过无源集成光学结构的Y分支光波导进入有源集成光学结构的Y分支光波导(进行光波的分束)；从传感光纤环返回的光波经由有源集成光学结构的Y分支光波导处干涉后，干涉光波在无源集成光学结构的Y分支光波导处进行分束，经由无源集成光学结构的Y分支光波导的另一个端口进入光电探测器(进行光信号的探测)；
在所述有源集成光学结构中，光波在Y分支光波导处按50:50的比例进行分束并分别进入Y分支光波导的两个分支中传输，金属电极通过线性电光效应对传输于Y分支光波导中的光波的相位进行调制，Y分支光波导的两个端口分别与传感光纤环的两端连接，形成顺时针绕行的光波和逆时针绕行的光波，顺时针绕行和逆时针绕行的两束光波在返回后，在所述有源集成光学结构中的Y分支光波导处发生干涉并形成干涉光波。
其中，述铌酸锂基底晶片为X切的光学级晶片，具有线性电光效应，可用于制作以波导光路为基础的无源集成光学结构和有源集成光学结构。所述铌酸锂基底晶片的厚度不小于0.5mm，长度在10mm～80mm。
其中，铌酸锂基底晶片的长度为20mm～25mm；厚度为1.0mm以获得晶片端面与光纤端面之间较好的耦合粘接强度。
其中，在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L1，Y分支光波导的开口间距为D1，相邻Y分支光波导之间的间距为S1，Y分支光波导的开口角度θ1≈2tan-1(D1/2/L1)；
在所述有源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L2，Y分支光波导的开口间距为D2，相邻Y分支光波导之间的间距为S2，Y分支光波导的开口角度θ2≈2tan-1(D2/2/L2)。
其中，所述有源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数L2、D2、S2、θ2与无源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数保持相同，即L1＝L2、S2＝D2＝S1＝D1且θ2＝θ1。
其中，所述无源集成光学结构中Y分支光波导的开口间距为D1不小于50μm，开叉角度θ1不小于0.5°。
其中，所述无源集成光学结构和所述有源集成光学结构中的光波导均采用退火质子交换制造工艺制备所得。退火质子交换工艺是本领域工程技术人员所熟悉的技术，在此不做详细描述。
制作退火质子交换光波导时的氧化物薄膜掩膜或金属薄膜掩膜的开口宽度在1.0μm～10.0μm，所形成的光波导的1/e2模场直径在1.0μm～10.0μm。
其中，所述金属电极由调制电极、过渡电极、电极焊盘三部分组成，
其中：所述调制电极对传输于Y分支光波导中的光波进行相位调制，所述电极焊盘与封装管壳上的引线管脚或电路板通过金丝键合以实现电信号的连通，所述过渡电极用以连通调制电极与电极焊盘；所述调制电极放置于有源集成光学结构中的Y分支光波导处，放置于光波导上方的两侧，形成推挽式结构；所述电极焊盘放置于所述铌酸锂基底晶片的同一侧，或者放置于所述铌酸锂基底晶片的两侧。
其中，构成所述金属电极的金属薄膜材料为铬-金双层金属薄膜或钛-金双层金属薄膜，其中铬薄膜或钛薄膜的作用为提高金薄膜与铌酸锂晶片表面之间的粘附性。铬薄膜或钛薄膜的厚度在10nm～200nm，金薄膜的厚度在0.1μm～10μm。优选的，金薄膜的厚度在0.3μm～1μm。
所述铌酸锂基底晶片共包含3组无源集成光学结构和3组有源集成光学结构，其中每一组无源集成光学结构和有源集成光学结构是连通的，对应着每一个单轴光纤陀螺的角速度传感光信号的处理。
为减小背向反射，所述铌酸锂基底晶片的端面抛光为一定的倾斜角度，优选为80°±1°(或100°±1°)。
其中，所述铌酸锂基底晶片的两个端面处分别放置一个光纤晶体载块，所述光纤晶体载块在表面预先制作有6个沟槽或在中心预先制作有6个圆孔，作为放置光纤的通道，形成包含6个通道的光纤阵列，分别和所述无源集成光学结构的6个光波导端口耦合粘接，以及和所述有源集成光学结构的6个光波导端口耦合粘接。
所述光纤晶体载块可以是表面预先制作有V形、方形、半圆形等形状沟槽的方形或长方形晶体块，也可以是在中心预先制作有圆孔的圆形或D形晶体块。所述光纤晶体载块的材料可以是铌酸锂、钽酸锂、硅、玻璃、石英等，未作特别限定。每个光纤晶体载块共包括6个沟槽或6个圆孔，分别用于放置一根光纤，且光纤与沟槽或圆孔之间的空隙填充有紫外胶水并固化充分。
相邻沟槽或圆孔之间的间距Sg不小于50μm。优选的，间距Sg与无源集成光学结构或有源集成光学结构中的Y分支的开口间距S1和S2保持相同，即Sg＝S1＝S2。
在与所述无源集成光学结构的6个光波导端口耦合粘接的光纤晶体载块中，放置于其中的沟槽或圆孔中的光纤可以是保偏的单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。对于保偏单模光纤，其慢轴方向与所述铌酸锂基底晶片的X轴之间的对轴角度为0°或90°，优选的对轴角度为0°，即保偏光纤慢轴与所述铌酸锂基底晶片的X轴方向平行。
为获得光纤与光波导之间最佳的耦合效率，所述光纤晶体载块及放置于其中的光纤抛光成一定的倾斜角度，优选为105±1°(或75°±1°)。需要说明的是，对于80±1°的所述铌酸锂基底晶片的抛光角度，所述光纤晶体载块的抛光角度为105±1°；对于100±1°的所述铌酸锂基底晶片的抛光角度，所述光纤晶体载块的抛光角度为75±1°。
将所述光纤晶体载块中的各通道的光纤分别与所述无源集成光学结构或有源集成光学结构的各个光波导端口精密对准后，使用紫外胶水填充满铌酸锂基底晶片端面与所述光纤晶体载块端面之间的空隙，使用紫外光对紫外胶水曝光并固化充分，完成集成光学芯片的光纤耦合。
本发明还提供了一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，包括上述的基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，耦合粘接有光纤的集成光学芯片放置于封装管壳的底面上；封装管壳的同侧或两侧分别放置有引线管脚或电路板，和集成光学芯片上的各个电极焊盘通过键合金丝引线连接。所述封装管壳的基体材料可以是可伐合金、不锈钢、陶瓷等材料中的其中一种，未作特别限定。
与现有技术相比，本发明提供的集成光学芯片实现了导波、起偏、分束、合束、相位调制等多种功能的在铌酸锂晶片上的集成，且通过制作成阵列式结构进一步地实现了三轴光纤陀螺的多个光器件的单片高度集成。
如背景技术所述，三轴光纤陀螺的光路系统中包括有：3个光纤熔接点(光纤耦合器-Y波导)、6支光器件(3支光纤耦合器、3支Y波导)、9个Y波导光纤耦合点。采用本发明提供的方案，上述数量可以大幅地减少为：0光纤熔接点、1支光器件和2个光纤耦合点。光纤熔接点数量的减少、光纤耦合点数量的减少以及光器件数量的减少，对于提升三轴光纤陀螺系统的可靠性和总体性能、降低制造成本和装配难度，有着十分重要的意义。
与现有技术相比，本发明提供的光器件以退火质子交换光波导为基础，不仅通过波导光路在铌酸锂单一晶片上实现多种功能的高度集成，还兼具有传统铌酸锂光波导器件的光学损耗低、热稳定性高、可靠性高、制备工艺成熟等显著特点，十分有利于提升集成光学组件的工程应用价值。
附图说明
图1：现有技术中单轴光纤陀螺的光路结构的示意性框图；
图2：本发明提供的集成光学芯片的组成部分示意图；
图3：本发明提供的集成光学芯片的俯视结构示意图；
图4(a)：有源集成光学结构部分中光波导掩膜结构的横截面结构示意图；
图4(b)：有源集成光学结构部分中Y分支光波导处的横截面结构示意图；
图5：电极焊盘在两侧的集成光学芯片完整结构的俯视示意图；
图6：电极焊盘在同一侧的集成光学芯片完整结构的俯视示意图；
图7：现有技术中Y波导调制器的光纤耦合结构示意图；
图8：本发明提供的集成光学芯片的光纤耦合结构示意图；
图9：光纤晶体载块及沟槽的部分区域示意图；
图10：本发明提供的集成光学组件的第一实施例的结构示意图；
图11：本发明提供的集成光学组件的第二实施例的结构示意图；
图12：本发明提供的集成光学组件的第三实施例的结构示意图；
图13：本发明提供的集成光学组件的第四实施例的结构示意图；
图中：1、铌酸锂基底晶片；2A、第一组集成光学结构；2B、第二组集成光学结构；2C、第三组集成光学结构；2A-1、第一组无源集成光学结构；2B-1、第二组无源集成光学结构；2C-1、第三组无源集成光学结构；2A-2、第一组有源集成光学结构；2A-2-1、第一组有源集成光学结构中的Y分支光波导；2A-2-2、第一组有源集成光学结构中的调制电极；2A-2-3、第一组有源集成光学结构中的过渡电极；2A-2-4、第一组有源集成光学结构中的电极焊盘；2B-2、第二组有源集成光学结构；2B-2-1、第二组有源集成光学结构中的Y分支光波导；2B-2-2、第二组有源集成光学结构中的调制电极；2B-2-3、第二组有源集成光学结构中的过渡电极；2B-2-4、第二组有源集成光学结构中的电极焊盘；2C-2、第三组有源集成光学结构；2C-2-1、第三组有源集成光学结构中的Y分支光波导；2C-2-2、第三组有源集成光学结构中的调制电极；2C-2-3、第三组有源集成光学结构中的过渡电极；2C-2-4、第三组有源集成光学结构中的电极焊盘；3、掩膜；4、光纤晶体载块；4-1、沟槽；5、光纤；5-1、光纤包层；5-2、光纤涂覆层；6、封装管壳；6-1、引线管脚；7、键合金丝；8、封装基板；9、电路板；9-1、电路板衬底；9-2、电路板电极。
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。
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。
实施例1
参考图2，所示为本发明的提出的集成光学芯片的一种实施例结构示意图，包括：铌酸锂基底晶片1，及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构2，分别为第一组集成光学结构2A、第二组集成光学结构2B、第三组集成光学结构2C。
每一组集成光学结构，均包括：一组无源集成光学结构2A-1、2B-1、2C-1，和一组有源集成光学结构2A-2、2B-2、2C-2。
每一组无源集成光学结构2A-1、2B-1、2C-1均为一个基于退火质子交换光波导的Y分支结构，集成有导波、起偏、分束等多种无源光器件的功能；
每一组有源集成光学结构2A-2、2B-2、2C-2均由一个基于退火质子交换光波导的Y分支结构2A-2-1、2B-2-1、2C-2-1及相应的电极结构组成。该集成光学结构除了集成有导波、分束、合束等多种无源光器件的功能外，还具有电光相位调制的有源光器件的重要功能。
每一组无源集成光学结构中的两个光波导端口的其中一个可用于通过光纤与SLD或ASE等激光光源连接；两个光波导端口的另外一个可用于通过光纤与光电探测器连接；每一组有源集成光学结构的两个光波导端口分别用于与传感光纤环的两个端口连接。
铌酸锂基底晶片1采用光学级晶体材料，晶体切向为X切，即光波沿铌酸锂基底晶片1的Y轴方向或Z轴方向传输。铌酸锂基底晶片1的厚度不小于0.5mm。考虑到晶片与光纤之间的粘接面积和粘接强度，铌酸锂基底晶片1的厚度优选为1.0mm。铌酸锂基底晶片1的长度在10mm～80mm，优选的长度为20mm～25mm。
构成每一组无源集成光学结构2A-1、2B-1、2C-1和每一组有源集成光学结构2A-2、2B-2、2C-2中的光波导均采用退火质子交换工艺制作所得。参考图3，所示为构成无源集成光学结构和有源集成光学结构的Y分支光波导结构的进一步说明图。
在无源集成光学结构中，Y分支的弯曲部分长度为L1，Y分支的开口间距为D1，相邻Y分支之间的间距为S1，Y分支的开叉角度θ1≈2tan-1(D1/2/L1)。Y分支的开口间距为D1不小于50μm，优选为82μm～500μm。相邻Y分支之间的间距S1不小于50μm，优选为与Y分支的开口间距为D1保持相同的数值，即S1＝D1。Y分支的开叉角度θ1不小于0.5°。
在有源集成光学结构中，Y分支的弯曲部分长度为L2，Y分支的开口间距为D2，相邻Y分支之间的间距为S2，Y分支的开叉角度θ2≈2tan-1(D2/2/L2)。Y分支的开口间距为D2不小于50μm，优选为82μm～500μm。相邻Y分支之间的间距S2不小于50μm，优选为与Y分支的开口间距为D2保持相同的数值，即S2＝D2。Y分支的开叉角度θ2不小于0.5°。
进一步的，有源集成光学结构中Y分支的结构参数L2、D2、S2、θ2优选为与无源集成光学结构中Y分支的结构参数保持相同，即L1＝L2、S2＝D2＝S1＝D1且θ2＝θ1。
参考图4(a)和图4(b)，所示为有源集成光学结构中Y分支部分的横截面示意图。以第一组有源集成光学结构2A-2为例进行说明，其余两组有源集成光学结构2B-2、2C-2与第一组2A-2相同。
图4(a)所示为形成光波导2A-2-1的掩膜3横截面的示意图。掩膜开口处用于进行质子交换，其开口宽度W在1.0μm～10.0μm，所形成的光波导的1/e2模场直径在1.0μm～10.0μm。掩膜3可以是氧化物薄膜或金属薄膜，氧化物薄膜材料可以是氧化硅、氧化镁、氧化铝等，金属薄膜材料可以是铬、钛、铝等。优选的，掩膜3为二氧化硅薄膜。
图4(b)所示为光波导2A-2-1和调制电极2A-2-2的横截面示意图。调制电极2A-2-2放置于光波导2A-2-1的上方的左右两侧，构成推挽式电极结构。调制电极2A-2-2的间距G在5.0μm～15.0μm，优选为6.0μm～10.0μm。
参考图5，所示为构成三组集成光学结构2A、2B、2C中的电极结构的完整示意。以第一组集成光学结构2A为例，电极结构由调制电极2A-2-2、过渡电极2A-2-3、电极焊盘2A-2-4三部分组成，其中调制电极2A-2-2对传输于光波导2A-2-1中的光波进行相位调制，电极焊盘2A-2-4与封装管壳上的引线管脚或电路板通过金丝键合以实现电信号的连通，过渡电极2A-2-3用以连通调制电极2A-2-2与电极焊盘2A-2-4。
构成调制电极2A-2-2、过渡电极2A-2-3和电极焊盘2A-2-4的金属薄膜材料为铬-金双层金属薄膜或钛-金双层金属薄膜，其中铬薄膜或钛薄膜的作用为提高金薄膜与铌酸锂基底晶片1表面之间的粘附性。铬薄膜或钛薄膜的厚度t1在10nm～200nm，金薄膜的厚度t2在0.1μm～10μm。优选的，金薄膜的厚度t2在0.3μm～1μm。
对于第二组集成光学结构2B和第三组集成光学结构2C，其电极结构与第一组的构成是相同的。
对于三组有源集成光学结构2A-2、2B-2、2C-2，其三组电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4可以放置于铌酸锂基底晶片1的同一侧，也可以放置于铌酸锂基底晶片1的两侧。如图5，为三组电极焊盘分别放置于铌酸锂基底晶片1的两侧的情况。
为减小背向反射，铌酸锂基底晶片1的端面抛光为一定的倾斜角度，参考图3，其中α为此倾斜角度。优选的倾斜角度α为80°±1°。需要说明的是，该倾斜角度α也可以是100°±1°。
实施例2
参考图6，所示为本发明提出的集成光学芯片的另外一种实施例结构示意图。本实施例所提供的是三组有源集成光学结构2A-2、2B-2、2C-2中的电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4分别放置于铌酸锂基底晶片1的同一侧的情况。其余结构与实施例一所提供的相同，在此不再做详细描述。
实施例3
参考并对比图7和图8。图7所示出的是现有技术中Y波导调制器的光纤耦合结构的示意图，图8所示为本发明提供的集成光学芯片的光纤耦合结构的示意图。可以看出，若采用如图7所示的现有技术中的各光波导端口独立耦合粘接的方式，则本发明所提供的集成光学芯片需进行12次独立的光纤耦合粘接，不仅实施起来十分复杂，也容易因其中一个光波导端口的光纤耦合问题而引起整个集成光学组件的失效。
铌酸锂基底晶片1的两个端面处放置有光纤晶体载块4。光纤晶体载块4可以是表面预先制作有沟槽4-1的方形或长方形的晶体块，也可以是中心预先制作有圆孔4-2的圆形或D形的晶体块。沟槽4-1的形状可以是方形、V形、半圆形等。沟槽4-1或圆孔4-2用于放置光纤5。
光纤晶体载块4的材料可以是铌酸锂、钽酸锂、硅、玻璃、石英等，未作特别限定。本实施例优选使用铌酸锂晶体。
本实施例所提供的是方形的沟槽4-1的情况，以此为例对光纤耦合方法进行说明，但并不构成对本发明所提供的光纤耦合方法的实施方式的限定。采用V形、半圆形等形状的沟槽4-1的方形或长方形的光纤晶体载块4，或采用中心开有圆孔4-2的圆或D形的光纤晶体载块4，都可应用本发明所提供的光纤耦合方法。
图9所示为光纤晶体载块4的结构示意图。光纤晶体载块4的表面形成有6个方形的沟槽4-1，对应着无源集成光学结构或有源集成光学结构中的6个光波导端口。沟槽4-1的宽度Wg为60μm～140μm、深度Hg在40μm～140μm，沟槽4-1的角度γ在90°～135°。优选的，沟槽4-1的宽度Wg为80μm～100μm、深度在60μm～90μm，角度γ在90°～100°。
相邻沟槽或圆孔之间的间距Sg不小于50μm。优选的，相邻沟槽4-1之间的间距Sg与无源集成光学结构或有源集成光学结构中的Y分支的开口间距为S1和S2保持相同，即Sg＝S1＝S2。
光纤晶体载块4每个的沟槽4-1内分别放置有一根光纤5，其包层5-1放置于沟槽4-1内，涂覆层5-2放置于沟槽4-1外。沟槽4-1与光纤包层5-1之间的空隙，填充满紫外固化胶水并使用紫外光曝光照射以充分固化胶水。待6根光纤分别放置入相应的沟槽中并填充紫外胶水且固化充分后，对光纤晶体载块4及光纤5的端面一起进行研磨抛光，形成多通道的光纤阵列。
本发明实施例也可根据需要，在光纤晶体载块4的上表面增加一个晶体盖板，以增强光纤的机械强度。
光纤晶体载块4及光纤5的端面需要抛光形成一定的倾斜角度β，以获得光纤与铌酸锂光波导之间的最佳耦合效率。优选的抛光角度β为105°±1°。
需要说明的是，对于铌酸锂基底晶片1的抛光斜角度α为100°±1°的情况，光纤晶体载块4优选的抛光角度β为75°±1°。
光纤5可以采用保偏的单模光纤或非保偏的单模光纤。对于保偏的单模光纤，其慢轴方向与铌酸锂基底晶片1的X轴之间的对轴角度为0°或90°，优选的对轴角度为0°，即保偏单模光纤的慢轴与铌酸锂基底晶片1的X轴方向平行。
将光纤晶体载块4中的各通道的光纤5分别与所述无源集成光学结构或有源集成光学结构中的各个光波导端口精密对准后，使用紫外胶水填充满铌酸锂基底晶片1的端面与光纤晶体载块4的端面之间的空隙，使用紫外光对紫外胶水曝光并充分固化，完成集成光学芯片的光纤耦合。
实施例4
参考图10，所示为基于铌酸锂波导光路的集成光学组件的第一实施例结构，包括：集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5、封装管壳6、引线管脚6-1、键合金丝7。本实施例所涉及的集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5等组成部分的基本结构及光纤耦合结构以实施例1和实施例3为基础，在此不再作详细描述。
封装管壳6的基体材料为不锈钢或可伐合金。集成光学芯片的底面通过环氧树脂胶水或硅胶粘在封装管壳6的底部，引线管脚6-1分别放置于封装管壳6的两侧，每侧的引线管脚数量不少于3个，分别用于和集成光学芯片上同侧的电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4通过键合金丝7进行互连。键合金丝7的直径不小于25μm。
实施例5
参考图11，所示为基于铌酸锂波导光路的集成光学组件的第二实施例结构，包括：集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5、封装管壳6、引线管脚6-1、键合金丝7。本实施例所涉及的集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5等组成部分的基本结构及光纤耦合结构以实施例2和实施例3为基础。
参考图11，所示为集成光学组件的第二实施例的结构示意图。与实施例4的结构不同的是，本实施例中引线管脚6-1均放置于封装管壳6的同一侧，引线管脚数量不少于6个，分别用于和集成光学芯片上同侧的电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4进行键合金丝7互连。
实施例6
参考图12，所示为基于铌酸锂波导光路的集成光学组件的第三实施例结构，包括：集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5、封装基板8、电路板9、电路板衬底9-1、电路板电极9-2、键合金丝7。本实施例所涉及的集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5等组成部分的基本结构及光纤耦合结构以实施例1和实施例3为基础。
本实施例中电路板9分别放置于封装基板8的两侧，电路板电极9-2制作于电路板衬底9-1上，分别通过键合金丝7和集成光学芯片上同侧的电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4进行互连。
封装基板8的基体材料可以是不锈钢、可伐合金、陶瓷等材料的其中一种。
实施例7
参考图13，所示为基于铌酸锂波导光路的集成光学组件的第四实施例结构，包括：集成光学芯片、光纤晶体载块4、光纤5、封装基板8、电路板9、电路板衬底9-1、电路板电极9-2、键合金丝7。本实施例所涉及的集成光学芯片、光纤晶体载块3、光纤4等组成部分的基本结构及光纤耦合结构以实施例2和实施例3为基础。
与实施例六不同的是，本实施例中电路板9放置于封装基板8的同一侧，制作于电路板衬底9-1上的电路板电极9-2通过键合金丝7和集成光学芯片上的电极焊盘2A-2-4、2B-2-4、2C-2-4进行互连。
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 (12)

1.一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，包括：
铌酸锂基底晶片及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构，且每一组集成光学结构分别对应于一个单轴光纤陀螺仪的光信号处理；
每一组集成光学结构均包括：一组无源集成光学结构和一组有源集成光学结构；所述无源集成光学结构包括二合一式的Y分支光波导，其输入端具有两个光波导端口；所述有源集成光学结构包括一分二式的Y分支光波导以及金属电极，在其输出端具有两个光波导端口；所述无源集成光学结构中的Y分支光波导的输出端与所述有源集成光学结构中的Y分支光波导输入端连通；
在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的两个端口分别可用于通过光纤与激光光源和光电探测器连接，从激光光源发出的光波经由Y分支光波导两个端口的其中之一进入Y分支光波导，经过光波导的起偏后，通过无源集成光学结构的Y分支光波导进入有源集成光学结构的Y分支光波导；从传感光纤环返回的光波经由有源集成光学结构的Y分支光波导处干涉后，干涉光波在无源集成光学结构的Y分支光波导处进行分束，经由无源集成光学结构的Y分支光波导的另一个端口进入光电探测器；
在所述有源集成光学结构中，光波在Y分支光波导处按50:50的比例进行分束并分别进入Y分支光波导的两个分支中传输，金属电极通过线性电光效应对传输于Y分支光波导中的光波的相位进行调制，Y分支光波导的两个端口分别与传感光纤环的两端连接，形成顺时针绕行的光波和逆时针绕行的光波，顺时针绕行和逆时针绕行的两束光波在返回后，在所述有源集成光学结构中的Y分支光波导处发生干涉并形成干涉光波。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述铌酸锂基底晶片为X切的光学级晶片；所述铌酸锂基底晶片的厚度不小于0.5mm，长度为10mm～80mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述铌酸锂基底晶片的厚度为1.0mm，长度为20mm～25mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，
在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L1，Y分支光波导的开口间距为D1，相邻Y分支光波导之间的间距为S1，Y分支光波导的开口角度θ1≈2tan-1(D1/2/L1)；
在所述有源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L2，Y分支光波导的开口间距为D2，相邻Y分支光波导之间的间距为S2，Y分支光波导的开口角度θ2≈2tan-1(D2/2/L2)。
5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述有源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数L2、D2、S2、θ2与无源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数保持相同，即L1＝L2、S2＝D2＝S1＝D1且θ2＝θ1。
6.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述无源集成光学结构中Y分支光波导的开口间距为D1不小于50μm，开叉角度θ1不小于0.5°。
7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述金属电极由调制电极、过渡电极、电极焊盘三部分组成，
其中：所述调制电极对传输于Y分支光波导中的光波进行相位调制，所述电极焊盘用于与封装管壳上的引线管脚或电路板通过金丝键合以实现电信号的连通，所述过渡电极用以连通调制电极与电极焊盘；所述调制电极放置于有源集成光学结构中的Y分支光波导处，放置于光波导上方的两侧，形成推挽式结构；所述电极焊盘放置于所述铌酸锂基底晶片的同一侧，或者放置于所述铌酸锂基底晶片的两侧。
8.一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，其特征在于：包括如权利要求1所述的基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，耦合粘接有光纤的集成光学芯片放置于封装管壳的底面上；封装管壳的同侧或两侧分别放置有引线管脚或电路板，和集成光学芯片上的各个电极焊盘通过键合金丝引线连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，其特征在于，
所述铌酸锂基底晶片的两个端面处分别放置一个光纤晶体载块，所述光纤晶体载块在表面预先制作有6个沟槽或在中心预先制作有6个圆孔，作为放置光纤的通道，形成包含6个通道的光纤阵列，分别和所述无源集成光学结构的6个光波导端口耦合粘接，以及和所述有源集成光学结构的6个光波导端口耦合粘接。
10.根据权利要求9所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，其特征在于，所述光纤晶体载块中相邻沟槽或圆孔之间的间距Sg不小于50μm。
11.根据权利要求9所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，其特征在于，所述间距Sg与无源集成光学结构或有源集成光学结构中的Y分支的开口间距S1和S2保持相同，即Sg＝S1＝S2。
12.根据权利要求8所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学组件，其特征在于，对于80±1°的所述铌酸锂基底晶片的抛光角度，所述光纤晶体载块的抛光角度为105±1°；对于100±1°的所述铌酸锂基底晶片的抛光角度，所述光纤晶体载块的抛光角度为75±1°。
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