CN112859391A - 混合集成光电芯片以及光调制器、光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合集成光电芯片以及光调制器、光纤陀螺，所述混合集成光电芯片，包括具有线性电光效应的电光晶体基板和PLC光波导基板，所述电光晶体基板的光波导端面与PLC光波导基板的光波导端面连接；所述具有线性电光效应的电光晶体基板形成有用于光波传输和相位调制的波导和调制电极，所述调制电极的位置与用于相位调制的波导的位置相匹配；所述PLC光波导基板形成有用于光波分束与合束功能的波导。本发明提供的混合集成光电芯片以及基于此的光调制器可以有效地减少第一Y分支处产生的非对称模式光波向第二Y分支的重新耦合及其在电光晶体中的相位调制器中形成的寄生相位差，有利于提升干涉型光纤陀螺的零偏稳定性。

Description

混合集成光电芯片以及光调制器、光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种混合集成光电芯片以及光调制器。

背景技术

惯性技术是各类运动物体进行惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定等的核心技术，其中陀螺仪作为惯性测量系统的核心部件，用于测量运动物体的角位移和角速度，对惯性系统的性能有着关键的作用。基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺凭借其无运动部件、动态范围大、灵敏度高、抗电磁干扰、结构灵活等特点，以及与光通信器件兼容性强因而可实现批量生产的优势，在近年来得到了快速的发展和广泛的工程应用。

图1所示为现有干涉型光纤陀螺的光路基本结构，其主体是一个Sagnac干涉仪，由激光光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导调制器和光纤环圈等分立光电元器件构成的一个具有互异性的光路结构。为提高干涉型光纤陀螺的可靠性和集成度，本领域技术人员提供了一种基于双Y分支波导调制器的光纤陀螺技术方案，其基本光路结构如图2所示。其中，光纤耦合器的光波分束与合束功能通过波导耦合器实现，并将此波导耦合器与Y波导调制器制备于同一铌酸锂晶片上，构成双Y分支波导调制器，可以有效地减少干涉型光纤陀螺的光纤熔接点数量以及分立光电元器件的数量，进而提高光纤陀螺的集成度和可靠性。

采用双Y分支波导调制器的结构虽然有利于提升分立光电元器件的集成度，但由于光波在第一Y分支处会形成3dB分光，导致其中一半的光波会以非对称模式而非导波模式存在并辐射进入铌酸锂基底晶片。进一步的，一部分非对称模式光波经过基底晶片底边或侧边的反射或折射作用会重新耦合进入第二Y分支，引起具有不对称性的寄生光波，与在第二Y分支的两个传输臂上传输的导波模式光波相叠加进而产生寄生相位差。由于该寄生相位差对温度变化十分敏感，会严重地影响干涉型光纤陀螺的零偏稳定性。

因此，本发明要解决的问题便在于，减少双Y分支波导调制器中存在的寄生光波在第二Y分支处引起的相位差，减少其对干涉型光纤陀螺的零偏稳定性的影响。

发明内容

本发明的第一目的在于，提供一种混合集成光电芯片，通过将包含电光相位调制功能的光波导阵列与基于平面光波线路(PLC)的双Y分支波导耦合器连接，减少非对称模式光波所引起的寄生相位差，提高基于此混合集成光电芯片的干涉型光纤陀螺的传感精度。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供了一种混合集成光电芯片，包括具有线性电光效应的电光晶体基板和PLC光波导基板，所述电光晶体基板的光波导端面与PLC光波导基板的光波导端面连接；

所述具有线性电光效应的电光晶体基板形成有用于光波传输和相位调制的波导和调制电极，所述调制电极的位置与用于相位调制的波导的位置相匹配；

所述PLC光波导基板形成有用于光波分束与合束功能的波导；

其中，用于光波传输的波导通过用于光波分束与合束功能的波导与用于相位调制的波导连接。

其中，所述具有线性电光效应的电光晶体基板采用如下材料中的一种：铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅镧、磷酸氧钛钾。

其中，所述PLC光波导基板采用石英或硅基二氧化硅作为基板材料。

其中，所述用于光波传输和相位调制的波导和所述用于光波分束与合束功能的波导的结构采用如下结构的一种：

第一种波导结构：所述用于光波传输和相位调制的波导包括第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导；

所述用于光波分束与合束功能的波导包括并排放置的第一Y分支波导、第二Y分支波导和圆弧波导，第一Y分支波导和第二Y分支波导通过圆弧波导连接；

其中，第一Y分支波导的两臂分别与第一直波导和第二直波导相连接，第二Y分支波导的两臂分别与第三直波导和第四直波导相连接；

第二种波导结构：所述用于光波传输和相位调制的波导包括第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导；

所述用于光波分束与合束功能的波导包括第一Y分支波导、第二Y分支波导，所述第二Y分支波导包括两个圆弧波导、第一分支臂和第二分支臂，其中，第一Y分支波导的两臂分别与第二直波导和第三直波导相连接，第一Y分支波导通过两个圆弧波导分别与第一分支臂和第二分支臂连接，所述第一分支臂和第二分支臂分别与第一直波导和第四直波导相连接。

其中，在所述第一种波导结构中，调制电极的结构采用如下结构之一：

第一种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，并分别放置于第三直波导和第四直波导的两侧；

第二种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，且调制电极第一分支分别放置于第三直波导和第四直波导的正上方，调制电极第二分支放置于第三直波导和第四直波导的两侧；

在所述第二种波导结构中，调制电极的结构采用如下结构之一：

第三种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，并分别放置于第一直波导和第四直波导的两侧；

第四种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，且调制电极第一分支分别放置于第一直波导和第四直波导的正上方，调制电极第二分支放置于第一直波导和第四直波导的两侧。

其中，所述PLC光波导基板的端面上设置一层具有减少光反射功能的薄膜，且该侧端面为与连接电光晶体基板的端面相反的一端。

本发明的第二目的在于，基于上述的混合集成光电芯片，提供一种光调制器，包括上述混合集成光电芯片方案中的任一种以及与混合集成光电芯片连接的光纤阵列；

所述光纤阵列内设置有光纤，所述光纤的一端分别与所述第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导相连接。

其中，所述光纤阵列内放置4根光纤，即光纤一、光纤二、光纤三、光纤四，分别与电光晶体基板内的波导相连接，其中，所述光纤一、光纤二、光纤三、光纤四为保偏光纤或单模光纤。

其中，所述光纤阵列与电光晶体基板，所述电光晶体基板与PLC光波导基板均通过胶水粘接连接。

本发明的第三目的在于，基于上述的光调制器，提供一种光纤陀螺，包括上述光调制器方案中任一种以及与光调制器连接的激光光源、光电探测器和光纤环圈；

其中，光纤的另一端与激光光源、光电探测器和光纤环圈连接，且与光纤环圈连接的为保偏光纤，与激光光源、光电探测器连接的为保偏光纤或单模光纤。

与现有技术中的双Y分支波导调制器相比，本发明提供的混合集成光电芯片以及基于此的光调制器可以有效地减少第一Y分支处产生的非对称模式光波向第二Y分支的重新耦合及其在电光晶体中的相位调制器中形成的寄生相位差，有利于提升干涉型光纤陀螺的零偏稳定性，并且，本发明提供的光调制器具有光纤耦合数量少、制造工艺简单、器件可靠性高等优势。

附图说明

图1：现有技术中基于Y波导调制器的干涉型光纤陀螺仪的光路结构示意图；

图2：现有技术中基于双Y分支波导调制器的干涉型光纤陀螺的光路结构示意图；

图3：本发明所提供的混合集成光电芯片的第一实施方式结构示意图；

图4：本发明所提供的混合集成光电芯片中光波的传输路线示意图；

图5：现有技术中的双Y波导调制器芯片中光波的传输路线示意图；

图6：本发明所提供的光调制器的结构示意图；

图7：本发明所提供的混合集成光电芯片的第二实施方式结构示意图；

图8、图9：本发明所提供的混合集成光电芯片的第三实施方式结构示意图；

图10：基于本发明所提供的光调制器的干涉型光纤陀螺的光路结构示意图；

图中，各个标记本发明提供的集成组件所对应的名称分别为：200、电光晶体基板；1-现有技术中的Y波导调制器，2-现有技术中的双Y分支波导调制器，201、第一直波导；202、第二直波导；203、第三直波导；204、第四直波导；211、调制电极第一分支；212、调制电极第二分支；300、PLC光波导基板；301、第一Y分支波导；302、第二Y分支波导；301a、第一Y分支波导的第一分支臂；301b、第一Y分支波导的第二分支臂；302a、第二Y分支波导的第一分支臂；302b、第二Y分支波导的第二分支臂；311、第一圆弧波导；312、第二圆弧波导；313、第三圆弧波导；321、具有减少光反射功能的薄膜；400、光纤阵列；401、光纤一；402、光纤二；403、光纤三；404、光纤四；411、光纤端口一；412、光纤端口二；413、光纤端口三；414、光纤端口四；A、电光晶体基板200与光纤阵列400连接的端面；B、PLC光波导基板300的端面。

具体实施方式

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。

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，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”、“固定连接”、“铰接连接”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。

对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例一

如图3所示为本发明混合集成光电芯片的一种实施例结构示意图，为俯视结构。

具体地，本实施例中所提供的混合集成光电芯片包括有：电光晶体基板200、PLC光波导基板300、第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204、调制电极第一分支211、调制电极第二分支212、第一Y分支波导301、第二Y分支波导302、圆弧波导311。

其中，电光晶体基板200为具有线性电光效应的光学晶体，如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锆钛酸铅镧(PLZT)或磷酸氧钛钾(KTP)等。

在优选的实施例中，采用铌酸锂作为电光晶体基板200的构成材料。进一步地，电光晶体基板200采用X切或Y切的铌酸锂晶体。

其中，第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204为直条状的光波导，均制备于电光晶体基板200中。以铌酸锂晶体为例，本领域技术人员所熟知的光波导种类有钛扩散波导、退火质子交换波导、锌扩散波导、氧化锌扩散波导等。第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204可以选择上述几种制备技术中的任一种，或是若干种的组合。优选地，第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204均为退火质子交换波导。或者，第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204也可以是在电光晶体基板200上采用干法刻蚀、湿法腐蚀或光学精密切割等技术手段之一制作出的脊形凸起结构上制作的退火质子交换波导。

调制电极第一分支211和调制电极第二分支212放置于电光晶体基板200的上表面，并分别放置于第三直波导203和第四直波导204的两侧。通过对调制电极第一分支211和调制电极第二分支212施加以一定幅值的电信号可以在电光晶体基板200中形成电场分布并通过其线性电光效应对传输于第三直波导203和第四直波导204中的光波的相位进行调制。

需要说明的是，如图3所示，调制电极第一分支211放置于第三直波导203和第四直波导204的两侧的时候，调制电极第二分支212也可以放在两者之间，为一根或两根。

第一直波导201或第二直波导202仅用于对光波进行传输，并不进行相位调制，因此在第一直波导201处或第二直波导202处未放置调制电极，当然，也可以将第一直波导201或第二直波导202两侧放置调制电极，第三直波导203或第四直波导204不放置。

在本实施例中，如背景技术中所述的Y分支光波导的光波分束与合束功能则由形成于PLC光波导基板300中的第一Y分支波导301和第二Y分支波导302实现，形成于电光晶体基板200中的第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203和第四直波导204仅用于光波的传输和相位调制(直波导203和204)而并不参与光波的分束或合束作用。此外，由于形成于电光晶体基板200中的第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203和第四直波导204优选采用了退火质子交换光波导，因此第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204也用于实现对光波偏振态的过滤以得到高度线偏振光波，这一点是本领域技术人员所熟知的。

需要说明的是，铌酸锂晶体由于具有较大的线性电光效应，是制作光波导相位调制器的优秀材料，具有调制速率高、调制驱动电压低等显著的优势。但是，制作于铌酸锂晶体中的光波导具有较高的弯曲损耗，因此光波导允许的弯曲半径是较大的，一般在几个厘米，较小的弯曲半径往往会引起弯曲损耗的大幅增加。

基于石英或硅基二氧化硅材料的平面光波线路(PLC)光波导并不具备优越的电光调制性能，但却是无源光传输的理想介质材料。特别是，PLC光波导一方面具有很低的传输损耗，另一方面也允许弯曲半径小至2mm左右而不会引起弯曲损耗的大幅增加，因此可用于制作圆弧波导或是具有更多光器件功能集成的光波导结构，PLC光波导基板300采用石英或硅基二氧化硅作为基板材料。

因此，本发明所基于的构思便在于：将光波导相位调制器与双Y波导耦合器分置于两个不同材料的基板中，并利用PLC光波导的低弯曲损耗特点将两个Y分支光波导通过圆弧波导连接，使非对称模式光波的传输方向与导波模式光波的传输方向相反，减少非对称模式光波在第二个Y分支处的重新耦合。

PLC光波导基板300可使用本领域技术人员所熟知的光波导制备工艺如离子扩散或半导体制程工艺制作PLC光波导。

具体的，PLC光波导基板300包括有：第一Y分支波导301、第二Y分支波导302、圆弧波导311，其中，在PLC光波导基板300中，第一Y分支波导301、第二Y分支波导302通过圆弧波导311连接。

其中，形成于PLC光波导基板300中的第一Y分支波导301的两臂分别与形成于电光晶体基板200中的第一直波导201和第二直波导202相连接，形成于PLC光波导基板300中的第二Y分支波导302的两臂分别与形成于电光晶体基板200中的第三直波导203和第四直波导204相连接，第一Y分支波导301的两臂和第二Y分支波导302的两臂设置在PLC光波导基板300的同一侧。

由于电光晶体基板200与PLC光波导基板300是两块独立的晶体基板，因此基板200与基板300之间的连接是通过如下方式实现的：

首先，使用六维光纤精密调节架将形成于电光晶体基板200中的各直波导与形成于PLC光波导基板300中的两个Y分支波导对准；然后，使用紫外胶水将两个基板的端面进行粘接；最后，使用紫外灯对紫外胶水进行曝光、固化，完成两块基板的连接。

下面结合图4和图5对光波在混合集成光电芯片中的传输路线进行描述。参考对比图4和图5，其中图4为本发明所提供的混合集成光电芯片中光波的传输路径示意图，图5为现有双Y分支波导调制器芯片中光波的传输路径示意图。

具体地，图4左下方的实心箭头所示的是来自激光光源的入射光波，首先进入电光晶体基板200中的第一直波导201，第一直波导201的高起偏特性可对该入射光波的偏振态进行过滤并得到高度线偏振光。

进一步地，光波通过第一直波导201的传输进入PLC光波导基板300中的第一Y分支波导301的第一分支臂301a，在第一Y分支波导301中传输的光波会在该Y分支处被3dB分光，其中一半的光波会以导波模式进入圆弧波导311中继续传输，另一半的光波会形成非对称模式并辐射进入PLC光波导基板300中。在图4和图5中，实心箭头所示为导波模式光波的传输路径，虚线箭头为非对称模式光波的传输路径。

进一步地，在光波导中保持传输的导波模式光波经过圆弧波导311的传输，抵达了与第一Y分支波导301呈并排排布的第二Y分支波导302，并在该Y分支处分为两束光波分别进入第二Y分支波导302的第一分支臂302a和第二Y分支波导的第二分支臂302b中传输。

进一步地，两束光波经过PLC光波导基板300中的第二Y分支波导302的第二Y分支波导第一分支臂302a和第二Y分支波导第二分支臂302b的传输分别进入电光晶体基板200中的第三直波导203和第四直波导204中，并经过调制电极第一分支211和调制电极第二分支212之间所形成的电场对传输于第三直波导203和第四直波导204中的光波的相位进行调制。经过了相位调制的两束光波最终从第三直波导203和第四直波导204出射离开所述混合集成光电芯片。

对比图4和图5可以明显地看出，本发明所提供的混合集成光电芯片首先将双Y分支光波导放置于PLC光波导基板300中，进一步地利用PLC光波导的小弯曲半径特点将两个Y分支光波导301和302通过圆弧波导311的连接而实现了两个Y分支光波导301和302在PLC光波导基板300中的并排放置。然而，这一放置方式在现有的铌酸锂光波导调制器特别是现有的双Y分支波导调制器中是无法实现的。

在图5所示出的现有双Y分支波导调制器中，两个Y分支光波导一方面均制备于同一铌酸锂晶片中，另一方面则是分置于铌酸锂晶片的两侧。因此，在现有双Y分支波导调制器中，在第一Y分支处形成的非对称模式光波(图5中虚线箭头所示)会沿着原有的光波传输方向继续向前传输，因此该非对称模式光波经过铌酸锂晶片底边和侧边的反射、折射等作用会导致一部分非对称模式光波在第二Y分支上重新耦合，叠加至传输于第二Y分支的两臂中的光波并进一步形成寄生相位差，对干涉型光纤陀螺的零偏稳定性造成很大的影响。

从图4可以看出，在本发明所提供的混合集成光电芯片中，在第一Y分支波导301处形成的非对称模式光波(图4中虚线箭头所示)会沿着原光波的传输方向继续传输，直至抵达PLC光波导基板300的端面B。此外，继续在PLC光波导中传输的导波模式光波经过圆弧波导311的传输将光波的传输路线进行了180°的转弯，使得该光波与非对称模式光波的传输方向也存在着180°的反向，因此有效地减少了非对称模式光波向第二Y分支波导302的第二Y分支波导的第一分支臂302a和第二Y分支波导的第二分支臂302b的重新耦合，进而有效地减少了寄生相位差的产生。

为进一步减少非对称模式光波在PLC光波导基板300中的存在，可以在端面B处沉积一层具有减少光反射功能的薄膜321，如金属薄膜或增透介质薄膜(anti-reflectiondielectric coating)，通过金属薄膜的吸收作用或增透介质薄膜对光波透射的增强作用，减少非对称模式光波在端面B处的反射。

如图6所示，基于上述的混合集成光电芯片，本实施例提供了一种光调制器，包括有：所述混合集成光电芯片、光纤阵列400，上述的光纤阵列400也即是上述的光纤阵列。

在本实施例所提供的光调制器中，由于光波的输入和输出均位于混合集成光电芯片的同一端，即电光晶体基板200的端面A，因此选择光纤阵列(Fiber Array)的形式进行光纤与混合集成光电芯片各光波导的耦合粘接。

光纤阵列400是由石英、硅、玻璃、铌酸锂等材料的任一种构成的晶体块，优选使用石英材料的晶体块。光纤阵列400中放置有4根光纤，即光纤一401、光纤二402、光纤三403、光纤四404。光纤三403和光纤四404均为保偏光纤，用于通过光纤熔接与光纤陀螺仪中的保偏光纤环圈连接。光纤一401和光纤二402可以是保偏光纤，也可以是单模光纤，分别用于通过光纤熔接与激光光源或光电探测器连接。放置有光纤的光纤阵列400包括有4个光纤端口，即光纤端口一411、光纤端口二412、光纤端口三413、光纤端口四414，分别与电光晶体基板200中的第一直波导201、第二直波导202、第三直波导203、第四直波导204相连接。

光纤阵列400与电光晶体基板200的端面A之间的连接也使用紫外固化胶水粘接并进一步使用紫外灯对胶水进行曝光实现固化。

另外，本发明基于上述的光调制器，提供了一种光纤陀螺，特别是干涉型光纤陀螺。如图10所示，提供的一种干涉型光纤陀螺的光路结构，包括：激光光源501、光电探测器502、光纤环圈503。其中，激光光源501通过光纤与光纤一401(或光纤二402)连接，光电探测器502通过光纤与光纤二402(或光纤一401)连接，光纤环圈503的两根光纤分别与光纤三403和光纤四404连接。

需要说明的是，

从激光光源501发出的光波依次经过光纤一401、第一直波导201、第一Y分支中的分支臂301a的传输以及圆弧波导311的180°转向，在第二Y分支302中分为两束光波，并分别沿第三直波导203、光纤三403和第四直波导204、光纤四404的传输进入光纤环圈503，如图10中在光纤环圈503前箭头方向指向左侧的两束光波，并称其为“正向光波”。沿光纤三403进入光纤环圈503的光波沿顺时针方向在光纤环圈503中传输并进入光纤四404，沿光纤四404进入光纤环圈503的光波沿逆时针方向在光纤环圈503中传输并进入光纤三403，如图10中在光纤环圈503前箭头方向指向右侧的两束光波，并称其为“反向光波”。

两束“反向光波”分别经过光纤三403、第三直波导203和光纤四404、第四直波导204的传输，在第二Y分支302处进行合束。合束后的光波经过圆弧波导311的180°转向抵达第一Y分支301，并经过第一Y分支301的分束使其中的一部分光波沿分支臂301b、第二直波导202、光纤二402的传输，抵达光电探测器502。

当干涉型光纤陀螺沿光纤环圈的转轴转动时，在光纤环圈中传输的两束“反向光波”的相位会分别发生变化，进而两束“反向光波”在第二Y分支302处形成的合束光波的振幅也会发生相应的变化，并最终引起光电探测器的输出电信号发生变化。通过对调制电极分支201和202施加以适当幅值的电信号，可以解调出光纤陀螺的角速度信息。

与现有双Y分支波导耦合器需进行四次光纤耦合相比，本发明所提供的光调制器仅需进行两次光耦合，即光纤阵列与电光晶体基板200各直波导之间的耦合，以及电光晶体基板200各直波导与PLC光波导基板300中的两个Y分支光波导之间的耦合，缩减了两次光纤耦合，提升了干涉型光纤陀螺系统的传感精度、可靠性和操作便捷程度。

实施例二

如图7所示为本发明的第二实施例。

在本实施例中，调制电极的放置位置和第二Y分支的结构均做了改变：

第二调制电极第一分支211和调制电极第二分支212分别放置于第一直波导201和第四直波导204的两侧，用于对传输于第一直波导201和第四直波导204中的光波的相位进行调制。第二直波导202或第三直波导203未放置调制电极，仅用于对光波的传输，例如第二直波导202与激光光源连接而用于引入入射光波，第三直波导203与光电探测器连接而用于将光波引入光电探测器进行探测。

来自激光光源的入射光波经由第二直波导202进入电光晶体基板200，并进一步地通过第二直波导202进入PLC光波导基板300中的第一Y分支301的分支臂301a。

本实施例中的第二Y分支302由如下部分组成：

两个圆弧波导312、313，第二Y分支波导的第一分支臂302a、第二Y分支波导的第二分支臂302b。与实施例一不同，本实施例所包含的第二Y分支302是由两个圆弧波导312、313组成，并分别与第二Y分支波导的第一分支臂302a、第二Y分支波导的第二分支臂302b连接。因此，来自于第一Y分支301的光波首先在第二Y分支302分为两束光波，并分别通过圆弧波导312的顺时针传输和圆弧波导313的逆时针传输实现了光波传输方向的180°转弯。进一步地，两束光波分别通过第二Y分支波导的第一分支臂302a、第二Y分支波导的第二分支臂302b的传输，进入电光晶体基板200中的第一直波导201和第四直波导204。光波在第二Y分支波导的第一分支臂302a、第二Y分支波导的第二分支臂302b和第一直波导201、第四直波导204中均沿着相同的方向传输。上述光波传输路径在图5中由实心箭头所示。

类似地，基于本实施例的混合集成光电芯片的光调制器中，与第二直波导202连接的光纤二402与激光光源连接，与第三直波导203连接的光纤三403与光电探测器连接，与第一直波导201、第四直波导204连接的光纤三403和光纤四404与光纤陀螺仪中的光纤环圈连接。

实施例三

如图8和图9所示，为本发明的第三实施例。

在本实施例中，电光晶体基板200采用Z切的铌酸锂晶体。为利用Z切铌酸锂晶体的最大电光系数r33，调制电极的其中一个分支需放置于光波导的正上方，另一个分支则放置于该调制电极分支的一侧。在图8中，调制电极第一分支211放置于第三直波导203和第四直波导204的正上方，第三直波导203和第四直波导204之间放置一个调制电极第二分支212，也可以放置两个调制电极第二分支212，当然，调制电极第二分支212，也可分别放置在第三直波导203和第四直波导204另一侧。

在图9中，调制电极第一分支211放置于第一直波导201和第四直波导204的正上方。调制电极第二分支212放置于调制电极第一分支211的侧方，用以在电光晶体基板200中形成含有沿竖直方向分量的电场分布。

为了降低调制电极特别是放置于光波导正上方的调制电极分支对光波导中传输的光波的光能量吸收，可以在电光晶体基板200的上表面设置一层缓冲层薄膜，用以隔离开光波导及其正上方的调制电极分支。构成缓冲层薄膜的可以是氧化硅、氮化硅、氧化铝等非金属材料。

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 (10)

1.一种混合集成光电芯片，其特征在于，

包括具有线性电光效应的电光晶体基板和PLC光波导基板，所述电光晶体基板的光波导端面与PLC光波导基板的光波导端面连接；

所述具有线性电光效应的电光晶体基板形成有用于光波传输和相位调制的波导和调制电极，所述调制电极的位置与用于相位调制的波导的位置相匹配；

所述PLC光波导基板形成有用于光波分束与合束功能的波导；

其中，用于光波传输的波导通过用于光波分束与合束功能的波导与用于相位调制的波导连接。

2.根据权利要求1所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述具有线性电光效应的电光晶体基板采用如下材料中的一种：铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅镧、磷酸氧钛钾。

3.根据权利要求1所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述PLC光波导基板采用石英或硅基二氧化硅作为基板材料。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述用于光波传输和相位调制的波导和所述用于光波分束与合束功能的波导的结构采用如下结构的一种：

第一种波导结构：所述用于光波传输和相位调制的波导包括第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导；

所述用于光波分束与合束功能的波导包括并排放置的第一Y分支波导、第二Y分支波导和圆弧波导，第一Y分支波导和第二Y分支波导通过圆弧波导连接；

其中，第一Y分支波导的两臂分别与第一直波导和第二直波导相连接，第二Y分支波导的两臂分别与第三直波导和第四直波导相连接；

第二种波导结构：所述用于光波传输和相位调制的波导包括第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导；

所述用于光波分束与合束功能的波导包括第一Y分支波导、第二Y分支波导，所述第二Y分支波导包括两个圆弧波导、第一分支臂和第二分支臂，其中，第一Y分支波导的两臂分别与第二直波导和第三直波导相连接，第一Y分支波导通过两个圆弧波导分别与第一分支臂和第二分支臂连接，所述第一分支臂和第二分支臂分别与第一直波导和第四直波导相连接。

5.根据权利要求4所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

在所述第一种波导结构中，调制电极的结构采用如下结构之一：

第一种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，并分别放置于第三直波导和第四直波导的两侧；

第二种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，且调制电极第一分支分别放置于第三直波导和第四直波导的正上方，调制电极第二分支放置于第三直波导和第四直波导的两侧；

在所述第二种波导结构中，调制电极的结构采用如下结构之一：

第三种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，并分别放置于第一直波导和第四直波导的两侧；

第四种电极结构：所述调制电极包括调制电极第一分支和调制电极第二分支，其中，所述调制电极第一分支和调制电极第二分支放置于所述电光晶体基板的上表面，且调制电极第一分支分别放置于第一直波导和第四直波导的正上方，调制电极第二分支放置于第一直波导和第四直波导的两侧。

6.根据权利要求5所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述PLC光波导基板的端面上设置一层具有减少光反射功能的薄膜，且该侧端面为与连接电光晶体基板的端面相反的一端。

7.一种光调制器，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的混合集成光电芯片以及与混合集成光电芯片连接的光纤阵列；

所述光纤阵列内设置有光纤，所述光纤的一端分别与所述第一直波导、第二直波导以及第三直波导和第四直波导相连接。

8.根据权利要求7所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述光纤阵列内放置4根光纤，即光纤一、光纤二、光纤三、光纤四，分别与电光晶体基板内的波导相连接，

其中，所述光纤一、光纤二、光纤三、光纤四为保偏光纤或单模光纤。

9.根据权利要求8所述的混合集成光电芯片，其特征在于，

所述光纤阵列与电光晶体基板，所述电光晶体基板与PLC光波导基板均通过胶水粘接连接。

10.一种光纤陀螺，其特征在于，包括如权利要求7-9中任一项所述的光调制器以及与光调制器连接的激光光源、光电探测器和光纤环圈；

其中，光纤的另一端与激光光源、光电探测器和光纤环圈连接，且与光纤环圈连接的为保偏光纤，与激光光源、光电探测器连接的为保偏光纤或单模光纤。

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