CN114063212A - 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 - Google Patents
一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114063212A CN114063212A CN202111373916.8A CN202111373916A CN114063212A CN 114063212 A CN114063212 A CN 114063212A CN 202111373916 A CN202111373916 A CN 202111373916A CN 114063212 A CN114063212 A CN 114063212A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- branch
- polarizer
- lithium niobate
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 71
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims abstract description 40
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 65
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 49
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 48
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 22
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 19
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229940095676 wafer product Drugs 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12035—Materials
- G02B2006/1204—Lithium niobate (LiNbO3)
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12083—Constructional arrangements
- G02B2006/12116—Polariser; Birefringent
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12142—Modulator
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本申请公开了一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，包括基底层、下包层、波导芯层、金属层和上包层；基底层、下包层和波导芯层自下而上连接，上包层位于波导芯层上方，金属层位于波导芯层中波导的两侧，并穿过上包层连接波导芯层和外界空气；基底层用作芯片支撑，下包层用作为波导芯层提供高折射率对比度，金属层用作电光调制或吸收杂散光，上包层用作保护所述波导芯层；波导芯层集成有分束调制芯片，用于对光源进行分束调制，波导芯层为薄膜铌酸锂。本申请在薄膜铌酸锂材料上实现了高集成度、小型化和低成本的分束调制芯片，同时确保了系统的高稳定性。
Description
技术领域
本申请属于成光学芯片设计技术领域，具体涉及一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片。
背景技术
光纤陀螺(Fiber-Optic Gyroscope)是随着光纤技术迅速发展而出现的一种基于Sagnac效应的角速率传感仪表，常被应用于导弹制导、潜艇导航、卫星定向、自动驾驶等军用和民用领域。相比于传统的机械陀螺和激光陀螺，光纤陀螺不存在闭锁效应，且具有内部无可运动部件、体积小、重量轻、精度高、动态范围大、启动时间短、成本低、可靠性高、寿命长及抗冲击能力强等优点，这些优点使光纤陀螺成为目前应用最为广泛的全固态有源惯性传感器件。
现在大部分商用的光纤陀螺系统仍存在一些缺点：各器件相互独立，各自封装，导致系统体积较大；各器件之间通过要与光纤耦合进行联接，耦合效率低，步骤复杂且可重复性差；制备工艺不稳定，系统可靠性较差，也不利于大规模生产，因此成本较高；偏振消光比不够高，影响测量精度。
先进的干涉型光纤陀螺光路系统主要包括超辐射发光二极管、光纤耦合器、铌酸锂多功能集成光学Y波导调制器、光纤环、光电探测器，系统性能主要取决于铌酸锂多功能集成光学Y波导调制器。因此，为了实现光纤陀螺的小型化、集成化、高可靠性、低成本和单片集成，需要探索新的材料平台、制备工艺和系统结构。
虽然传统的体材料LN光器件在光学和射频信号处理中发挥了重要作用，但它们有几个重要的局限性。基于扩散或者交换形成的波导与其包层的折射率对比度较低，不利于束缚光场，导致模场较大，带来了一系列限制。近年来，市面上出现了成熟的300-900纳米厚度铌酸锂单晶薄膜材料产品。采用薄膜铌酸锂有若干优势：可获得更大的折射率对比度，有利于束缚光场，便于减小器件尺寸，有利于器件的集成化和芯片的小型化；薄膜铌酸锂对模场传输有更强的限制作用，也有利于减小半波电压，提高调制效率。但是，现有技术下，依然存在损耗大、TM0模干扰导致精度低、需要严格的波导参数设计等缺陷，以至于稳定性和可靠性均不足。
发明内容
本申请提出了一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，在薄膜铌酸锂平台上制备出片上起偏器进行偏振控制，提高薄膜铌酸锂上集成光学波导调制器的偏振消光比，减小偏振噪声，提高了光纤陀螺系统的测量精度；同时将2×2合束/分束器、起偏器、Y分支相位调制器等器件进行单片集成，用以增强系统的稳定性和可靠性。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，包括基底层、下包层、波导芯层、金属层和上包层；
所述基底层、所述下包层和所述波导芯层自下而上连接，所述上包层位于波导芯层上方，所述的金属层位于所述波导芯层中波导的两侧，并穿过上包层连接波导芯层和外界空气。
所述基底层用作芯片支撑，所述下包层用作为所述波导芯层提供高折射率对比度，所述金属层用作电光调制或吸收杂散光，所述上包层用作保护所述波导芯层；所述波导芯层集成有分束调制芯片。
可选的，所述分束调制芯片包括顺序连接的前端光纤耦合器、2×2合束/分束器、第一起偏器、Y分支相位调制器、后起偏器和后端光纤耦合器；
所述前端光纤耦合器与外部光纤连接，所述前端光纤耦合器用于接收外部光纤中的光源，和/或用于输出经过芯片调制的光；
所述2×2合束/分束器用于对所述光源进行分束处理；
所述第一起偏器和所述后起偏器均用于产生单偏振光，所述第一起偏器和所述后起偏器为选择性吸收TM模式的金属起偏器或基于波导结构的偏振分束器；
所述Y分支相位调制器用于对所述单偏振光并行分束并分别进行电光调制；
所述后端光纤耦合器用于输出经电光调制后的单偏振光。
可选的，所述前端光纤耦合器和所述后端光纤耦合器均采用水平端面耦合方法；
所述前端光纤耦合器和所述后端光纤耦合器的结构为在铌酸锂倒锥上覆盖一层光纤耦合器的波导包层，所述波导包层的折射率大于二氧化硅的折射率且小于铌酸锂的折射率；
所述铌酸锂倒锥的尖端用于挤压铌酸锂中的光场，使之泄露到光纤耦合器的波导包层中，所述铌酸锂倒锥较宽的一端通过所述2×2合束/分束器连接所述第一起偏器。
可选的，所述2×2合束/分束器为定向耦合器或多模干涉耦合器；
所述2×2合束/分束器的输入端连接所述前端光纤耦合器；
所述2×2合束/分束器的直通端连接所述第一起偏器；
所述2×2合束/分束器的隔离端连接有金属吸收体，所述金属吸收体用于吸收多余的光。
可选的，所述Y分支相位调制器包括Y分支波导和金属电极；
所述Y分支波导包括Y分支输入端、Y分支第一输出端、Y分支第二输出端、第一光波导臂和第二光波导臂；
所述Y分支输入端与所述第一起偏器连接；
所述Y分支输入端通过所述第一光波导臂与所述Y分支第一输出端连接；
所述Y分支输入端还通过所述第二光波导臂与所述Y分支第二输出端连接；
所述Y分支第一输出端和所述Y分支第二输出端均连接所述后起偏器；
所述金属电极包括信号电极和接地电极，所述信号电极和所述接地电极分别位于所述第一光波导臂和所述第二光波导臂的两侧，所述信号电极和所述接地电极的外加调制电场的方向是X切铌酸锂的Z向。
可选的，所述第一光波导臂和所述第二光波导臂均包括弯曲波导臂和直波导臂；
两段所述弯曲波导臂的输入端均与所述Y分支输入端连接；
两段所述弯曲波导臂的输出端分别与各自的所述直波导臂一端连接；
两段所述直波导臂的另一端分别与所述Y分支第一输出端和所述Y分支第二输出端连接。
可选的，两段所述直波导臂相互平行，所述直波导臂中的光场的传播方向是X切铌酸锂的Y向；
所述信号电极位于两段所述直波导臂之间；
所述接地电极位于两段所述直波导臂外侧。
可选的，所述后起偏器包括第二起偏器和第三起偏器，所述后端光纤耦合器包括第二光纤耦合器和第三光纤耦合器；
所述Y分支第一输出端通过所述第二起偏器连接所述第二光纤耦合器；
所述Y分支第二输出端通过所述第三起偏器连接所述第三光纤耦合器。
可选的，所述分束调制芯片还包括辐射模吸收体；
所述辐射模吸收体用于吸收漏出辐射，所述漏出辐射为从所述2×2合束/分束器输出并进入所述下包层的辐射；
所述辐射模吸收体位于所述2×2合束/分束器和所述第一起偏器之间。
可选的，所述上包层的折射率小于所述波导芯层的折射率。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，采用薄膜铌酸锂平台便于减小器件尺寸，有利于器件的集成化和芯片的小型化，提高调制效率；基于薄膜铌酸锂平台制备相关器件采用的是半导体工艺，工艺技术较为成熟，器件在稳定性和可靠性方面有大幅提升，并且薄膜铌酸锂有成熟的大晶圆产品，方便大规模流水线生产，在成本方面也具有优势；在薄膜铌酸锂平台上制备出片上起偏器来进行偏振控制，既提高了集成光学波导调制器的偏振消光比，减小了偏振噪声，提高了光纤陀螺系统的测量精度，又易于集成；将2×2合束/分束器、起偏器、Y分支相位调制器等器件进行单片集成，大大增强了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片中的薄膜铌酸锂平台的截面结构示意图；
图2为本申请实施例的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片中的分束调制芯片结构示意图。
附图标记说明：
1、基底层；2、下包层；3、波导芯层；4、金属层；5、上包层；6、第一光纤耦合器；7、第二光纤耦合器；8、第三光纤耦合器；9、第四耦合器；10、2×2合束/分束器；101、2×2合束/分束器的输入端；102、2×2合束/分束器的直通端；103、2×2合束/分束器的耦合端；104、2×2合束/分束器的隔离端；11、金属吸收体；12、辐射模吸收体；13、第一起偏器；14、Y分支相位调制器；141、Y分支相位调制器的输入端；142、Y分支相位调制器的第一输出端；143、Y分支相位调制器的第二输出端；144、第一光波导臂的弯曲波导臂；145、第一光波导臂的直波导臂；146、第二光波导臂的弯曲波导臂；147、第二光波导臂的直波导臂；15、第一接地电极；16、第一信号电极；17、第二接地电极；18、第二信号电极；19、第二起偏器；20、第三起偏器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
薄膜铌酸锂对模场传输有更强的限制作用，也有利于减小半波电压，提高调制效率；基于薄膜铌酸锂制备相关器件采用的是半导体工艺，工艺技术较为成熟，器件在稳定性和可靠性方面有大幅提升，并且薄膜铌酸锂有成熟的大尺寸晶圆产品，方便大规模流水线生产，在成本方面也具有优势。
图1为本申请实施例的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片中的薄膜铌酸锂平台的截面结构示意图，包括基底层1、下包层2、波导芯层3、金属层4和上包层5。其中，基底层1、下包层2和波导芯层3自下而上连接，基底层1、下包层2和波导芯层3自下而上连接，金属层4位于波导芯层3中波导的两侧，并穿过上包层5连接波导芯层3和外界空气，上包层5位于波导芯层3上方。
基底层1用作芯片支撑，下包层2用作为波导芯层3提供高折射率对比度，金属层4用作电光调制或吸收杂散光，上包层5用作保护波导芯层3。在本实施例中，基底层1材料为硅，芯片下包层2材料为二氧化硅，金属层4为金，上包层5为氮氧化硅，中间的波导芯层3为薄膜铌酸锂，厚度范围是100～1000nm，晶体轴向是为X切Y传。进一步的，上包层5的折射率小于波导芯层铌酸锂的折射率，且大于二氧化硅的折射率，一般大于1.5，可以是氮氧化硅、SU-8等材料。
波导芯层3集成有分束调制芯片。波导芯层铌酸锂采用脊波导结构，以实现2×2合束/分束器、片上起偏器、Y分支相位调制器等器件。
如图2所示，为本申请实施例的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片中的单偏振光学系统结构示意图，主要包括顺序连接的前端光纤耦合器、2×2合束/分束器10、第一起偏器13、Y分支相位调制器14、后起偏器和后端光纤耦合器，具体的，前端光纤耦合器与外部光纤连接，前端光纤耦合器用于接收外部光纤中的光源，也可用于输出经过芯片调制的光；2×2合束/分束器10器用于对光源进行分束处理，第一起偏器3和后起偏器均用于产生单偏振光，Y分支相位调制器14用于对单偏振光并行分束并分别进行电光调制，后端光纤耦合器用于输出经电光调制后的单偏振光。
基于Sagnac效应，Y波导调制器入射到保偏光纤环的两束光以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点，若绕垂直于光纤环的轴线转动，则两束光的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比，即可测得相应的角速度。
光纤到波导的耦合器实现光纤和波导的模场匹配，可以有效减小光纤到波导的传输损耗，提高耦合效率。在本实施例中，前端光纤耦合器和后端光纤耦合器均采用水平端面耦合方案，其原理是通过特殊的片上结构，增大波导中的模场直径或缩小光纤的模场直径，进而实现模场匹配。具体器件有氮氧化硅作包层的模斑变换器，具体结构为在双层铌酸锂倒锥上覆盖一层光纤耦合器的波导包层，要求波导包层的折射率大于二氧化硅的折射率且小于铌酸锂的折射率，在本实施例中采用的是氮氧化硅，用以耦合从光纤入射进来的光场，再将光场从氮氧化硅波导耦合到铌酸锂倒锥中，铌酸锂倒锥的尖端用于挤压铌酸锂中的光场，使之泄露到光纤耦合器的波导包层中，倒锥较宽的一端连接着脊波导，继而通过2×2合束/分束器10连接第一起偏器13。
在本实施例中，2×2合束/分束器10有两个输入端和两个输出端，其作用是将光进行分束，既能将光源方向入射的光传到Y分支相位调制器14进行调制，又能将Y分支相位调制器14方向入射的光传到探测器，可采用定向耦合器或多模干涉器实现该器件。在本实施例中，采用定向耦合器，并可进行50:50分光，确保光从光源到调制器和从调制器到探测器的传输。具体的，在本实施例中，前端光纤耦合器分为第一光纤耦合器6和第四耦合器9，2×2合束/分束器10的输入端101连接到第一光纤耦合器6，直通端102连接到第一起偏器13。进一步的，在本实施例中，耦合端103连接到第四耦合器9，隔离端104连接有金属吸收体11，金属吸收体用于吸收多余的光。若采用多模干涉器，则其两个输入端和两个输出端分别在两侧，两个输入端分别通向光源和探测器，两个输出端分别通向Y分支相位调制器和金属吸收体。
光波从2×2合束/分束器10输出时会有辐射进入衬底中，并有一部分光波经过衬底反射重新耦合进入Y分支调制器，形成寄生相位误差，影响光纤陀螺的测量精度。为了吸收辐射模以解决在光路中耦合形成的串扰和噪声问题，在2×2合束/分束器10与第一起偏器13之间的直波导两侧设置辐射模吸收体12，大面积地铺在波导芯层3上，两吸收体的间距大于1微米，平行于传输方向(铌酸锂Y向)的宽度大于1微米，垂直于传输方向(铌酸锂Z向)的长度要使其能紧靠边缘。本实施例的具体制作方式为蚀刻上包层5，为金属层4开窗口并沉积金属。在本实施例中，辐射模吸收体12选用金与其他材料混合形成。
在薄膜铌酸锂平台上制备起偏器，可确保在调制区中TE模单偏振传输，减小偏振噪声。
在本实施例中，第一起偏器13的输入端连接到第一光纤耦合器6的铌酸锂倒锥处，输出端连接到Y分支相位调制器14的输入端141。
在本实施例中，Y分支相位调制器14用于进行电光调制，便于检测角速率信号，包括Y分支波导和金属电极。其中，Y分支波导包括Y分支输入端141、Y分支第一输出端142、Y分支第二输出端143、第一光波导臂和第二光波导臂。具体的，Y分支输入端141与第一起偏器13连接，Y分支输入端141通过第一光波导臂与Y分支第一输出端142连接，通过第二光波导臂与Y分支第二输出端143连接，Y分支第一输出端142和Y分支第二输出端143均连接后起偏器。
进一步的，在本实施例中，第一光波导臂和第二光波导臂均包括弯曲波导臂和直波导臂，在图2中，第一光波导臂的弯曲波导臂标记为144，直波导臂标记为145，第二光波导臂的弯曲波导臂标记为146，直波导臂标记为147，两段弯曲波导臂144、146均为多段弧形连接而成，其输入端均与Y分支输入端141连接；两段弯曲波导臂144、146的输出端分别与各自的直波导臂145、147的一端连接，两段直波导臂145、147相互平行，其另一端分别与Y分支第一输出端142和Y分支第二输出端143连接。直波导臂中的光场的传播方向是X切铌酸锂的Y向。
在本实施例中，Y分支相位调制器14的电光调制通过推挽调制电极实现，采用GSG电极布局，金属电极包括两段直波导臂之间设置的信号电极，和两段直波导臂外侧设置的接地电极。具体的，如图2所示，第一光波导臂两侧为第一接地电极15和第一信号电极16，第二光波导臂两侧为第二接地电极17和第二信号电极18，外加调制电场的方向是X切铌酸锂的Z向。电极材料选用金与其他材料混合形成。电极尺寸设计和光波导结构设计均使得特征阻抗均在50欧姆附近以减小射频信号在电极上输入、输出与传输过程中的反射，从而提高调制带宽。
在Y分支相位调制器14中间的信号电极上加电压而两侧电极接地，中间的信号电极共用一个电极窗口，两个光波导臂始终被施加相反的电场，从而使得上下两个波导中光波的相位变化等大反相，减小调制器的半波电压。第一直波导臂的电场方向沿铌酸锂光轴+Z轴，其折射率改变为Δn，第二直波导臂的电场方向沿铌酸锂光轴-Z轴，其折射率改变为-Δn，相应的第一和第二直波导臂的相位改变量分别为Δφ1、Δφ2，将直波导臂的调制长度记为L，则有Δφ1＝-Δφ2＝Δn×L×2π/λ，两波导臂输出光的相位差为Δφ12＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝Δn×2L×2π/λ+Δφ0，Δφ0为两臂的初始相位差，一般为0。
另外，Y分支相位调制器14的分束部分也可改为采用定向耦合器或多模干涉器实现。
进一步的，在本实施例中，后起偏器包括第二起偏器19和第三起偏器20，后端光纤耦合器包括第二光纤耦合器7和第三光纤耦合器8。Y分支第一输出端142通过第二起偏器19连接第二光纤耦合器7的铌酸锂倒锥处，Y分支第二输出端143通过第三起偏器20连接第三光纤耦合器8的铌酸锂倒锥处。由此，在Y分支相位调制器14前后设置了三个片上偏振器13、19、20，可确保光源方向和光纤环方向来的光在进入Y分支调制器前都是单偏振光。起偏器具体实现器件有金属起偏器和偏振分束旋转器。金属起偏器是在波导的附近沉积金属，在光传输经过金属起偏器时，波导中的TM模式耦合到金属和介质表面的等离子体激元模式，从而有较大损耗，而TE模损耗较小，得以实现单偏振传输；偏振分束旋转器的原理是通过模式演化对TM模进行高阶演化并分束转化，如在锥形波导中将TM0模转化为TE1模，再通过Y分支使其分束为TE0模和由TE1模转化而成的TE0模，其中一端输出的是输入光中便存在的TE模，此为所需的单偏振光，另一端接金属吸收体将被分成的光吸收。
本实施例光学芯片的工作过程为：光源发射的光入射到第一光纤耦合器6，进入片上传输。从输入端101入射到定向2×2合束/分束器10后，50％的光从定向2×2合束/分束器直通端102输出。在经过辐射模吸收体12后，传输通过第一起偏器13后输出较高偏振消光比的TE模，TE模进入Y分支相位调制器14的输入端口141，然后从Y分支相位调制器14的输出端口142输出的已被金属电极15和16调制的光，进入第二起偏器19输出TE模，TE模进入第二光纤耦合器7输出。同理，从Y分支相位调制器14的输出端口143输出的光也有相似的过程，最后从第三光纤耦合器8输出。
在光纤陀螺系统中，基于Sagnac效应，Y波导调制器入射到保偏光纤环的两束光以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点，若绕垂直于光纤环的轴线转动，则两束光的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比，即可测得相应的角速度。在本实施例中，从第二光纤耦合器7输出的光经过光纤环传输后通过第三光纤耦合器8回到片上，从第三光纤耦合器8输出的光经过光纤环传输后通过第二光纤耦合器7回到片上。两束相干光分别沿顺时针和逆时针方向通过光纤环后，又由Y分支调制器14合成为一束光，将相位调制转化为了强度调制。携带转动角速率信息的光从直通端102输入到定向2×2合束/分束器10中并从耦合端103输出，再由第四耦合器9输出，最终被探测器接收。
三个片上起偏器13、19、20的作用在于确保进入调制区的光为TE模，减小偏振噪声，提高光纤系统的测量精度。第一起偏器13对光源方向来的光进行起偏，第二起偏器19对由第三光纤耦合器8输出到光纤环又从第二光纤耦合器7回到片上的光进行起偏，第三起偏器20对由第二光纤耦合器7输出到光纤环又从第三光纤耦合器8回到片上的光进行起偏。
相较于已有的专利“一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法”所述的单偏振方案，本申请中的波导支持基模传输，实现单偏振的方案是在关键处设置专门的片上起偏起偏器以消除TM0模，而非所有波导都采用特殊设计的单偏振波导使得TM0模泄露，所以本方案可以拥有更小的损耗；同时由于无需严格的波导参数设计来保证单偏振波导，本申请的单偏振方案有更大工艺容差。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，包括基底层、下包层、波导芯层、金属层和上包层；
所述基底层、所述下包层和所述波导芯层自下而上连接，所述上包层位于波导芯层上方，所述的金属层位于所述波导芯层中波导的两侧，并穿过上包层连接波导芯层和外界空气。
所述基底层用作芯片支撑，所述下包层用作为所述波导芯层提供高折射率对比度，所述金属层用作电光调制或吸收杂散光，所述上包层用作保护所述波导芯层；所述波导芯层集成有分束调制芯片。
2.根据权利要求1所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述分束调制芯片包括顺序连接的前端光纤耦合器、2×2合束/分束器、第一起偏器、Y分支相位调制器、后起偏器和后端光纤耦合器；
所述前端光纤耦合器与外部光纤连接，所述前端光纤耦合器用于接收外部光纤中的光源，和/或用于输出经过芯片调制的光；
所述2×2合束/分束器用于对所述光源进行分束处理；
所述第一起偏器和所述后起偏器均用于产生单偏振光，所述第一起偏器和所述后起偏器为选择性吸收TM模式的金属起偏器或基于波导结构的偏振分束器；
所述Y分支相位调制器用于对所述单偏振光并行分束并分别进行电光调制；
所述后端光纤耦合器用于输出经电光调制后的单偏振光。
3.根据权利要求2所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述前端光纤耦合器和所述后端光纤耦合器均采用水平端面耦合方法；
所述前端光纤耦合器和所述后端光纤耦合器的结构为在铌酸锂倒锥上覆盖一层光纤耦合器的波导包层，所述波导包层的折射率大于二氧化硅的折射率且小于铌酸锂的折射率；
所述铌酸锂倒锥的尖端用于挤压铌酸锂中的光场，使之泄露到光纤耦合器的波导包层中，所述铌酸锂倒锥较宽的一端通过所述2×2合束/分束器连接所述第一起偏器。
4.根据权利要求2所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述2×2合束/分束器为定向耦合器或多模干涉耦合器；
所述2×2合束/分束器的输入端连接所述前端光纤耦合器；
所述2×2合束/分束器的直通端连接所述第一起偏器；
所述2×2合束/分束器的隔离端连接有金属吸收体，所述金属吸收体用于吸收多余的光。
5.根据权利要求2所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述Y分支相位调制器包括Y分支波导和金属电极；
所述Y分支波导包括Y分支输入端、Y分支第一输出端、Y分支第二输出端、第一光波导臂和第二光波导臂；
所述Y分支输入端与所述第一起偏器连接；
所述Y分支输入端通过所述第一光波导臂与所述Y分支第一输出端连接；
所述Y分支输入端还通过所述第二光波导臂与所述Y分支第二输出端连接；
所述Y分支第一输出端和所述Y分支第二输出端均连接所述后起偏器；
所述金属电极包括信号电极和接地电极，所述信号电极和所述接地电极分别位于所述第一光波导臂和所述第二光波导臂的两侧，所述信号电极和所述接地电极的外加调制电场的方向是X切铌酸锂的Z向。
6.根据权利要求5所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述第一光波导臂和所述第二光波导臂均包括弯曲波导臂和直波导臂；
两段所述弯曲波导臂的输入端均与所述Y分支输入端连接；
两段所述弯曲波导臂的输出端分别与各自的所述直波导臂一端连接；
两段所述直波导臂的另一端分别与所述Y分支第一输出端和所述Y分支第二输出端连接。
7.根据权利要求6所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，两段所述直波导臂相互平行，所述直波导臂中的光场的传播方向是X切铌酸锂的Y向；
所述信号电极位于两段所述直波导臂之间；
所述接地电极位于两段所述直波导臂外侧。
8.根据权利要求5所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述后起偏器包括第二起偏器和第三起偏器，所述后端光纤耦合器包括第二光纤耦合器和第三光纤耦合器；
所述Y分支第一输出端通过所述第二起偏器连接所述第二光纤耦合器；
所述Y分支第二输出端通过所述第三起偏器连接所述第三光纤耦合器。
9.根据权利要求2-8任一项所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述分束调制芯片还包括辐射模吸收体；
所述辐射模吸收体用于吸收漏出辐射，所述漏出辐射为从所述2×2合束/分束器输出并进入所述下包层的辐射；
所述辐射模吸收体位于所述2×2合束/分束器和所述第一起偏器之间。
10.根据权利要求1所述的单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片，其特征在于，所述上包层的折射率小于所述波导芯层的折射率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111373916.8A CN114063212B (zh) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111373916.8A CN114063212B (zh) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114063212A true CN114063212A (zh) | 2022-02-18 |
| CN114063212B CN114063212B (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=80278294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111373916.8A Active CN114063212B (zh) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114063212B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115656975A (zh) * | 2022-12-14 | 2023-01-31 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 |
| CN116107025A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-05-12 | 北京世维通科技股份有限公司 | 一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂y波导混合集成结构 |
| CN116520493A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-01 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的te模和tm模分离的偏振分束器芯片 |
| CN117348149A (zh) * | 2023-10-08 | 2024-01-05 | 广州铌奥光电子有限公司 | 一种薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法和装置 |
| CN117590628A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 北京航空航天大学 | 基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法 |
| CN117891090A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030059189A1 (en) * | 2001-07-26 | 2003-03-27 | Ridgway Richard William | Waveguides and devices incorporating optically functional cladding regions |
| CN101629825A (zh) * | 2009-08-21 | 2010-01-20 | 北京大学 | 一种双偏振干涉式光纤陀螺 |
| CN204758962U (zh) * | 2015-07-03 | 2015-11-11 | 苏州峰通光电有限公司 | 一种波导热光开关 |
| CN110989076A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 华中科技大学 | 一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法 |
| CN111505844A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-07 | 北京航空航天大学 | 一种用于光纤陀螺的集成光学调制器电极结构及制作方法 |
| CN111736370A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-02 | 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 | 一种薄膜铌酸锂基集成芯片及制备方法 |
| CN112835215A (zh) * | 2020-04-15 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器 |
| CN112833872A (zh) * | 2020-03-11 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件 |
| CN112833873A (zh) * | 2020-09-12 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺 |
| CN112965272A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-15 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 单边输出的铌酸锂薄膜双y分支光波导相位调制器 |
| CN113031317A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-25 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种小型化的高消光比调制器件及其使用方法 |
| CN113534504A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-22 | 华中科技大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件 |
-
2021
- 2021-11-19 CN CN202111373916.8A patent/CN114063212B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030059189A1 (en) * | 2001-07-26 | 2003-03-27 | Ridgway Richard William | Waveguides and devices incorporating optically functional cladding regions |
| CN101629825A (zh) * | 2009-08-21 | 2010-01-20 | 北京大学 | 一种双偏振干涉式光纤陀螺 |
| CN204758962U (zh) * | 2015-07-03 | 2015-11-11 | 苏州峰通光电有限公司 | 一种波导热光开关 |
| CN110989076A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 华中科技大学 | 一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法 |
| CN112833872A (zh) * | 2020-03-11 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件 |
| CN112835215A (zh) * | 2020-04-15 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器 |
| CN111505844A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-07 | 北京航空航天大学 | 一种用于光纤陀螺的集成光学调制器电极结构及制作方法 |
| CN111736370A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-02 | 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 | 一种薄膜铌酸锂基集成芯片及制备方法 |
| CN112833873A (zh) * | 2020-09-12 | 2021-05-25 | 天津领芯科技发展有限公司 | 光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺 |
| CN112965272A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-15 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 单边输出的铌酸锂薄膜双y分支光波导相位调制器 |
| CN113031317A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-25 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种小型化的高消光比调制器件及其使用方法 |
| CN113534504A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-22 | 华中科技大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115656975A (zh) * | 2022-12-14 | 2023-01-31 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 |
| CN115656975B (zh) * | 2022-12-14 | 2023-05-23 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 |
| CN116107025A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-05-12 | 北京世维通科技股份有限公司 | 一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂y波导混合集成结构 |
| CN116520493A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-01 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的te模和tm模分离的偏振分束器芯片 |
| CN117348149A (zh) * | 2023-10-08 | 2024-01-05 | 广州铌奥光电子有限公司 | 一种薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法和装置 |
| CN117590628A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 北京航空航天大学 | 基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法 |
| CN117590628B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-03-29 | 北京航空航天大学 | 基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法 |
| CN117891090A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114063212B (zh) | 2023-11-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114063212B (zh) | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 | |
| CN101294810B (zh) | 谐振式空心光子晶体光纤陀螺 | |
| CN112833873A (zh) | 光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺 | |
| CN109579817B (zh) | 一种硅基-ln基混合集成光学芯片的制备方法 | |
| CN101387519A (zh) | 一种空芯光子晶体光纤陀螺 | |
| EP0668507B1 (en) | Electric field sensor | |
| CN113280802B (zh) | 一种谐振式集成光学陀螺用多功能铌酸锂芯片 | |
| CN105705907A (zh) | 低损耗光学陀螺仪装置 | |
| WO2024000936A1 (zh) | 光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片 | |
| CN112066973B (zh) | 一种铌酸锂波导的集成光子晶体光纤陀螺 | |
| CN115014318B (zh) | 一种空芯微结构光纤陀螺 | |
| CN115356867A (zh) | 铌酸锂薄膜集成芯片、光电子器件和光纤陀螺 | |
| CN113865578A (zh) | 基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片 | |
| CN116482803A (zh) | 片上起偏铌酸锂光波导电场传感器及其测量系统 | |
| CN100535596C (zh) | 一种基于慢光效应的光学陀螺 | |
| CN214375657U (zh) | 混合集成光电芯片以及光调制器、光纤陀螺 | |
| CN116086424A (zh) | 一种三轴光纤陀螺用的集成光收发组件 | |
| CN112326027B (zh) | 基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪 | |
| RU166908U1 (ru) | Интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа | |
| CN114721094B (zh) | 基于铌酸锂波导耦合器的空芯光子晶体光纤谐振腔 | |
| CN114397729B (zh) | 基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片 | |
| CN220752451U (zh) | 光波导调制装置、光学相位调制器以及光学陀螺仪 | |
| CN117538985B (zh) | 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 | |
| JPH0354283B2 (zh) | ||
| Zuo et al. | Integrated fiber optic gyroscope based on silicon lithium niobate thin waveguide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20231024 Address after: No. 3-2-1, Miaoshan Guang Electronic Information Industry Park, Jiangxia District, Wuhan City, Hubei Province, 430200 Applicant after: Wuhan Ampai Optoelectronics Co.,Ltd. Address before: 201803 room 319, floor 3, No. 390, Lane 1555, Jinsha Jiangxi Road, Jiading District, Shanghai Applicant before: Shanghai Anpai Xinyan Technology Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |