CN114413875A - 一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成激光陀螺芯片，包括InP晶片、SOI结构、激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器；激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器通过InP晶片设在SOI结构上；SOI结构内设有传输波导和螺旋线型波导；传输波导包括第一波导和第二波导，激光器、第一波导、第二波导、第一MZM调制器、第二MZM调制器及螺旋线型波导依次连接且相互对准；激光器用于产生连续激光；第一MZM调制器用于对连续激光的光强进行调制，得到调制后激光；第二MZM调制器的两臂用于将调制后激光分为功率相等的两束激光，两束激光分别从螺旋线型波导的两端进入螺旋线型波导。能够解决激光器、第一MZM调制器、第二MZM调制器及螺旋线型波导之间位置对准难度高，调试困难的问题。

Description

一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法，属于激光陀螺仪技术领域。

背景技术

光学陀螺仪技术主要基于Sagnac效应，将入射光等分为两份，分别从光纤的两端输入。当光学陀螺仪系统发生旋转时，正向入射的光束与反向入射的光束之间会存在相位差，由于干涉引起输出光强的变化，进而推算出旋转角速度的值。

目前，光学陀螺仪系统由两个硅光芯片和多个控制电路组成，其中一个硅光芯片包括依次设置的激光器、耦合器和调制器，用于提供两个相位相同的光束，另一个硅光芯片主要由螺旋线型波导构成。现有的光学陀螺仪系统的激光器、调制器和螺旋线型波导是三个分立元器件，三个元器件之间位置对准难度高，调试困难。

发明内容

本发明提供了一种单片集成激光陀螺芯片及其制备方法，能够解决激光器、第一MZM调制器、第二MZM调制器及螺旋线型波导之间位置对准难度高，调试困难的问题。

一方面，本发明提供了一种单片集成激光陀螺芯片，包括InP晶片、SOI结构、激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器；

所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均通过所述InP晶片设置在所述SOI结构上；

所述SOI结构内部设置有传输波导和螺旋线型波导；

所述传输波导包括第一波导和第二波导，所述激光器、所述第一波导、所述第二波导、所述第一MZM调制器、所述第二MZM调制器及所述螺旋线型波导依次连接且相互对准；

所述激光器用于产生连续激光；

所述第一MZM调制器用于对所述连续激光的光强进行调制，得到调制后激光；

所述第二MZM调制器的两臂用于将所述调制后激光分为功率相等的两束激光，所述两束激光分别从所述螺旋线型波导的两端进入所述螺旋线型波导。

可选的，所述第二MZM调制器远离所述螺旋线型波导的一端设有监测器件；

所述两束激光经过所述螺旋线型波导后返回所述第二MZM调制器；

所述监测器件用于监测返回的所述激光的光强变化。

可选的，所述监测器件为光电二极管。

可选的，所述螺旋线型波导包括第一螺旋线和第二螺旋线；

所述第一螺旋线的两端点分别为位于第一螺旋线内部的第一起点和外部的第一终点，所述第二螺旋线的两端点分别为位于第二螺旋线内部的第二起点和外部的第二终点；

所述第一终点和所述第二终点分别与所述第二MZM调制器的两臂连接；

所述第一起点与所述第二起点连接。

可选的，所述激光器与所述第一MZM调制器之间、所述第一MZM调制器与所述第一波导之间、所述第一波导与所述第二MZM调制器之间及所述第二MZM调制器与所述螺旋线型波导之间均通过光刻精度对准。

可选的，所述第一MZM调制器还用于在所述连续激光中加载预设的调制信号。

可选的，所述SOI结构包括背衬底、埋氧化层和顶层硅，所述顶层硅设置在所述背衬底上，所述埋氧化层设置在所述背衬底和所述顶层硅之间；

所述传输波导和螺旋线型波导设置在所述顶层硅内；

所述埋氧化层用于隔离所述顶层硅和所述背衬底；

所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均设置在所述顶层硅上。

可选的，所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均通过异质材料键合的方式设置在所述顶层硅上。

另一方面，本发明提供了一种基于上述任一项所述的单片集成激光陀螺芯片的单片集成激光陀螺芯片制备方法，所述方法包括：

S1、在所述SOI结构上制作所述第一波导、所述第二波导和所述螺旋线型波导；

S2、将InP晶片键合在所述SOI结构上；

S3、通过光刻工艺在所述InP晶片上制作所述激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器，并通过光刻精度对所述激光器与所述第一波导之间、所述第一波导与所述第一MZM调制器之间、所述第一MZM调制器与所述第二波导之间、所述第二波导与所述第二MZM调制器之间及所述第二MZM调制器与所述螺旋线型波导之间进行对准。

本发明能产生的有益效果包括：

本发明的单片集成激光陀螺芯片为InP晶片和SOI结构双层结构，单片集成，稳定性高，所述第一波导、所述第二波导和所述螺旋线型波导设置在SOI结构内，激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均通过异质材料键合的方式设置在SOI结构上，实现片上集成，使得激光可以在InP晶片和SOI结构两层之间来回切换，实现灵活的光路布置；

本发明的单片集成激光陀螺芯片的制备方法制备工艺简单，降低了激光器、第一MZM调制器、第二MZM调制器与螺旋线型波导之间的对准难度与调试难度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种单片集成激光陀螺芯片的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种单片集成激光陀螺芯片的原理图；

图3为本发明实施例提供的单片集成激光陀螺芯片制备方法的方法流程图。

部件和附图标记列表：

1、InP晶片；2、SOI结构；21、第一波导；22、第二波导；23、螺旋线型波导；3、激光器；4、第一MZM调制器；5、第二MZM调制器；6、光电二极管。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种单片集成激光陀螺芯片，如图1、图2所示，单片集成激光陀螺芯片包括InP晶片1、SOI结构2、激光器3、第一MZM调制器4及第二MZM调制器5。

激光器3、第一MZM调制器4及第二MZM调制器5均通过InP晶片1设置在SOI结构2上。

具体的，InP晶片1为磷化铟材料晶片，用于制作激光器3和光调制器，一MZM调制器和第二MZM调制器5均为马赫泽德干涉仪。

SOI结构2内部设置有传输波导和螺旋线型波导23。

传输波导包括第一波导21和第二波导22，激光器3、第一波导21、第二波导22、第一MZM调制器4、第二MZM调制器5及螺旋线型波导23依次连接且相互对准。

具体的，激光器3与第一MZM调制器4之间、第一MZM调制器4与第一波导21之间、第一波导21与第二MZM调制器5之间及第二MZM调制器5与螺旋线型波导23之间均通过光刻精度对准。

本申请另一实施例中，第二MZM调制器5与第一MZM调制器4在InP晶片1层直接连接。

激光器3用于产生连续激光。

第一MZM调制器4用于对连续激光的光强进行调制，还用于在连续激光中加载预设的调制信号，得到调制后激光。

第二MZM调制器5的两臂用于将调制后激光分为功率相等的两束激光，两束激光分别从螺旋线型波导23的两端进入螺旋线型波导23。

具体的，SOI结构2包括背衬底、埋氧化层和顶层硅，顶层硅设置在背衬底上，埋氧化层设置在背衬底和顶层硅之间；传输波导和螺旋线型波导23设置在顶层硅内；埋氧化层用于隔离顶层硅和背衬底；激光器3、第一MZM调制器4及第二MZM调制器5均通过异质材料键合的方式设置在顶层硅上。

如图2所示，第二MZM调制器5远离螺旋线型波导23的一端设有监测器件，两束激光经过螺旋线型波导23后返回第二MZM调制器5，监测器件用于监测返回的激光的光强变化。

本实施例中，监测器件为光电二极管6(PD)。

螺旋线型波导23包括第一螺旋线和第二螺旋线；

第一螺旋线的两端点分别为位于第一螺旋线内部的第一起点和外部的第一终点，第二螺旋线的两端点分别为位于第二螺旋线内部的第二起点和外部的第二终点；

第一终点和第二终点分别与第二MZM调制器5的两臂连接；

第一起点与第二起点连接。

本申请另一实施例中，螺旋线型波导23还可为一个螺旋线结构，该个螺旋线结构的起点端与终点端分别与第二MZM调制器5的两臂连接。

本发明的单片集成激光陀螺芯片在工作时，通过激光器3产生的连续激光通过倏逝波耦合进入第一波导21进行传输，当需要对激光进行调制时，激光通过倏逝波进入InP晶片1层中的第一MZM调制器4进行调制，通过第一MZM调制器4对激光的光强进行调制，并在激光中加载需要的调制信号，得到调制后激光；

调制后激光在第二MZM调制器5处分为功率相等的两束激光，两束激光分别从螺旋线型波导23的两端分别顺时针和逆时针通过螺旋线型波导23，当芯片发生旋转时，顺时针和逆时针方向传输的激光产生光程差，两束激光通过螺旋线型波导23后在第二MZM调制器5处产生干涉，通过光电二极管6测试激光光强的变化情况，以此计算出芯片的旋转速度及加速度等信息。

本发明的单片集成激光陀螺芯片为InP晶片1和SOI结构2双层结构，单片集成，稳定性高，第一波导21、第二波导22和螺旋线型波导23设置在SOI结构2内，激光器3、第一MZM调制器4及第二MZM调制器5均通过异质材料键合的方式设置在SOI结构2上，实现片上集成，使得激光可以在InP晶片1和SOI结构2两层之间来回切换，实现灵活的光路布置。

本发明还提供了一种基于上述任一项的单片集成激光陀螺芯片的单片集成激光陀螺芯片制备方法，方法包括：

S1、在SOI结构2的顶层硅内部制作第一波导21、第二波导22和螺旋线型波导23；

S2、将InP晶片1键合在SOI结构2上；

S3、通过光刻工艺在InP晶片1上制作激光器3、第一MZM调制器4及第二MZM调制器5，并通过光刻精度对激光器3与第一波导21之间、第一波导21与第一MZM调制器4之间、第一MZM调制器4之间与第二波导22之间、第二波导22与第二MZM调制器5之间及第二MZM调制器5与螺旋线型波导23之间进行对准。

本发明的单片集成激光陀螺芯片的制备方法制备工艺简单，降低了激光器3、第一MZM调制器4、第二MZM调制器5与螺旋线型波导23之间的对准难度与调试难度。

以上，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，包括InP晶片、SOI结构、激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器；

所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均通过所述InP晶片设置在所述SOI结构上；

所述SOI结构内部设置有传输波导和螺旋线型波导；

所述传输波导包括第一波导和第二波导，所述激光器、所述第一波导、所述第二波导、所述第一MZM调制器、所述第二MZM调制器及所述螺旋线型波导依次连接且相互对准；

所述激光器用于产生连续激光；

所述第一MZM调制器用于对所述连续激光的光强进行调制，得到调制后激光；

所述第二MZM调制器的两臂用于将所述调制后激光分为功率相等的两束激光，所述两束激光分别从所述螺旋线型波导的两端进入所述螺旋线型波导。

2.根据权利要求1所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述第二MZM调制器远离所述螺旋线型波导的一端设有监测器件；

所述两束激光经过所述螺旋线型波导后返回所述第二MZM调制器；

所述监测器件用于监测返回的所述激光的光强变化。

3.根据权利要求2所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述监测器件为光电二极管。

4.根据权利要求1所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述螺旋线型波导包括第一螺旋线和第二螺旋线；

所述第一螺旋线的两端点分别为位于第一螺旋线内部的第一起点和外部的第一终点，所述第二螺旋线的两端点分别为位于第二螺旋线内部的第二起点和外部的第二终点；

所述第一终点和所述第二终点分别与所述第二MZM调制器的两臂连接；

所述第一起点与所述第二起点连接。

5.根据权利要求1所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述激光器与所述第一MZM调制器之间、所述第一MZM调制器与所述第一波导之间、所述第一波导与所述第二MZM调制器之间及所述第二MZM调制器与所述螺旋线型波导之间均通过光刻精度对准。

6.根据权利要求1所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述第一MZM调制器还用于在所述连续激光中加载预设的调制信号。

7.根据权利要求1所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述SOI结构包括背衬底、埋氧化层和顶层硅，所述顶层硅设置在所述背衬底上，所述埋氧化层设置在所述背衬底和所述顶层硅之间；

所述传输波导和螺旋线型波导设置在所述顶层硅内；

所述埋氧化层用于隔离所述顶层硅和所述背衬底；

所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均设置在所述顶层硅上。

8.根据权利要求7所述的单片集成激光陀螺芯片，其特征在于，所述激光器、所述第一MZM调制器及所述第二MZM调制器均通过异质材料键合的方式设置在所述顶层硅上。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的单片集成激光陀螺芯片的单片集成激光陀螺芯片制备方法，所述方法包括：

S1、在所述SOI结构上制作所述第一波导、所述第二波导和所述螺旋线型波导；

S2、将InP晶片键合在所述SOI结构上；

S3、通过光刻工艺在所述InP晶片上制作所述激光器、第一MZM调制器及第二MZM调制器，并通过光刻精度对所述激光器与所述第一波导之间、所述第一波导与所述第一MZM调制器之间、所述第一MZM调制器与所述第二波导之间、所述第二波导与所述第二MZM调制器之间及所述第二MZM调制器与所述螺旋线型波导之间进行对准。

Images