CN114636413B - 基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片 - Google Patents
基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，包括第一光纤‑SiC波导耦合器、第二光纤‑SiC波导耦合器、第一3dB分束器、第二3dB分束器、第一相移器、第二相移器、第三光纤‑SiC波导耦合器、第四光纤‑SiC波导耦合器；第一与第二光纤‑SiC波导耦合器的分别与第一3dB分束器的两个分支相连；第一3dB分束器与第二3dB分束器的基波导相连；第二3dB分束器的一个分支通过第一相移器连接第三光纤‑SiC波导耦合器，另一个分支连接第四光纤‑SiC波导耦合器。本发明在保证光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高光纤陀螺的多项性能，实现光纤陀螺的更小型化、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片。
背景技术
由于可以实现高精度、高可靠的定位、姿态控制和绝对方向测量，光纤陀螺被广泛地应用于空间技术、军事应用、以及诸如汽车导航、机器人等许多民用领域。光纤陀螺一般基于分离的光纤器件实现光信号的产生、调制以及探测，不同的光纤器件通过尾纤熔接形成Sagnac干涉光学回路，从而不可避免地产生连接点处的寄生反射、额外的插入损耗以及对外部环境敏感的偏振失配等问题，进而降低系统测量精度。另外，采用分离光纤器件还会增大系统尺寸以及重量。为了解决上述问题，研究者们提出了集成光学陀螺，即将除传感线圈外其他光学器件集成在同一个芯片上从而构成集成光学驱动芯片，该芯片同保偏光纤或超低损耗的氮化硅波导等连接在一起形成Sagnac干涉回路，从而大大减少了光学陀螺的尺寸、重量、功耗以及成本。另一方面，对于干涉型光学陀螺，稳定的相位调制是实现系统中Sagnac相位差信号高灵敏度、高准确度提取的重要保证，从而要求相移器具备高调制响应度、高调制线性度、低插损以及大调制带宽等性能特性。
目前常用的集成光学平台主要包括绝缘体上硅基集成平台（SOI）、氮化硅集成平台（SiNOI）以及薄膜铌酸锂集成平台（LNOI）。由于Si、SiN等CMOS半导体材料不具有二阶非线性效应，硅基电光调制器主要基于自由载流子的等离子体色散效应，而该效应具有吸收性和非线性，因此导致耦合的相位和幅度调制，从而使得信号调制幅度发生畸变；SiN基电光调制器通常需要异质集成电光材料，进而利用线性电光效应实现相位或强度调制。基于薄膜铌酸锂（LiNbO3）的电光调制器具有较大的电光系数，但受光折变效应影响，光信号会发生畸变，且这种畸变随光功率增大而不断恶化，另外现有LNOI平台与CMOS工艺不兼容。
作为第三代半导体中的代表性材料，碳化硅（SiC）已经广泛应用于高功率电子器件。而在光子学领域，碳化硅开始崭露头角。相比传统半导体材料Si/SiN以及LiNbO3，SiC具有优异的光学、电学、热学以及力学特性：碳化硅的带隙对应于足够光子学应用的透光窗口0.38-2μm，SiC具有较高的二阶(30 pm/V)和三阶 (~10-19m2/W)线性系数；SiC具有高电子迁移率 (950cm2/V/s)和高临界击穿电场 (4MV/cm)，该击穿电场阈值约是LiNbO3的18倍；SiC具有高热导率 (480 W/m/K)和低热光系数（5.7×10-5/K），其热导率约是Si的4倍，SiN和LiNbO3的12倍，其热光系数与SiN、LiNbO3相当，比Si小3.5倍；并且SiC还具有高物理强度(莫氏硬度9.5)和大杨氏模量（450GPa），使得SiC能够适应严苛的工作环境。
SiC具有多种晶型，在光子学中常用的晶型主要为3C和4H。由于与Si的晶格常数失配，通过异质外延直接在硅表面生长的3C-SiC薄膜存在界面缺陷，导致波导损耗较大；而4H-SiC外延所需要的温度高于硅衬底熔化温度，无法直接在硅衬底上外延生长。目前常用的SiC集成光学平台通常基于在覆盖有SiO2层的硅衬底上制备的SiC薄膜，即3C-SiCOI和4H-SiCOI。对于3C-SiCOI，可采用外延生长技术制备，薄膜厚度可以在生长过程中直接控制；对于4H-SiCOI，可采用离子刀智能剥离与转移技术，在4英寸 SiC薄膜上可实现厚度偏差小于 0.2% ，表面粗糙度小于 0.5 nm，转移面积高于 95%。而且由于存在SiO2层，SiC薄膜质量不受晶格失配影响。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，以提高光学陀螺的稳定性和准确度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，所述芯片的层级组成从上到下依次为金属或者多晶硅构成的光吸收层、二氧化硅上包层、碳化硅层、二氧化硅掩埋层、硅衬底层，所述芯片包括第一光纤-SiC波导耦合器、第二光纤-SiC波导耦合器、第一3dB分束器、第二3dB分束器、第一相移器、第二相移器、第三光纤-SiC波导耦合器、第四光纤-SiC波导耦合器；
外部光源通过光纤与第一光纤-SiC波导耦合器一端相连；外部光电探测器通过光纤与第二光纤-SiC波导耦合器一端相连；第一光纤-SiC波导耦合器的另一端与第二光纤-SiC波导耦合器的另一端分别与第一3dB分束器的两个分支相连；第一3dB分束器的基波导通过弯曲波导与第二3dB分束器的基波导相连；第二3dB分束器的一个分支通过第一相移器连接第三光纤-SiC波导耦合器的一端，另一个分支连接第四光纤-SiC波导耦合器的一端；第三光纤-SiC波导耦合器、第四光纤-SiC波导耦合器的另一端分别与外部光纤环的两端相连。
进一步地，所述芯片还包括第二相移器，所述第二3dB分束器的另一个分支通过第二相移器连接第四光纤-SiC波导耦合器的一端。
进一步地，所述芯片上所有SiC波导均利用SiC晶体双折射和波导结构双折射设计实现单模单偏振工作。
进一步地，所述第一、第二、第三、第四光纤-SiC波导耦合器采用反向拉锥结构实现与保偏光纤的模场直径匹配，且所有光纤-SiC波导耦合器位于所述芯片同一侧，便于利用单个光纤阵列与外部光源、探测器和光纤环进行耦合。
进一步地，所述3dB分束器均采用Y型分束器、1×2多模干涉仪分束器或者定向耦合器中的一种结构实现。
进一步地，所述相移器均为SiC相移器，利用SiC材料实现相位调制，根据SiC晶体的晶轴[0,0,1]朝向，所述相移器的电极结构采用水平或垂直设计。
进一步地，当SiC晶轴[0,0,1]平行于芯片平面时，所述相移器的电极结构均采用水平设计，产生的射频电场在SiC波导内沿水平方向，以增大射频电场和SiC波导内准TE0光学模场之间的重叠因子，进而提高调制效率；所述相移器的结构从上到下依次是：金属或者多晶硅构成的光吸收层、SiO2上包层、金属电极和SiC波导、SiO2掩埋层、Si衬底。
进一步地，当SiC晶轴[0,0,1]垂直于芯片平面时，所述相移器电极结构采用垂直设计，产生的射频电场在SiC波导内沿垂直方向，以增大射频电场和SiC波导内准TM0光学模场之间的重叠因子，进而提高调制效率；所述相移器结构从上到下依次是：金属或者多晶硅构成的光吸收层、SiO2上包层、top电极、SiO2中间层、SiC波导和bottom电极、SiO2掩埋层、Si衬底。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用SiC晶体双折射和波导结构双折射设计实现了波导的单模单偏振工作，从而无需额外的起偏器即可实现系统的片上完全的单偏振工作，有效减少了系统的复杂度，提升了系统的稳定性。
2、相比Si、SiN、LiNbO3，SiC材料具有更大的热导率 (480 W/m/K), 约是Si的4倍，SiN和LiNbO3的12倍，而且其热光系数（5.7×10-5/K）与SiN、LiNbO3相当，比Si小3.5倍，故基于SiCOI的光学陀螺集成芯片对环境温度的变化不敏感，可以更好地抑制温度漂移效应，提高陀螺的稳定性；此外，SiC材料具有高物理强度(莫氏硬度 9.5)、大杨氏模量（450 GPa），可以承载较高的光功率，可以与CMOS电子进行共集成；
3、SiC的带隙对应的光子学应用透光窗口覆盖紫外到中红外波段，因此基于SiCOI的光学陀螺集成芯片可以工作在更短的波长，具有更大的标度因子。
4、相比传统半导体材料Si/SiN，SiC具有较强的二阶非线性系数；相比传统电光材料LiNbO3等，SiC具有CMOS工艺兼容性，因此无需通过异质集成和特殊工艺，即可通过传统的刻蚀工艺在单片SiCOI芯片上实现光信号的传输、起偏、分束、电光调制等功能；并且由于SiC具有非常高的击穿电场阈值（4MV/cm），SiCOI芯片还可以与射频放大器进行共集成，实现更紧凑高效的电光调制。
附图说明
图1是本发明一种实施例的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片的结构示意图。
图2是本发明另一种实施例的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片的结构示意图。
图3是本发明实施例的单模SiC波导对应的宽度和高度分布范围；（a）波长为785nm下准TE0束缚模式的有效折射率与SiO2包层折射率差随波导宽度、高度的变化；（b）是（a）对应的等高线分布。
图4是本发明一种实施例的相移器的结构示意图，晶轴[0,0,1]平行于芯片平面，电极结构采用水平设计；（a）是相移器结构俯视图；（b）是（a）中点划线处的横截面视图。
图5是本发明另一种实施例的相移器的结构示意图，晶轴[0,0,1]垂直于芯片平面，电极结构采用垂直设计；（a）是相移器结构俯视图；（b）是（a）中点划线处的横截面视图。
附图标号说明
在图1中，第一光纤-SiC波导耦合器1-1，第二光纤-SiC波导耦合器1-2，第一3dB分束器2，第二3dB分束器3，相移器4，第三光纤-SiC波导耦合器5-1，第四光纤-SiC波导耦合器5-2，标号6的箭头方向为外部光源输入的方向，标号7的箭头方向为输出到外部探测器的光的方向；
在图2中，第一光纤-SiC波导耦合器1-1，第二光纤-SiC波导耦合器1-2，第一3dB分束器2，第二3dB分束器3，第一相移器4-1，第二相移器4-2，第三光纤-SiC波导耦合器5-1，第四光纤-SiC波导耦合器5-2，标号6的箭头方向为外部光源输入的方向，标号7的箭头方向为输出到外部探测器的光的方向。
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结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参照图1～图2，图1为采用单个相移器调制的结构设计，图2为采用两个相移器推挽（push-pull）调制的结构设计。本发明实施例的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片包括第一光纤-SiC波导耦合器1-1、第二光纤-SiC波导耦合器1-2、第一3dB分束器2、第二3dB分束器3、第一相移器4-1、第二 相移器4-2、第三光纤-SiC波导耦合器5-1、第四光纤-SiC波导耦合器5-2。
外部光源通过光纤与第一光纤-SiC波导耦合器1-1一端相连；外部光电探测器通过光纤与第二光纤-SiC波导耦合器1-2一端相连；第一光纤-SiC波导耦合器1-1的另一端与第二光纤-SiC波导耦合器1-2的另一端分别与第一3dB分束器2的两个分支相连；第一3dB分束器2的基波导通过弯曲波导与第二3dB分束器3的基波导相连；第二3dB分束器3的两个分支分别与第一相移器4-1、第二相移器4-2的一端相连；第一相移器4-1、第二相移器4-2的另一端分别与第三光纤-SiC波导耦合器5-1、第四光纤-SiC波导耦合器5-2的一端相连；第三光纤-SiC波导耦合器5-1、第四光纤-SiC波导耦合器5-2的另一端分别与外部光纤环的两端相连。
以图2所示结构为例，外部光源输出的光经光纤沿箭头6标识的方向耦合到芯片上的第一光纤-SiC波导耦合器1-1，由于所设计SiC波导为单模波导，故波导中仅支持一个束缚模式（即基模），该模式通过第一3dB分束器2后，进入第二3dB分束器3并分成两束，一束经第一相移器4-1相位调制后，经第三光纤-SiC波导耦合器5-1耦合进入光纤环；另一束经第二相移器4-2相位调制后，经第四光纤-SiC波导耦合器5-2耦合进入光纤环；这两束光在光纤环中分别沿顺时针和逆时针方向相向传播，且两束光满足相干条件。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而回到第二3dB分束器3处的干涉光强发生变化；该干涉光信号经第二3dB分束器3、第一3dB分束器2、第二光纤-SiC波导耦合器1-2后，沿箭头7标识的方向耦合输出到外部光电探测器，从而检测出变化的光强，经处理后即得转动角速度信息。
作为一种实施方式，基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片的层级组成从上到下依次为金属或者多晶硅构成的光吸收层、二氧化硅上包层、碳化硅层、二氧化硅掩埋层、硅衬底层。本发明的各单元器件均位于碳化硅层。优选地，光吸收层采用多晶硅，厚度设置为0.5μm，以实现对芯片结构中的杂散光较充分的吸收。杂散光主要来源于波导散射、3dB分束器泄露光、被激发的波导泄漏模式的辐射、输入/输出端面的寄生反射和散射等。
作为一种实施方式，所述芯片上所有SiC波导（如3dB分束器、耦合器、相移器等）利用SiC晶体双折射和波导结构双折射设计实现单模单偏振工作。即情况一，波导内仅支持准TE0模式，包括准TM0在内的其他模式均为泄漏模式；或者情况二，波导内仅支持准TM0束缚模式，包括准TE0在内的其他模式均为泄漏模式。
在该实施例中，设置SiC晶体晶轴[0,0,1]平行于芯片平面（SiC晶轴是指SiC晶体中原子周期排列三维结构的特定方向，对应其光学各向异性特点），且波导宽度大于高度，故基模为准TE0模式；以785-885nm的光学陀螺工作带宽为例，同一波导尺寸下波长越小越易出现高阶束缚模式，故考察波导在785nm波长下的单模条件。满足单模条件的准TE0模式与SiO2包层折射率之差随波导宽度和高度的分布如图3所示。根据图中所示结果，该实例中波导尺寸可选择为300nm×40nm。对于晶轴[0,0,1]垂直于芯片平面且波导宽度小于高度的情况，此时波导内基模为准TM0模式；在同样波长条件下，将第一种情况下的宽度和高度交换记为该情况下的波导单模条件。
作为一种实施方式，所述芯片中的二氧化硅上包层和掩埋层的厚度不小于3μm,对应的SiC波导中束缚模式传输损耗小于10-6/cm。本发明通过设置合理的厚度，避免SiC波导中的准TE0基模或者准TM0基模受到光吸收层和硅衬底的影响而增加额外的吸收损耗。
作为一种实施方式，所述第一、第二、第三、第四光纤-SiC波导耦合器均采用反向拉锥结构实现端面处SiC波导与保偏光纤之间的模场匹配，且位于芯片同一侧，便于利用单个光纤阵列（FA）与外部光源、探测器和光纤环进行耦合。在该实施例中，通过优化反向拉锥结构中端面波导宽度和拉锥长度，在近红外波段可实现与超细径保偏光纤（包层直径为40μm，纤芯直径为3μm）的模场匹配，耦合效率大于90%。
作为一种实施方式，所述3dB分束器可采用多模干涉仪（MMI）分束器、Y型分束器或者定向耦合器等实现。优选地，所述第一3dB分束器2和第二3dB分束器3采用Y型分束器实现。在该实施例中，通过对Y型结构优化设计，在近红外波段准TE0模式在每个端口的透过率>49%。
本发明的相移器可利用SiC材料的线性电光效应实现相位调制，其最大电光系数分量d33约为32~38pm/V，根据SiC晶体的晶轴[0,0,1]朝向，相移器电极结构可采用水平或垂直设计。作为一种实施方式，所述第一相移器和第二相移器采用水平电极结构设计，即对应晶轴[0,0,1]平行于芯片平面，相移器结构设计如图4所示，从上到下依次是：多晶硅层、SiO2上包层、金属电极和SiC波导、SiO2掩埋层、Si衬底。在SiC波导内射频电场分布主要沿水平方向，从而可以增大射频电场和波导准TE0光学模场之间的重叠因子。为了提高电光调制效率以及减小波导模式的传输损耗，需要对SiC波导的宽度和高度、水平电极间隔以及厚度等关键因素进行合理的优化设计。在该实施例中，单模SiC波导尺寸为300×40nm，电极间隔4μm，电极厚度100nm，相移器调制效率约为3V·cm。
作为另一种实施方式，所述第一相移器和第二相移器采用垂直电极结构设计，即对应晶轴[0,0,1]垂直于芯片平面，相移器结构设计如图5所示，从上到下依次是：多晶硅层、SiO2上包层、top电极、SiO2中间层、SiC波导和bottom电极、SiO2掩埋层、Si衬底。在SiC波导内射频电场分布主要沿垂直方向，从而可以增大射频电场和波导准TM0光学模场之间的重叠因子。为了提高电光调制效率以及减小波导模式的传输损耗，需要对SiC波导的横向尺寸、水平电极间隔、电极厚度、SiO2中间层厚度等关键因素进行合理的优化设计。在该实施例中，单模SiC波导尺寸为40×300nm，水平电极间隔4μm，电极厚度200nm，SiO2中间层厚度为1.5μm，相移器调制效率约为2.5V·cm。
对于以上两种不同的结构设计，为了提高电光调制效率以及减小波导模式的传输损耗，需要对SiC波导的横向尺寸、电极间隔、SiO2中间层厚度等关键因素进行合理的优化设计。
本发明适用于830nm、850nm、1310nm以及1550nm等光纤陀螺可用的波段。本发明在保证光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高光纤陀螺的多项性能，实现光纤陀螺的更小型化、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (7)
1.一种基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，所述芯片的层级组成从上到下依次为金属或者多晶硅构成的光吸收层、二氧化硅上包层、碳化硅层、二氧化硅掩埋层、硅衬底层，所述芯片包括第一光纤-SiC波导耦合器、第二光纤-SiC波导耦合器、第一3dB分束器、第二3dB分束器、第一相移器、第二相移器、第三光纤-SiC波导耦合器、第四光纤-SiC波导耦合器；
外部光源通过光纤与第一光纤-SiC波导耦合器一端相连；外部光电探测器通过光纤与第二光纤-SiC波导耦合器一端相连；第一光纤-SiC波导耦合器的另一端与第二光纤-SiC波导耦合器的另一端分别与第一3dB分束器的两个分支相连；第一3dB分束器的基波导通过弯曲波导与第二3dB分束器的基波导相连；第二3dB分束器的一个分支通过第一相移器连接第三光纤-SiC波导耦合器的一端，另一个分支连接第四光纤-SiC波导耦合器的一端；第三光纤-SiC波导耦合器、第四光纤-SiC波导耦合器的另一端分别与外部光纤环的两端相连；
所述芯片上所有SiC波导均利用SiC晶体双折射和波导结构双折射设计实现单模单偏振工作。
2.如权利要求1所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，所述芯片还包括第二相移器，所述第二3dB分束器的另一个分支通过第二相移器连接第四光纤-SiC波导耦合器的一端。
3.如权利要求1所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，所述第一光纤-SiC波导耦合器、第二光纤-SiC波导耦合器、第三光纤-SiC波导耦合器、第四光纤-SiC波导耦合器采用反向拉锥结构实现与保偏光纤的模场直径匹配，且所有光纤-SiC波导耦合器位于所述芯片同一侧，便于利用单个光纤阵列与外部光源、探测器和光纤环进行耦合。
4.如权利要求1所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，所述第一3dB分束器、第二3dB分束器均采用Y型分束器、1×2多模干涉仪分束器或者定向耦合器中的一种结构实现。
5.如权利要求1或2所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，所述第一相移器、第二相移器均为SiC相移器，利用SiC材料实现相位调制，根据SiC晶体的晶轴[0,0,1]朝向，所述第一相移器、第二相移器的电极结构采用水平或垂直设计。
6.如权利要求5所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，当SiC晶轴[0,0,1]平行于芯片平面时，所述第一相移器、第二相移器的电极结构均采用水平设计，产生的射频电场在SiC波导内沿水平方向，以增大射频电场和SiC波导内准TE0光学模场之间的重叠因子，进而提高调制效率；所述第一相移器、第二相移器的结构从上到下依次是：金属或者多晶硅构成的光吸收层、SiO2上包层、金属电极和SiC波导、SiO2掩埋层、Si衬底。
7.如权利要求5所述的基于绝缘衬底上碳化硅光子集成平台的光学陀螺集成芯片，其特征在于，当SiC晶轴[0,0,1]垂直于芯片平面时，所述第一相移器、第二相移器电极结构采用垂直设计，产生的射频电场在SiC波导内沿垂直方向，以增大射频电场和SiC波导内准TM0光学模场之间的重叠因子，进而提高调制效率；所述第一相移器、第二相移器结构从上到下依次是：金属或者多晶硅构成的光吸收层、SiO2上包层、top电极、SiO2中间层、SiC波导和bottom电极、SiO2掩埋层、Si衬底。
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