CN114690453A - 压电-弹光相移器及光学陀螺SiN集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种压电‑弹光相移器及光学陀螺SiN集成芯片，所述相移器包括金属引线、top电极、压电薄膜材料、bottom电极、SiO2中间层、SiN波导、SiO2包层，Si衬底。金属引线分别与top电极和bottom电极相连；压电薄膜材料位于top电极和bottom电极中间；在bottom电极和SiN波导之间存在SiO2中间层，SiN波导下方依次为SiO2包层、Si衬底。本发明采用顶部或底部沉积压电薄膜材料层实现，可在可见光‑近红外波段实现高带宽、低功耗的相位调制，而且具有较低的光插损以及较高的光功率阈值。本发明提升了光纤陀螺的稳定性及可靠性，实现光纤陀螺的小型化，降低了光纤陀螺的成本。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种压电-弹光相移器及光学陀螺SiN集成芯片。
背景技术
由于可以精确测量角位移，高灵敏度的陀螺仪在一系列领域中，如航空导航、机器人、无人汽车驾驶以及地理测绘等，发挥着至关重要的作用，低廉紧凑的陀螺仪更是受到市场的广泛需求。基于Sagnac效应的光学陀螺由于其高灵敏度受到了广泛的关注，已经发展成为了一项多用途的成熟技术。相比传统基于角动量守恒的机械陀螺，光学陀螺没有运动模块，因此不受重力、冲击和振动的影响，从而也意味着不需要任何特殊的万向悬挂架或者封装手段。
作为光学陀螺的典型代表，光纤陀螺目前已经发展成为具有高灵敏度、高稳定性、可信赖的成熟技术手段，具有比最先进的微机电陀螺更好的性能表现，而且具有更低的成本、功耗以及尺寸。然而，目前大部分光纤陀螺采用分离的光学器件来实现光信号的产生、调制以及探测，而这些分离的光学器件通常通过尾纤相互连接在一起，从而形成Sagnac干涉光学回路。尽管采用分离器件提供了可以选择不同器件的自由度，但同样导致了一系列的问题，如寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等，上述情况均会不同程度的降低系统性能。尽管通过采用如模式和偏振滤光器件可以尽可能的减少上述效应的影响，但是额外增加了封装成本。另外，采用一系列分离光学器件还会增大系统尺寸以及重量。-
为了避免上述采用分离器件引入的寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等，近年来，随着集成光子学的发展，研究者们提出了集成光学陀螺。通过将除传感线圈外光学陀螺需要的所有有源和无源光学器件进行集成，构成集成光学驱动（IOD）芯片，该驱动芯片可以同传感线圈，如被动光纤或超低损耗的氮化硅波导，连接在一起形成干涉光学陀螺。这样以来，该集成驱动芯片大大减少了光学陀螺的尺寸、重量、功耗以及制作成本，从而将为光学陀螺的普及起到重要的推动作用。
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较高的调制响应度、调制线性度以及大调制带宽等性能特性。目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成相移器主要基于体铌酸锂波导中的电光效应实现，用于实现不同精度下的光纤陀螺中干涉相位的闭环反馈，以降低器件漂移的影响，具有较高的精度。但是基于质子扩散工艺的传统LiNbO3波导集成芯片也存在一些不足：（1）波导和包层之间较低的折射率差导致较弱的光场限制能力，从而需要金属电极与波导保持较大的间隔，进而降低了电光调制效率；（2）因为LiNbO3的光学各向异性将光路布局的自由度限制为一维，从而限制了光路尺寸的进一步减小以及集成自由度的进一步增加；（3）传统铌酸锂光波导制作方法为质子交换法，对质子交换的时间、温度、交换介质的特性及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高；（4）基于LiNbO3的电光调制器受光折变效应影响，光信号会发生畸变，且这种畸变随光功率增大而不断恶化。
近年来，对如绝缘体上硅 (SOI) 等集成平台中波导的包层应力管理得到了深入研究，尤其是对于波导横截面尺寸较小的情形（微米量级）。施加在波导上的应力产生应变，进而通过弹光效应改变材料的折射率。与用于改变光学介质折射率的其他效应（例如热光效应或注入载流子色散效应）相比，光弹性效应可产生相对较强的双折射。
集成光波导的包层应力管理主要包括：被动管理和主动管理。被动管理主要利用发生应变的介电包层产生的静态应力，对波导中模式双折射或者波导材料本身的特性施加影响。例如，利用二氧化硅包层引起的应力消除硅波导中的模式双折射，实现各种偏振无关的集成器件；以及利用氮化硅应变包层破坏硅晶体的中心对称性，从而实现二阶极化率进而表现出线性电光效应。波导结构中应力的主动控制可以通过在结构顶部沉积压电薄膜材料来实现，典型案例包括：利用压电薄膜调谐硅薄膜上形成的光子晶体微腔的共振、利用压电薄膜实现基于SiO2波导的干涉仪中的相位调制以实现光开关功能，以及利用压电薄膜在硅波导中实现可调谐的双折射进而实现非线性过程中的相位匹配。
相比热光调制，在相同功耗下，基于压电效应的调制器具有更高的调制速率（可实现100 MHz的调制带宽），且可承载高光功率。另一方面，在相同的调制速率下，弹光调制器具有低得多的功耗。而且类似于热光调制，在对弹光调制器最小功耗和最大调制速度方面进行优化时无需折衷考虑光插损的影响。
因此，对于光学陀螺集成驱动芯片中的关键主动控制器件-相移器，除上述基于LiNbO3材料的解决方案外，基于压电薄膜材料的弹光相移器将会提供一种有力的解决方案。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种压电-弹光相移器及光学陀螺SiN集成芯片，以克服传统基于体LiNbO3材料的光学陀螺集成芯片面临的上述问题，提高光学陀螺的稳定性和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种压电-弹光相移器，包括：金属引线、top电极、压电薄膜材料、bottom电极、SiO2中间层、SiN波导、SiO2包层、Si衬底。
金属引线分别与top电极和bottom电极相连；压电薄膜材料位于top电极和bottom电极中间；在bottom电极和SiN波导之间存在具有预设厚度的SiO2中间层，SiN波导下方依次为SiO2包层、Si衬底。
进一步地，所述压电-弹光相移器的结构采用顶部或底部沉积压电薄膜材料层的SiN波导结构。
进一步地，所述SiO2中间层采用朝上或朝下的脊形结构。
相应地，本发明实施例还提供了一种光学陀螺SiN集成芯片，包括第一光纤-波导模式转换器、第二光纤-波导模式转换器、第一3dB耦合器、起偏器、第二3dB耦合器、第一压电-弹光相移器、第三光纤-波导模式转换器、第四光纤-波导模式转换器；所述第一压电-弹光相移器采用上述的压电-弹光相移器；
第一光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的一个分支相连；第二光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的另一个分支相连；第一3dB耦合器的基波导与起偏器的一端相连；起偏器的另一端与第二3dB耦合器的基波导相连；第二3dB耦合器的一个分支通过第一压电-弹光相移器连接第三光纤-波导模式转换器一端，第三光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环一端相连；第二3dB耦合器的另一个分支连接第四光纤-波导模式转换器一端，第四光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环另一端相连。
进一步地，还包括第二压电-弹光相移器，第二3dB耦合器的另一个分支通过第二压电-弹光相移器连接第四光纤-波导模式转换器一端。
本发明的有益效果为：
1、基于薄膜压电材料的弹光相移器设计，可以确保在可见光-近红外波段实现高带宽（>100MHz）、低功耗（<1μW）的相位调制，以及较低的光插损和较高的光功率阈值。
2、由于SiN波导在近红外波长区域具有高的透射特性，使得基于SiN光学集成芯片的光纤陀螺在短波长区域具有更大的标度因子。
3、在SiN波导中可以实现较大的双折射，而具有高双折射的波导可以提供较好的相位误差抑制。
4、提升了光纤陀螺的温度稳定性及可靠性，实现光纤陀螺的小型化。由于SiN材料较大的热导率以及较小的热光系数，从而使得环境温度的变化对器件的光学传输特性影响较小，进而一定程度上抑制了温度漂移效应，提高了陀螺的温度稳定性。另外，通过集成光波导和器件，避免了采用分离器件引入的寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等，进一步提高了系统的可靠性，并且减小了体积，适合小型化光纤陀螺的集成，也使得光纤陀螺的成本进一步降低。
附图说明
图1是本发明实施例的压电-弹光相移器的俯视结构示意图。
图2是图1中点划线处的横截面视图。
图3是本发明实施例的SiO2中间层采用脊形结构时对应的相移器结构的横截面视图。
图4是本发明一种实施例的光学陀螺SiN集成芯片的结构示意图。
图5是本发明另一种实施例的光学陀螺SiN集成芯片的结构示意图。
图6是本发明实施例的光纤-波导模式转换器的俯视示意图。
图7是本发明实施例的光纤-波导模式转换器的截面示意图。
图8是本发明实施例的3dB耦合器的结构示意图。
图9是本发明实施例的起偏器的俯视示意图。
附图标号说明
第一光纤-波导模式转换器1-1，第二光纤-波导模式转换器1-2，第一3dB耦合器2，起偏器3，第二3dB耦合器4，第一相移器5-1，第二相移器5-2，第三光纤-波导模式转换器6-1，第四光纤-波导模式转换器6-2，标号7的箭头方向为外部光源输入的方向，标号8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，本发明实施例的压电-弹光相移器采用顶部沉积压电薄膜材料层的SiN波导结构，从上到下依次包括：SiO2上包层、金属引线、top电极、压电薄膜材料、bottom电极、SiO2中间层、SiN波导、SiO2下包层、Si衬底。
金属引线分别与top电极和bottom电极相连；压电薄膜材料位于top电极和bottom电极中间；在bottom电极和SiN波导之间存在具有预设厚度的SiO2中间层，SiN波导下方依次为SiO2包层、Si衬底。
作为一种实施方式，所述压电-弹光相移器采用SiN波导的顶部沉积压电薄膜材料层设计时，SiO2中间层可采用朝上的脊形结构，从而将压电薄膜材料层产生的应变限制在波导中心区域，增强相移器调制效率。对应的相移器结构的横截面如图3所示。
作为一种实施方式，压电-弹光相移器采用SiN波导的底部沉积压电薄膜材料层设计时，SiO2中间层可采用朝下的脊形结构，从而将压电薄膜材料层产生的应变限制在波导中心区域，增强相移器调制效率。
作为一种实施方式，所述压电-弹光相移器可以选择的压电薄膜材料包括但不限于：Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)、(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3 (LF4)、ZnO、PbNb2O6(PN)、AlN、ScxAl1-xN等压电陶瓷晶体。在选择压电薄膜材料时需注意压电材料的最高承受温度与压电系数之间的折衷关系，即最高承受温度越高的压电材料，其压电系数越低。例如，在许多电子器件中广泛使用的锆钛酸铅（PZT）的居里温度和压电系数d33分别为250°C和410 pC/N，而典型的高温压电材料氮化铝（AIN）的最高使用温度和d33分别为1150°C和5.5pC/N。本发明实施例的压电薄膜材料选择在最大承受温度和压电系数之间具有较好平衡性的Sc0.43Al0.57N，其最大承受温度>1000℃，压电系数d33为24.6pC/N，对应四面体键合类型半导体中最大的压电系数。bottom电极和top电极均选择厚度为100nm的Al。为了实现更好的应变转移，单模SiN波导通过绝热taper过渡到更大的波导宽度，然后再通过另一个绝热taper过渡到初始波导宽度。通过合理优化ScAlN薄膜的厚度和宽度、中间SiO2包层的厚度以及SiN波导宽度，以最大化相移器的调制效率以及最小化波导传输损耗。在该实施例中，单模SiN波导尺寸为1200×45nm，经绝热taper后宽度扩展为5μm，中间SiO2包层厚度为2μm，ScAlN薄膜的厚度和宽度分别为2μm和30μm，相移器调制效率约为10V·cm。
参照图4～图5，本发明利用上述压电-弹光相移器，设计了可实现主动相位调制的光学陀螺SiN集成芯片。本发明的光学陀螺SiN集成芯片包括第一光纤-波导模式转换器、第二光纤-波导模式转换器、第一3dB耦合器、起偏器、第二3dB耦合器、第一压电-弹光相移器、第三光纤-波导模式转换器、第四光纤-波导模式转换器。
第一光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的一个分支相连。第二光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的另一个分支相连。第一3dB耦合器的基波导与起偏器的一端相连；起偏器的另一端与第二3dB耦合器的基波导相连。第二3dB耦合器的一个分支通过第一压电-弹光相移器连接第三光纤-波导模式转换器一端，第三光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环一端相连。第二3dB耦合器的另一个分支连接第四光纤-波导模式转换器一端，第四光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环另一端相连。
作为一种实施方式，光学陀螺SiN集成芯片还包括第二压电-弹光相移器，第二3dB耦合器的另一个分支通过第二压电-弹光相移器连接第四光纤-波导模式转换器一端。第二压电-弹光相移器和第一压电-弹光相移器结构相同。
以图5所示结构为例，外部光源输出的光经光纤沿箭头7标识的方向耦合到芯片上的第一光纤-波导模式转换器1-1，第一光纤-波导模式转换器1-1输出的光包含两种不同的偏振模式（准TE0和TM0）；两种不同的偏振模式通过第一3dB耦合器2后，进入起偏器3，由于起偏器的偏振选择，将准TM0模式泄露到了SiO2包层中，而在SiN波导中只保留了准TE0模式；该TE0模式进入第二3dB耦合器4并分成两束，一束经第一相移器5-1相位调制后，经第三光纤-波导模式转换器6-1耦合进入光纤环；另一束经第二相移器5-2相位调制后，经第四光纤-波导模式转换器6-2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耦合器4处的干涉光强发生变化；该干涉光信号经第二3dB耦合器4、起偏器3、第一3dB耦合器2、第二光纤-波导模式转换器1-2后，沿箭头8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，所述第一、第二、第三、第四光纤-波导模式转换器为光纤-SiO2波导模式转换器，均采用inversed taper结构实现与输入保偏光纤的模场直径匹配。如图6和图7所示，以超细径保偏光纤为例，其包层直径为40μm，纤芯直径为3μm，在波长830nm处，光纤中的准TE0模式的模场直径约为3.7μm；对于inversed taper结构，通过优化输入端波导的宽度，可实现与光纤模场直径的匹配。在该实施例中，SiN波导厚度为45nm，输入端波导宽度为358nm，对应波导中的准TE0模式在830nm下的模场直径约为3.7μm，可实现92.4%的耦合效率。输入端直波导长度为50μm，taper长度为1000μm，输出端波导宽度为1200nm。
作为一种实施方式，所述第一3dB耦合器2和第二3dB耦合器4采用Y型分束器实现。为了减少寄生反射以及降低加工误差，基于反向设计原理对所述Y型分束器的边界进行了优化，在保证前向透过率的前提下，并抑制了后向反射，在近红外波段内可以实现准TE0模式的透过率>98%，其结构设计如图8所示。在该实施例中，SiN波导厚度为45nm，宽度为1.2μm，耦合区域的长度为20μm，在该耦合区域中均匀分布的用于产生连续边界分布的离散宽度值分别为1.2、1.4、1.6、1.82、2.08、2.16、2.74、2.94、2.7、2.6μm，两臂之间的距离为0.2μm。
作为一种实施方式，所述起偏器3由具有大宽-高比的曲率连续分布的弯曲波导组成，其结构如图9所示。在目标工作波长范围内，合理选择波导尺寸，使其具有足够大的宽-高比，从而波导内仅支持准TE0/TM0两个模式，且二者之间有足够大的有效折射率差，故TM0的弯曲辐射损耗远大于TE0，从而在足够长的传输距离下实现偏振选择；另一方面，选择合适的弯曲半径，确保在合理长度的传播距离下准TE0模式的传播损耗小于0.5dB，且准TE0/TM0两个模式之间的偏振消光比大于50dB；此外，设计从输入端到输出端曲率连续分布的弯曲波导结构，从而避免TE0模式由于曲率不连续引起的散射损耗，提高起偏器的偏振消光比。在该实施例中，SiN波导尺寸为1200×45nm，最小弯曲半径为500μm，弯曲波导总的长度为6mm。
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。
本发明适用于830nm、850nm、1310nm以及1550nm等光纤陀螺可用的波段。
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 (5)
1.一种压电-弹光相移器，其特征在于，包括金属引线、top电极、压电薄膜材料、bottom电极、SiO2中间层、SiN波导、SiO2包层、Si衬底；
金属引线分别与top电极和bottom电极相连；压电薄膜材料位于top电极和bottom电极中间；在bottom电极和SiN波导之间存在具有预设厚度的SiO2中间层，SiN波导下方依次为SiO2包层、Si衬底。
2.如权利要求1所述的压电-弹光相移器，其特征在于，所述压电-弹光相移器的结构采用顶部或底部沉积压电薄膜材料层的SiN波导结构。
3.如权利要求2所述的压电-弹光相移器，其特征在于，所述SiO2中间层采用朝上或朝下的脊形结构。
4.一种光学陀螺SiN集成芯片，其特征在于，包括第一光纤-波导模式转换器、第二光纤-波导模式转换器、第一3dB耦合器、起偏器、第二3dB耦合器、第一压电-弹光相移器、第三光纤-波导模式转换器、第四光纤-波导模式转换器；所述第一压电-弹光相移器采用如权利要求1-3中任一项所述的压电-弹光相移器；
第一光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的一个分支相连；第二光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的另一个分支相连；第一3dB耦合器的基波导与起偏器的一端相连；起偏器的另一端与第二3dB耦合器的基波导相连；第二3dB耦合器的一个分支通过第一压电-弹光相移器连接第三光纤-波导模式转换器一端，第三光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环一端相连；第二3dB耦合器的另一个分支连接第四光纤-波导模式转换器一端，第四光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环另一端相连。
5.如权利要求4所述的光学陀螺SiN集成芯片，其特征在于，还包括第二压电-弹光相移器，第二3dB耦合器的另一个分支通过第二压电-弹光相移器连接第四光纤-波导模式转换器一端。
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|---|---|---|---|---|
| CN116046024A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于弹性模量差分的光纤陀螺漂移控制方法及光纤陀螺 |
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2022
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