CN117490676B - 单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺，所述芯片包括薄膜铌酸锂衬底，薄膜铌酸锂衬底上集成有分束器A、模式转换器以及N路陀螺光路，陀螺光路包括分束器B、滤波器、分束器C、相位调制器A，滤波器连接分束器B和分束器C的输入端口，分束器A的输出端口分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口，分束器A的输入端口、陀螺光路的分束器C的输出端口、分束器B的另一输出端口分别连接模式转换器。本发明利用薄膜铌酸锂波导传输损耗低，弯曲半径小，以及电光系数高的特性，使用单芯片实现三轴光纤陀螺的同步高精度驱动，解决光纤陀螺高性能、小体积、低成本以及规模化量产等问题。

Description

单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺

技术领域

本发明涉及集成光学领域和光纤传感技术领域，尤其涉及一种单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺用于敏感载体的旋转角速度，是载体惯性导航、姿态稳定、运动控制的核心传感器。光纤陀螺工作原理基于旋转Sagnac效应，即在光纤环中顺逆传输两束光的相位差正比于旋转角速度，通过对相位差干涉强度的检测可以实现旋转角速度。为提升Sagnac效应的检测灵敏度，光纤陀螺光路结构由多匝光纤环、宽谱光源、相位调制器、偏振器、耦合器等多种光器件组成。目前传统的光纤陀螺使用分立的光源、耦合器、相位调制器等依赖人工逐一熔接、装配而成，体积大、效率低、成本高、一致性差。而一套完整的惯性测量组件，需要敏感三维空间的运动，因此需要同步应用三轴光纤陀螺，单轴陀螺的低生产效率更加剧了惯性组件制造的难度。

为解决上述问题，将光纤陀螺技术与光子芯片技术相结合，使用半导体晶圆加工工艺将陀螺偏振器、耦合器等核心光器件集成于硅基光子芯片之上，可以大幅提升陀螺生产效率，提升产品的一致性，实现陀螺的规模化量产。鉴于技术的成熟度，目前的光子芯片多采用硅、二氧化硅或氮化硅等作为基底材料，美国KVH公司基于氮化硅工艺开发了首支可商用的光子芯片光纤陀螺。但硅基光子芯片技术无法实现高频线性调制，无法制作陀螺所必须的高频调制器，因此该公司所开发的光子芯片光纤陀螺需要外挂相位调制器，集成化程度不高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺，以解决光纤陀螺高性能、小体积、低成本以及规模化量产等问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，包括薄膜铌酸锂衬底，薄膜铌酸锂衬底上集成有分束器A、模式转换器以及N路陀螺光路，陀螺光路包括分束器B、滤波器、分束器C、相位调制器A，分束器A为1×N分束器，分束器B和分束器C均为1×2分束器，滤波器连接分束器B和分束器C的输入端口，分束器A的输出端口分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口，分束器A的输入端口、陀螺光路的分束器C的输出端口、分束器B的另一输出端口分别连接模式转换器，相位调制器A调制分束器C与模式转换器之间的光路，N为正整数。

进一步地，薄膜铌酸锂衬底上还集成有N组可变光衰减器，分束器A的输出端口通过可变光衰减器分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口。

进一步地，可变光衰减器包括2个分束器D和一个相位调制器B，分束器D为1×2分束器，可变光衰减器采用由2个1*2分束器和一个相位调制器B构成的MZI干涉仪结构，实现MZI输出的幅度调节。

进一步地，所述相位调制器A和相位调制器B均采用设置于波导两侧的电极结构，通过施加电压实现相位调制。

进一步地，N≥3。

进一步地，所述滤波器为偏振滤波器和空间模滤波器，所述滤波器采用与工作波长匹配的具有偏振选择性的直或者弯曲单模波导结构。

进一步地，模式转换器由反向拉锥的薄膜铌酸锂波导实现。

相应地，本发明实施例还提供了一种光纤陀螺，包括上述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，还包括光源、光纤阵列以及N路与陀螺光路连接的光纤环和探测器，陀螺光路的分束器C的输出端口通过模式转换器和光纤阵列连接光纤环，分束器B的另一输出端口通过模式转换器和光纤阵列连接探测器，分束器A的输入端口通过模式转换器和通道阵列连接光源。

进一步地，光纤环的端口放置于所述芯片一侧，利用光纤阵列同时完成多根光纤与所述芯片的耦合。

进一步地，光源的入射端口方向与光纤环的端口方向垂直。

本发明的有益效果为：

1、本发明仅需使用单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片便可替代传统光纤陀螺逐一制作、逐一装配的分立器件，以及替代近期出现的硅光芯片结合外挂调制器的方案。本发明的实施采用完全与半导体芯片的晶圆制造兼容的工艺，不需要额外引入与该工艺不兼容的任何电光材料，可以大幅提升生产效率，缩小产品体积，降低产品成本。

2、本发明采用薄膜铌酸锂作为单一基底材料，实现光波的传播、模场、偏振及相位控制，在同一芯片上集成三轴光纤陀螺驱动光路，减小系统体积。

3、本发明完成复用光路设计，使用1支光源同时驱动3轴陀螺，降低系统成本。

4、本发明利用薄膜铌酸锂电光特性，集成可变光衰减器，稳定陀螺输入光强，提升陀螺信噪比。

附图说明

图1是本发明一种实施例的光纤陀螺的结构示意图。

图2是本发明另一种实施例的光纤陀螺的结构示意图。

图3是本发明实施例的可变光衰减器的衰减比率与调制相位差关系图。

图4是本发明实施例采用的1×3分束器的设计示意图。

图5是本发明实施例采用的相位调制器的结构示意图。

附图标号说明

单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片1，光纤环2，光源4，探测器5，陀螺光路10，分束器B11，滤波器12，相位调制器A13，分束器C14，模式转换器15，分束器A16，可变光衰减器17，分束器D18，相位调制器B19，3通道的光纤阵列31，7通道的光纤阵列32。

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。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1～图2，本发明实施例的光纤陀螺包括单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片、光源、光纤阵列以及N路与陀螺光路连接的光纤环和探测器。单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片包括薄膜铌酸锂衬底。单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片以商用薄膜铌酸锂为单一的基底材料，通过光刻、刻蚀、沉积等半导体晶圆加工工艺在单片基片上完成模场转换器、分束器、可变光衰减器、偏振器、相位调制器等光器件的制作。

本发明将薄膜铌酸锂技术应用至光子芯片光纤陀螺。薄膜铌酸锂是一种在微电子和光电子领域中应用的新兴材料，它是铌酸锂晶体的一种薄膜形式，具有优异的光学、电学和机械性能。该材料最突出的特点即表现出优异的电光效应，相对于体材料铌酸锂，其半波电压更小，调制效率更高，可用于制造高速光调制器和光开关等器件。鉴于薄膜铌酸锂在可见光和近红外波段的高透过率，以及较大的折射率，芯片制作过程与传统半导体晶圆加工的CMOS工艺兼容，通过适当的工艺和结构设计，薄膜铌酸锂还可以用来制造小体积、多功能光波导器件，如波导耦合器和偏振器等。

薄膜铌酸锂衬底上集成有分束器A、模式转换器以及N路陀螺光路。陀螺光路包括分束器B、滤波器、分束器C、相位调制器A。本发明利用薄膜铌酸锂优异的光电特性，仅在同片薄膜铌酸锂衬底上就可集成三轴光纤陀螺驱动光路，包括分束器、可变光衰减器、偏振器、相位调制器、模式转换器等，并完成光源的三轴复用，辅以三轴光纤环的耦合便可实现空间三维角速度的同步探测，利于小体积、低成本、低功耗三轴光纤陀螺及惯性测量系统的开发，对光纤陀螺的规模化批产具有重要意义。

本发明实施例的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片可通过波导尺寸的设计匹配多种工作波长的光纤陀螺，例如850nm、1310nm、1550nm等。

分束器A为1×N分束器，分束器B和分束器C均为1×2分束器，滤波器连接分束器B和分束器C的输入端口，分束器A的输出端口分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口。陀螺光路的分束器C的输出端口通过模式转换器和光纤阵列耦合连接光纤环，分束器B的另一输出端口通过模式转换器和光纤阵列耦合连接探测器，分束器A的输入端口通过模式转换器和通道阵列耦合连接光源。相位调制器A调制分束器C与模式转换器之间的光路，N为正整数。N≥3。

本发明实施例以N=3为例，三轴光纤陀螺工作原理如图1所示。三轴光纤陀螺光源复用，降低陀螺成本，缩小陀螺体积。本发明采用单一芯片同时驱动三轴光纤陀螺，解决空间三维定姿问题，实现三轴陀螺的低成本、小型化与规模化量产。

图1中，1为单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片。该芯片以薄膜铌酸锂为单一基底材料，该基底通过Smart-cut工艺（包括离子注入、转移键合、剥离与抛光等）在硅等异质基底材料上制备得到厚度为200~900nm的铌酸锂单晶层。使用半导体晶圆加工的CMOS工艺在该基底上通过刻蚀图形、沉积材料、镀制电极的方式实现分束器、可变光衰减器、偏振器、相位调制器、模式转换器等光器件的片上制作与单一集成。单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片用于同步驱动三轴光纤陀螺，通过连接光纤环、光源、探测器等外设器件可便捷的制作完整的三轴光纤陀螺。为了提升芯片与外设器件的耦合效率，本发明根据器件排布方式应用2种一维光纤阵列，当完成每一阵列的1通道对准时，其余通道同步完成对准，可大幅节省耦合时间。两种光纤阵列分别为3通道的光纤阵列以及7通道的光纤阵列，3通道的光纤阵列用于耦合输入光源和2通道探测器，7通道的光纤阵列用于耦合3支光纤环和1通道探测器。

作为一种实施方式，为保证分束后的每一轴陀螺光功率独立可调，薄膜铌酸锂衬底上还集成有N组可变光衰减器，并利用每一路的实测光功率均值进行反馈控制。请参照图2，分束器A的输出端口通过可变光衰减器分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口。可变光衰减器包括2个分束器D和一个相位调制器B，分束器D为1×2分束器，可变光衰减器采用由2个1*2分束器和一个相位调制器B构成的MZI干涉仪结构（即2个分束器D的输出端口耦合连接），通过调节相位调制器B的外加电压，实现干涉仪两臂之间的相位差，进而实现MZI输出的幅度调节。

作为一种实施方式，所述相位调制器A和相位调制器B均采用设置于波导两侧的电极结构，通过施加电压实现相位调制。本发明实施例的相位调制器A和相位调制器B均采用铌酸锂薄膜结构来实现，其电光系数r₃₃约为30pm/V，晶体切割采用X切或Y切方案。相位调制器结构设计如图5所示，图5中A和B分别表示为相位调制器A和相位调制器B，铌酸锂波导采用脊波导结构，相位调制器采用推挽结构。相位调制器包括SiO₂上包层、金属电极、铌酸锂薄膜、SiO₂掩埋层、Si衬底。通过合理优化铌酸锂薄膜的厚度、两电极间隔以及脊波导宽度，最大化相位调制器的调制效率以及最小化波导传输损耗。在该实施例中，铌酸锂脊波导尺寸为3000×60nm，铌酸锂薄膜的波导厚度为180nm，电极间隔5um，相位调制器单臂调制效率约为1.8V·cm，对应推挽调制效率约为0.9V·cm。

作为一种实施方式，所述滤波器为偏振滤波器和空间模滤波器，所述滤波器采用与工作波长匹配的具有偏振选择性的直或者弯曲单模波导结构，完成偏振模式串扰和空间模式串扰的同步滤除，以提升陀螺稳定性。

优选地，滤波器由弯曲波导实现。在目标工作波长范围内，通过合理设计波导横向尺寸、波导弯曲半径以及弯曲波导长度，实现：（1）波导内仅支持准TE₀₀/TM₀₀两个模式，且二者之间有足够大的有效折射率差，故准TM₀₀模式的弯曲辐射损耗远大于准TE₀₀模式；（2）准TE₀₀/TM₀₀两个模式之间的偏振消光比大于50dB，且准TE₀₀模式的传播损耗小于0.5dB。在该实施例中，铌酸锂薄膜的波导厚度为180nm，铌酸锂脊波导尺寸为800×60nm，弯曲半径为150μm，弯曲波导总的长度为1.88mm。上述滤除效果均不依赖弯曲波导的朝向，仅依赖弯曲半径和总长度。

作为一种实施方式，模式转换器由反向拉锥的薄膜铌酸锂波导制成，用于匹配单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片的波导和输入/输出尾纤的模场。以下以830nm工作波长为例，介绍核心器件各分束器、滤波器以及相位调制器的设计方案。

本发明中分束器A可采用1×3的多模干涉结构实现；仿真结构如图4所示。在该实施例中，通过对结构优化设计，可以看到入射光被分为3部分，在830nm波段准TE₀₀模式在每个端口的透过率分别为33.2%，32.7%，33.2%；并且在0.78~0.88波长范围内，单通道透过率均>0.30，且插损小于0.5dB；准TE₀₀模式至准TM₀₀模式的串扰<-50dB，准TM₀₀模式至准TE₀₀模式串扰<-30dB。

光纤阵列由多根光纤按照特定的间隔进行排列，可实现同时与所述芯片上多个输入/输出波导进行耦合。

作为一种实施方式，光纤环的端口放置于所述芯片一侧，利用光纤阵列同时完成多根光纤与所述芯片的耦合，提升耦合效率，降低工艺成本。

作为一种实施方式，为提升光源的隔离度，避免光源杂散光干扰光纤陀螺信号，光源的入射端口方向与光纤环的端口方向垂直。

本发明的工作过程描述如下：光源发出宽谱光，进入单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片输入尾纤，并耦合进单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片。为了提升耦合效率，单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片上集成了模式转换器，匹配芯片波导和输入/输出尾纤的模场，模式转换器可由反向拉锥的薄膜铌酸锂波导等来实现。入射光在波导中传输，被分束器A分为等振幅的N部分，N可以大于等于3，如图1中的1×3分束器，并分别进入各自的陀螺光路，由此实现了光源的复用。

三套陀螺光路具有相似的架构，以其中一陀螺光路为例进行说明：被1/3均分的光进入陀螺光路的分束器B，分为等振幅的两部分，其中一部分被辐射入衬底被耗散，另一部分进入滤波器，完成偏振模式和空间高阶模式的滤除，通过滤波器的光转化为单偏振的基模，从而保证光路的互易传输。偏振模式的滤除和空间高阶模的滤除均依靠弯曲波导对不同模式损耗的差异，如图1和2所示的弯曲波导可同步完成TM偏振模和高阶空间模的滤除。滤除多余模式的光进入分束器C（分束/合束器），被分为等振幅的两束光，经过模场转换器，通过光纤阵列进入光纤环，并分别以顺逆时光的形式通过光纤环。携带旋转Sagnac相位的两束光耦合回光子芯片，并在分束器C（分束/合束器）处干涉。干涉后的光回传至滤波器，完成TM偏振模和高阶空间模的进一步滤除，被分束器B分束，1/2的光进入该轴陀螺对应的探测器。通过对探测信号的解调实现三轴光纤陀螺旋转角速度的解算。在一般的导航、控制系统中，三轴光纤陀螺选择正交安装，通过对三轴陀螺的同步解算，可以实现载体三维运动的测量。

鉴于上述芯片中用于光源复用的1×3分束器在加工过程中存在不可避免的工艺误差以及全温工作条件下存在分光比变化的情况，会导致每一路陀螺输入光强不稳定。而陀螺的极限灵敏度即信噪比的平方正比于探测器光强，因此光强的波动会影响陀螺的信噪比。针对此问题，在上述芯片的基础上，本发明利用薄膜铌酸锂的电光调制特性，在芯片上集成高频调制的可变光衰减器，通过探测得到的光功率均值，反馈控制衰减器的衰减量，从而实现光功率的稳定，优化后的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片如图2所示。图2中17即分别为三通道陀螺的片上可变光衰减器。该衰减器基于MZI马赫曾德干涉仪原理，使用分束器将输入光分为等振幅的两束，使用电光调制控制两束光的相位差ϕ _v，两束光合光干涉实现光的可控衰减，衰减器的理论衰减比率与调制的相位差关系如图3所示。

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 (10)

1.一种单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，包括薄膜铌酸锂衬底，薄膜铌酸锂衬底上集成有分束器A、模式转换器以及N路陀螺光路，陀螺光路包括分束器B、滤波器、分束器C、相位调制器A，分束器A为1×N分束器，分束器B和分束器C均为1×2分束器，滤波器连接分束器B和分束器C的输入端口，分束器A的输出端口分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口，分束器A的输入端口、陀螺光路的分束器C的输出端口、分束器B的另一输出端口分别连接模式转换器，相位调制器A调制分束器C与模式转换器之间的光路，N为正整数。

2.如权利要求1所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，薄膜铌酸锂衬底上还集成有N组可变光衰减器，分束器A的输出端口通过可变光衰减器分别连接N路陀螺光路的分束器B的一输出端口。

3.如权利要求2所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，可变光衰减器包括2个分束器D和一个相位调制器B，分束器D为1×2分束器，可变光衰减器采用由2个1*2分束器和一个相位调制器B构成的MZI干涉仪结构，实现MZI输出的幅度调节。

4.如权利要求3所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，所述相位调制器A和相位调制器B均采用设置于波导两侧的电极结构，通过施加电压实现相位调制。

5.如权利要求1所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，N≥3。

6.如权利要求1所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，所述滤波器为偏振滤波器和空间模滤波器，所述滤波器采用与工作波长匹配的具有偏振选择性的直或者弯曲单模波导结构。

7.如权利要求1所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，其特征在于，模式转换器由反向拉锥的薄膜铌酸锂波导实现。

8.一种光纤陀螺，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片，还包括光源、光纤阵列以及N路与陀螺光路连接的光纤环和探测器，陀螺光路的分束器C的输出端口通过模式转换器和光纤阵列连接光纤环，分束器B的另一输出端口通过模式转换器和光纤阵列连接探测器，分束器A的输入端口通过模式转换器和通道阵列连接光源。

9.如权利要求8所述的光纤陀螺，其特征在于，光纤环的端口放置于所述芯片一侧，利用光纤阵列同时完成多根光纤与所述芯片的耦合。

10.如权利要求9所述的光纤陀螺，其特征在于，光源的入射端口方向与光纤环的端口方向垂直。