CN117570955A - 光纤陀螺用一体化集成光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，所述集成光学器件包括：发光模块和片上多功能模块，采用直接耦合技术实现连接，所述的发光模块包括光束整形器、光隔离器、发光芯片、热敏电阻；所述的片上多功能模块包括片上耦合波导、起偏/偏振波导、分束/合束波导、模式滤除波导、调制电极、探测芯片、信号放大电路；所述片上多功能模块基于同一基材实现，基材基本结构包括芯片层和外部粘接层，所述芯片层主要集成了耦合波导、起偏波导、分束/合束波导、模式滤除波导和调制电极。本发明将传统技术方案中光纤陀螺需要的4个分立光学器件集成为1个器件，在原有功能不变的基础上，大幅缩减器件体积。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及光纤陀螺用一体化集成光学器件及其封装形式。
背景技术
光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的敏感载体角速度的传感器，具有无运动部件、启动时间快和精度覆盖范围广等优点，在航空、航天、航海和陆地精密导航、武器精密制导及自动控制等领域得到了广泛关注和应用。为了更好地满足惯性导航系统小型化、低成本的发展需求，下一代光纤陀螺迫切需要向小型化发展。光路体积占据光纤陀螺体积的70％以上，是实现小型化面临的首要挑战，迫切需要探索光路小型化的技术方案。
单轴光纤陀螺可敏感空间中某一维度的角速率信息，是光纤陀螺典型的架构形式。传统单轴光纤陀螺光路由1个光源、1个探测器、1个耦合器、1个多功能调制器、1个光纤环圈组成。各光学器件均带有独立封装，导致陀螺体积、成本难以下降。光纤环圈是光纤陀螺的核心敏感组件，体积与精度高度相关。因此，光源、探测器、耦合器、多功能调制器是光路小型化的首要对象。如何在保证各器件功能和性能完整性的前提下，将四个分立器件小型化，进而封装在同一结构中，是当前光纤陀螺光路小型化面临的首要挑战。
发明内容
本发明目的是针对现有陀螺光路均为分立器件、体积过大的问题，提供一种小型化单轴光纤陀螺应用的一体化集成光学器件。
为解决上述技术问题，本发明提出的光纤陀螺用一体化集成光学器件，采取技术方案如下：
一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，所述集成光学器件包括：由发光模块和片上多功能模块，采用直接耦合技术实现连接，所述的发光模块包括光束整形器、光隔离器、发光芯片、热敏电阻，具有发光、隔离功能，所述的片上多功能模块包括片上耦合波导、起偏/偏振波导、分束/合束波导、模式滤除波导、调制电极、探测芯片、信号放大电路，其中，片上耦合波导包括光接收耦合波导和探测耦合波导，具有分束、合束、起偏、偏振、模式滤除、相位调制、信号转换功能；
所述片上多功能模块基于同一基材实现，基材基本结构包括芯片层和外部粘接层，所述芯片层主要集成了耦合波导、起偏波导、分束/合束波导、模式滤除波导和调制电极，所述调制电极通过在芯层上沉积金属结构实现，所述探测芯片以贴片方式放置在片上耦合波导的探测耦合波导上方，信号放大电路通过粘接的方式位于芯片层之上，与芯片层内部的光传输无连通，探测芯片与信号放大电路之间通过金丝引线实现连接。
所述光学器件采用多层封装结构，器件外部为金属封装，内部共有三部分组成，第一部分为集成光学芯片层，包括发光模块和片上多功能模块，所述发光模块包括光束整形器、光隔离器、发光芯片、热敏电阻，所述片上多功能模块包括芯片主体、探测芯片、信号放大电路；第二部分为保障器件正常工作的结构层，包括芯片垫片、过渡热沉、热沉、半导体双向制冷器；第三部分为对外输出和固定的基底层；
器件的封装结构自下而上依次为第三部分、第二部分、第一部分，第一部分中的发光模块各器件直接焊接或粘接在过渡热沉上，片上多功能模块的芯片主体由光刻工艺制造而成，探测芯片以贴片形式与芯片主体连接在一起，信号放大电路粘接在芯片主体上方，片上多功能模块粘接固定在芯片垫片上，垫片直接固定在基底层上，过渡热沉固定在热沉上，热沉固定在半导体双向制冷器上，再固定在基底层上。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明的集成光学器件将传统技术方案中光纤陀螺需要的4个分立光学器件集成为1个器件，在原有功能不变的基础上，大幅缩减器件体积；
(2)本发明的集成光学器件中的集成光学芯片为一体式芯片，具有高集成度高、小体积的优势；
(3)本发明的集成光学器件实现了无光纤化构成，解决了传统技术方案中各个分立器件之间需通过一定距离的光纤连接的问题；
(4)本发明的集成光学器件内部芯片基于光刻工艺实现，具有批量大、一致性好、成本低的优点。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的实施例提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件的封装结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例一提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图3示出了根据本发明的实施例一提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)；
图4示出了根据本发明的实施例二提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图5示出了根据本发明的实施例二提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)；
图6示出了根据本发明的实施例三提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图7示出了根据本发明的实施例三提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)；
图8示出了根据本发明的实施例四提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图9示出了根据本发明的实施例四提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)；
图10示出了根据本发明的实施例五提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图11示出了根据本发明的实施例五提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)；
图12示出了根据本发明的实施例六提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧)；
图13示出了根据本发明的实施例六提供的光纤陀螺用一体化集成光学器件集成光学芯片结构示意图(发光模块A位于左侧，片上多功能模块B位于右侧)。
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组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提出了针对单轴光纤陀螺应用的一体化集成光学器件，具有发光、探测、起偏、分束/合束、相位调制的功能，实现了光纤陀螺除光纤环圈以外的所有光学器件的全集成。所述的一体化集成光学器件，由集成光学芯片和封装结构组成。
所述的集成光学芯片由发光模块和片上多功能模块组成，采用直接耦合技术实现连接，布局具有两种方案，其一，发光模块位于左侧，片上多功能模块位于右侧；其二，片上多功能模块位于左侧，发光模块位于右侧。
所述的发光模块包括光源芯片、热敏电阻、隔离器等，具有发光、隔离等功能，所述的片上多功能模块包括片上耦合波导、起偏波导、分束/合束波导、模式滤除波导、调制电极、探测芯片、信号放大电路(跨阻放大电路)，具有分束、合束、起偏、偏振、模式滤除、相位调制、信号转换等功能。其中，耦合波导包括光接收耦合波导和探测耦合波导。
片上多功能模块基于同一基材实现，基材基本结构包括芯片层(衬底层、下包层、芯层、上包层)和外部粘接层。芯片层主要集成了耦合波导、起偏波导、分束/合束波导、模式滤除波导和调制电极。芯片层的结构通过光刻、刻蚀、沉积等工艺实现制备。调制电极通过在芯层上沉积金属结构实现。探测芯片以贴片方式放置在探测耦合波导的上方，信号放大电路通过粘接的方式放置在多功能模块之上，与模块内部的光传输无连通。探测芯片与信号放大电路之间通过金丝引线实现连接。
本发明所述的光纤陀螺用一体化集成光学芯片工作原理为，发光模块中的光源芯片发出低偏非相干光束，经片上多功能集成模块中的片上耦合波导接收，进入片上多功能集成模块传输。光束经第一分束/合束波导进入主波导传输，通过模式滤除波导和起偏/偏振波导滤除非传输模式，进入第二分束/合束波导、调制电极进行分束，形成两路光波，在此同时对光波进行起偏或者偏振保持和相位调制。经过敏感环圈，携带有干涉信息的光束返回到调制模块中，经调制后进入多功能集成模块，通过第一分束/合束波导的第二分支进入探测模块，由探测芯片接收，经信号放大电路转化后进入主控电路解调。
所述的片上多功能模块的基材为SOI、LNOI；所述的波导结构可由多种结构和布局实现；所述的分束/合束波导基于分光波导实现，实现形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导；所述模式滤除波导可同时设置起偏/偏振波导，也可模式滤除波导和起偏/偏振波导由同一种波导形式实现。
优选地，所述发光模块中的光源芯片采用超辐射发光二极管(SLD)。光源芯片的中心波长为850nm、1310nm或1550nm。所述片上多功能模块中的探测芯片和跨阻放大器采用PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
如图1所示，器件采用多层封装结构，器件外部为金属封装，内部共有三部分组成。第一部分为集成光学芯片层，是实现器件功能的主体层，包括发光模块和片上多功能模块；第二部分为保障器件正常工作的结构层，包括过渡热沉、热沉、制冷器、固定座、固定结构等；第三部分为对外输出和固定的基底层。器件外包围为金属管壳，同时具有管脚，管嘴(尾管)和尾纤等，根据发光芯片工作波长不同，第二层可做删减。
第一部分集成光学芯片层包括发光模块的光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4，片上多功能模块的芯片主体B10、探测芯片B2、跨阻放大电路B1。第二部分功能保障层包括芯片垫片C1、过渡热沉C2、热沉C3、半导体双向制冷器C4。第三部分为基底层D1。
器件的封装结构自下而上依次为第三部分、第二部分、第一部分。第一部分中的发光模块各器件直接焊接或粘接在过渡热沉C2。片上多功能模块的芯片主体B10由光刻工艺制造而成，探测芯片B2以贴片形式与芯片主体连接在一起，跨阻放大器B1粘接在芯片主体上方。片上多功能模块粘接固定在芯片垫片C1上，垫片直接固定在基底C1上。过渡热沉C2固定在热沉C3上，热沉C3固定在半导体双向制冷器C4上，再固定在基底C1上。
优选地，过渡热沉选择陶瓷材料，其直接与发光模块接触，承载光源模块固定和光源热量定向传导的功能。根据发光芯片波长不同，该结构可省略。
优选地，制冷器选择半导体双向制冷器，连接热沉与基底层的结构部分。依据热敏电阻反馈信息，通过调节双向制冷器的电压，实现对发光芯片的温度控制。根据发光芯片波长不同，该结构可省略。
优选地，发光芯片、热敏电阻通过添加焊料与过渡热沉焊接在一起。
优选地，各模块中的光学器件通过点胶粘接方式固定在固定座上。
优选地，输出尾纤穿过管嘴输出，管嘴可保护输出尾纤，避免尾纤折断。
为了更好地理解本发明提出的光纤陀螺用集成光学芯片，下面结合图2至图13的具体实施例来进一步说明其结构。
实施例一：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图2所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共两处，均选用弯曲波导，分别位于发光探测端耦合波导B31、第一分束/合束波导B41之间，以及模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6之间。所述第一分束/合束波导B41为垂直方向布局，第二分束/合束波导B42为水平方向布局。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5和B6可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过模式滤除波导B5、转向波导B8、第一起偏/偏振波导B6后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、第一起偏/偏振波导B6、转向波导B8、模式滤除波导B5、第一分束波导B41、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图3所示的两种布局。
实施例二：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图4所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共两处，均选用弯曲波导，分别位于第一分束/合束波导B41、模式滤除波导B5之间，以及第一起偏/偏振波导B6、第二分束/合束波导B42之间。所述第一分束/合束波导B41为水平方向，模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6在同一垂直方向上为垂直方向。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5和B6可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过转向波导B81、模式滤除波导B5、第一起偏波导B6、转向波导B82后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、转向波导B82、第一起偏/偏振波导B6、模式滤除波导B5、转向波导B81、第一分束波导B41、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图5所示的两种布局。
本实施例和实施例一结构和功能基本相同，其区别点在于：本实施例中的两段转向波导B8布局位置不同，分别位于第一分束/合束波导B41、模式滤除波导B5之间，以及第一起偏/偏振波导B6、第二分束/合束波导B42之间，所述第一分束/合束波导B41为水平方向，模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6在同一垂直方向上为垂直方向，其余器件布局方式相同。该实施例的分束波导为水平方向布局，将光波的分束/合束限制在水平方向实现，抑制由分束/合束带来的杂散光对垂直光路的影响。该布局会增加芯片的水平方向尺寸。模式滤除波导B5和、第一起偏/偏振波导B6在同一垂直方向上，垂直方向结构紧凑。
图4输入输出通道分置于芯片同侧，只需一次边缘处理；图5输入输出通道分置于芯片对侧，有利于封装耦合，但需要对芯片两侧边缘进行处理。
实施例三：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图6所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共三处，均选用弯曲波导，分布于发光探测端耦合波导B31、第一分束/合束波导B41、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6之间，在模式滤除波导B5和第一起偏/偏振波导B6之间的转向波导，降低彼此之间光信号的干扰。。所述第一分束/合束波导B41为垂直方向布局，第二分束/合束波导B42为水平方向布局，降低由分束/合束带来的杂散光对光路的影响。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5和B6可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31、转向波导接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过转向波导、模式滤除波导B5、转向波导、第一起偏/偏振波导B6后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、第一起偏/偏振波导B6、转向波导B8、模式滤除波导B5、转向波导、第一分束波导B41、转向波导、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图7所示的两种布局。
本实施例和实施例一结构和功能基本相同，其区别点在于：本实施例在所述第一分束/合束波导B41和模式滤除波导B5之间增加转向波导，其余器件布局方式相同。本实施例增加了耦合波导B31尺寸，有利于提高耦合效率。本实施例布局会增加芯片的水平方向尺寸。
图6输入输出通道分置于芯片同侧，只需一次边缘处理；图7输入输出通道分置于芯片对侧，有利于封装耦合，但需要对芯片两侧边缘进行处理。
实施例四：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图8所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8、第二起偏/偏振波导B9。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共四处，均选用弯曲波导，分别位于第一分束/合束波导B41、第二起偏/偏振波导B9、模式滤除波导B5第一起偏/偏振波导B6和第二分束/合束波导B42之间。所述第一分束/合束波导B41、第二分束/合束波导B42为水平方向布局。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6、第二起偏/偏振波导B9由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5和B6可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过转向波导、模式滤除波导B5、转向波导、第一起偏/偏振波导B6、转向波导后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、转向波导、第一起偏/偏振波导B6、转向波导、模式滤除波导B5、转向波导、第二起偏/偏振波导B9、第一分束波导B41、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图9所示的两种布局。
本实施例和实施例一结构和功能基本相同，其区别点在于：本实施例第一分束/合束波导B41为水平方向布局，将光波的分束/合束限制在水平方向实现，抑制由分束/合束带来的杂散光对垂直光路的影响。增加了第二起偏/偏振波导B9，提高芯片的偏振能力；并将模式滤除波导B5放置在两个偏振波导中间，提高对杂散光的抑制能力。该布局会增加芯片的水平和垂直方向尺寸。
图8输入输出通道分置于芯片同侧，只需一次边缘处理；图9输入输出通道分置于芯片对侧，有利于封装耦合，但需要对芯片两侧边缘进行处理。
实施例五：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图10所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8、第二起偏/偏振波导B9。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共两处，均选用弯曲波导，分别位于发光探测端耦合波导B31、第一分束/合束波导B41之间，以及第一起偏/偏振波导B6、第二分束/合束波导B42之间。所述第一分束/合束波导B41为垂直方向布局，第二分束/合束波导B42为水平方向布局，降低由分束/合束带来的杂散光对光路的影响。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6、第二起偏/偏振波导B9由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5、B6和B9可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过第二起偏/偏振波导B9、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、转向波导B8后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、转向波导B8、第一起偏/偏振波导B6、模式滤除波导B5、第二起偏/偏振波导B9、第一分束波导B41、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图11所示的两种布局。
本实施例和实施例一结构和功能基本相同，其主要区别点在于：本实施例增加了耦合波导B31尺寸，有利于提高耦合效率。模式滤除波导B5由螺旋曲线波导结构实现，增加了第二起偏/偏振波导B9，第一起偏/偏振波导B6、第二起偏/偏振波导B9设置在模式滤除波导B5的起始和终止处，进一步提高光路的性能。本实施例布局会增加芯片的水平和垂直方向尺寸。
图10输入输出通道分置于芯片同侧，只需一次边缘处理；图11输入输出通道分置于芯片对侧，有利于封装耦合，但需要对芯片两侧边缘进行处理。
实施例六：
集成光学芯片由发光模块A、片上多功能模块B两个模块组成，发光模块A位于右侧，片上多功能模块B位于左侧，如图12所示。
发光模块A由光束整形器A1、光隔离器A2、发光芯片A3、热敏电阻A4组成。片上多功能模块B由信号放大电路B1、探测芯片B2、发光探测端耦合波导B31、调制端耦合波导B32、分束/合束波导B4、模式滤除波导B5、第一起偏/偏振波导B6、调制电极B7、转向波导B8、第二起偏/偏振波导B9。其中，跨阻放大电路B1和探测芯片B2由PIN-FET组件或PIN-TIA组件实现。分束/合束波导B4包括第一分束/合束波导B41和第二分束/合束波导B42，基于分光波导实现，形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉(MMI)波导、绝热耦合波导、定向耦合波导。所述转向波导B8共两处，均选用弯曲波导，分别位于发第一分束/合束波导B41、模式滤除波导B5以及第一起偏/偏振波导B6之间。所述第一分束/合束波导B41、第二分束/合束波导B42为水平方向布局。调制电极B7为推挽式电极。模式滤除波导B5由弯曲波导构成，针对特定模式具有衰减作用。第一起偏/偏振波导B6、第二起偏/偏振波导B9由直波导和弯曲波导构成，具有起偏/偏振作用。B5、B6和B9可以实现由相同波导结构实现，也可由不同波导结构实现。
A模块中的发光芯片A3发出的光经耦合器A2进行光束整形，隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经B模块中的耦合波导B31接收并由第一分束/合束波导B41进行合束，经过第二起偏/偏振波导B9、转向波导、模式滤除波导B5、转向波导、第一起偏/偏振波导B6后通过第二分束/合束波导B42、调制电极B7对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输。返回的光束进入B模块，依次经调制电极B7、第二分束/合束波导B42、第一起偏/偏振波导B6、转向波导、模式滤除波导B5、第二起偏/偏振波导B9、转向波导、第二起偏/偏振波导B9、第一分束波导B41、耦合波导B31后，由探测芯片B2接收，经信号放大电路B1转化后进入主控电路解调。
本实施例中，也可将发光模块A、片上多功能模块B左、右位置调换，输入输出通道分置于芯片对侧，相应地，内部排列发生变化，即产生如图13所示的两种布局。
本实施例和实施例五结构和功能基本相同，其区别点主要在于：本实施例增加了耦合波导B31和分束/合束波导尺寸，有利于提高耦合效率和分束性能。B5由螺旋曲线波导结构实现，相较于实施例5，该实施例中的螺旋曲线波导尺寸更大。B6设置在远离B5的平直波导处，进一步提高光路的性能。第一分束/合束波导B41、第二分束/合束波导B42均为水平方向布局，将光波的分束/合束限制在水平方向实现，抑制由分束/合束带来的杂散光对垂直光路的影响。该布局会增加芯片的水平和垂直方向尺寸。
图12输入输出通道分置于芯片同侧，只需一次边缘处理；图13输入输出通道分置于芯片对侧，有利于封装耦合，但需要对芯片两侧边缘进行处理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述集成光学器件包括：发光模块和片上多功能模块，采用直接耦合技术实现连接，所述的发光模块包括光束整形器、光隔离器、发光芯片、热敏电阻，具有发光、隔离功能，所述的片上多功能模块包括片上耦合波导、起偏/偏振波导、分束/合束波导、模式滤除波导、调制电极、探测芯片、信号放大电路，其中，片上耦合波导包括光接收耦合波导和探测耦合波导，具有分束、合束、起偏、偏振、模式滤除、相位调制、信号转换功能；
所述片上多功能模块基于同一基材实现，基材基本结构包括芯片层和外部粘接层，所述芯片层主要集成了耦合波导、起偏波导、分束/合束波导、模式滤除波导和调制电极，所述调制电极通过在芯层上沉积金属结构实现，所述探测芯片以贴片方式放置在探测耦合波导上方，信号放大电路通过粘接的方式位于芯片层之上，与芯片层内部的光传输无连通，探测芯片与信号放大电路之间通过金丝引线实现连接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件采用多层封装结构，器件外部为金属封装，内部共有三部分组成，第一部分为集成光学芯片层，包括发光模块和片上多功能模块，所述发光模块包括光束整形器(A1)、光隔离器(A2)、发光芯片(A3)、热敏电阻(A4)，所述片上多功能模块包括芯片主体(B10)、探测芯片(B2)、信号放大电路(B1)；第二部分为保障器件正常工作的结构层，包括芯片垫片(C1)、过渡热沉(C2)、热沉(C3)、半导体双向制冷器(C4)；第三部分为对外输出和固定的基底层(D1)；
器件的封装结构自下而上依次为第三部分、第二部分、第一部分，第一部分中的发光模块各器件直接焊接或粘接在过渡热沉(C2)上，片上多功能模块的芯片主体由光刻工艺制造而成，探测芯片(B2)以贴片形式与芯片主体连接在一起，信号放大电路(B1)粘接在芯片主体(B10)上方，片上多功能模块粘接固定在芯片垫片C1上，垫片直接固定在基底层(D1)上，过渡热沉(C2)固定在热沉(C3)上，热沉(C3)固定在半导体双向制冷器(C4)上，再固定在基底层(D1)上。
3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述片上多功能模块由信号放大电路(B1)、探测芯片(B2)、发光探测端耦合波导(B31)、调制端耦合波导(B32)、分束/合束波导(B4)、模式滤除波导(B5)、第一起偏/偏振波导(B6)、调制电极(B7)、转向波导(B8)，其中分束/合束波导(B4)包括第一分束/合束波导(B41)和第二分束/合束波导(B42)，基于分光波导实现；所述转向波导(B8)共两处，均选用弯曲波导，分别位于发光探测端耦合波导(B31)、第一分束/合束波导(B41)之间，以及模式滤除波导(B5)、第一起偏/偏振波导(B6)之间，所述第一分束/合束波导(B41)为垂直方向布局，第二分束/合束波导(B42)为水平方向布局；调制电极(B7)为推挽式电极，模式滤除波导(B5)由弯曲波导构成，第一起偏/偏振波导(B6)由直波导和弯曲波导构成，模式滤除波导(B5)和第一起偏/偏振波导(B6)的实现由相同波导结构实现，或由不同波导结构实现，
发光模块A中的发光芯片(A3)发出的光经耦合器(A2)进行光束整形，光隔离器阻止整形后的光束进行反向传播，光束经片上多功能模块(B)中的耦合波导(B31)接收并由第一分束/合束波导(B41)进行合束，经过模式滤除波导(B5)、起偏波导(B6)后通过第二分束/合束波导(B42)、调制电极(B7)对光束进行分束和相位调制，再进入光纤环圈传输，返回的光束进入片上多功能模块(B)，依次经调制电极(B7)、第二分束波导(B42)、第一起偏/偏振波导(B6)、模式滤除波导(B5)、第一分束/合束波导(B41)、发光探测端耦合波导(B31)后，由探测芯片(B2)接收，经信号放大电路(B1)转化后进入主控电路解调。
4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件和权利要求3所述的光学器件结构和功能基本相同，其区别点主要在于：所述第一分束/合束波导(B41)为水平方向，模式滤除波导(B5)、第一起偏/偏振波导(B6)在同一垂直方向上为垂直方向。
5.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件和权利要求3所述的光学器件结构和功能基本相同，其区别点主要在于：在所述第一分束/合束波导(B41)和模式滤除波导(B5)之间增加转向波导，增加耦合波导(B31)尺寸。
6.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件和权利要求3所述的光学器件结构和功能基本相同，其区别点主要在于：所述第一分束/合束波导(B41)为水平方向布局，增加了第二起偏/偏振波导(B9)，并将模式滤除波导(B5)放置在第一起偏/偏振波导(B6)、第二起偏/偏振波导(B9)中间。
7.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件和权利要求3所述的光学器件结构和功能基本相同，其区别点主要在于：增加耦合波导(B31)尺寸；第一分束/合束波导(B41)为垂直方向布局，第二分束/合束波导(B42)为水平方向布局；模式滤除波导(B5)由螺旋曲线波导结构实现；增加第二起偏/偏振波导(B9)，第一起偏/偏振波导(B6)、第二起偏/偏振波导(B9)设置在模式滤除波导(B5)的起始和终止处。
8.根据权利要求7所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述光学器件和权利要求7所述的光学器件结构和功能基本相同，其区别点主要在于：增加耦合波导(B31)和分束/合束波导尺寸，模式滤除波导(B5)由螺旋曲线波导结构实现，其尺寸大于权利要求7所述的螺旋曲线波导，第一起偏/偏振波导(B6)、第二起偏/偏振波导(B9)设置在远离模式滤除波导B5的平直波导处，第一分束/合束波导(B41)、第二分束/合束波导(B42)均为水平方向布局。
9.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，过渡热沉选择陶瓷材料，其直接与发光模块接触；制冷器选择半导体双向制冷器，连接热沉与基底层的结构部分，依据热敏电阻反馈信息，通过调节双向制冷器的电压，实现对发光芯片的温度控制；发光芯片、热敏电阻通过添加焊料与过渡热沉焊接在一起。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种光纤陀螺用一体化集成光学器件，其特征在于，所述的波导结构由多种结构和布局实现；所述的分束/合束波导基于分光波导实现，实现形式包括但不限于Y分支波导、多模干涉波导、绝热耦合波导、定向耦合波导；所述模式滤除波导能同时设置起偏/偏振波导，或模式滤除波导和起偏/偏振波导由同一种波导形式实现。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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