CN117666015A - 一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片，包括设置在二氧化硅上的Y分支输入/输出波导、过渡直波导、Y分支波导起偏器和偏振分束合波环波导，所述波导结构均并排设置在同一平面上。非偏振入射光从所述Y分支输入/输出波导进入后，偏振分束合波环波导端口输出TE偏振光；TE偏振光入射至偏振分束合波环波导端口，Y分支输入/输出波导输出TE偏振光；TM偏振光入射至偏振分束合波环波导端口，会绕行后返回到偏振分束合波环波导端口输出。本发明的硅基光集成芯片的插入损耗小、偏振消光比高，可应用于光纤陀螺中实现顺逆时针光双光程绕行光纤敏感环圈，以提升陀螺的探测灵敏度。

Description

一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片。

背景技术

光纤陀螺可用于惯性导航中敏感角速度的核心传感器件，已被广泛应用于航空航天、航海舰艇以及工业测量与控制等多个关系国计民生的重要领域。由于武器装备对小型化高精度惯性测量器件持续不断的需求，基于小尺寸光纤陀螺的精度提升技术研究愈发成为了国内外惯导领域的研究热点。以顺逆时针绕行光偏振分束/合波和偏振旋转为技术支撑的双光程结构和双偏振结构被证明分别具有提升陀螺探测灵敏度和抑制偏振噪声的优点，为光纤陀螺精度的进一步提升指出了另一发展方向。

近年来，随着光子集成电路(PICs)技术的快速发展，光纤陀螺中传统分立光学器件实现微纳加工集成逐渐成为了可能，尤其是将光耦合器与Y波导相位调制器等无源光学器件片上集成的方案愈发成熟。波导结构设计与光学材料选择是光子集成技术的关键，目前主流的光学材料均采用高折射率材料和低折射率材料，其中硅材料由于具有极高的折射率(3.48)，且在常用的光学波段上具有较低的吸收损耗，常与较低折射率的二氧化硅(1.45)一起组成绝缘体硅(SOI)材料平台，两种材料较大的折射率差使SOI平台具有极强的光约束优势，在该平台上已经实现了许多高性能的片上光学器件。

基于“棱镜+准直器”的光学结构偏振分束/合波器体积较大，偏振控制能力不足，且难于实现片上集成。因此研究一种体积小，提升偏振抑制与偏振分束能力的硅基光集成芯片，对提升光纤陀螺探测精度具有重要意义。

发明内容

针对基于“棱镜+准直器”的体光学结构偏振分束/合波器体积较大，偏振控制能力不足，且难于实现片上集成的技术问题，本发明目的在于提供一种可实现双光程绕行的硅基光集成芯片，具有功分、起偏、偏振分束与合波的功能。通过将该芯片与光源、光电探测器和光纤敏感环进行水平端面耦合，可实现顺逆时针光绕行光纤环两次，提升相同尺寸敏感环圈下的光纤陀螺探测精度。

为实现本发明目的，本发明提供的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片，采用的技术方案如下：

所述硅基光集成芯片包括设置在二氧化硅包层上的Y分支输入输出波导、过渡直波导、Y分支波导起偏器和偏振分束合波环波导，且均并排设置在同一平面上，波导的宽度与高度均满足单模传输条件；

所述Y分支输入输出波导的双端口为芯片的输入和输出端口，包括上输入波导、下输出波导、直臂型Y分支波导和第一锥形波导，所述上输入波导和下输出波导与直臂型Y分支波导的同侧双端口相连，直臂型Y分支波导的单端口与第一锥形波导相连；

所述Y分支波导起偏器包括第二锥形波导、上分支起偏器、下分支起偏器，所述第二锥形波导与上分支起偏器和下分支起偏器连接；

所述Y分支输入输出波导的第一锥形波导与Y分支波导起偏器的第二锥形波导通过过渡直波导进行连接；

所述偏振分束合波环波导包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和弧形波导；所述第一偏振分束器的TE端口与上分支起偏器连接；第二偏振分束器的TE端口与下分支起偏器连接，两个TM导模波导通过弧形波导进行弯曲连接；所述第一偏振分束器、第二偏振分束器的TE/TM共模端口为芯片输入输出端口，可与光纤敏感环的尾纤水平端面耦合。

进一步的，所述上分支起偏器和下分支起偏器均采用S型弯曲波导结构，非偏振入射光从所述Y分支输入输出波导进入后，从所述上分支起偏器和下分支起偏器分别传输到所述第一偏振分束器和第二偏振分束器上的TE导模光，直接传输到所述第一偏振分束器和第二偏振分束器的TE/TM共模端口作为芯片的输出光。

进一步的，所述上分支起偏器与下分支起偏器结构相同且相互对称，在起偏器中间段减小波导宽度以限制TM模传输，达到TE模起偏的效果。

进一步的，所述第一偏振分束器与第二偏振分束器结构与尺寸相同，均采用弯曲非对称型定向耦合器结构，第一弯曲波导右侧端口与第三弯曲波导右侧端口分别为第一偏振分束器和第二偏振分束器的TE/TM共模端口，第一弯曲波导左侧端口与第三弯曲波导左侧端口分别为第一偏振分束器和第二偏振分束器的TE端口，分别与上分支起偏器和下分支起偏器相连。

第二弯曲波导与第四弯曲波导作为第一偏振分束器和第二偏振分束器的TM导模波导，其左侧端口分别与弧形过渡波导相连。

从第一偏振分束器和第二偏振分束器的TE/TM共模端口输入的TM导模光，分别经过第一弯曲波导和第三弯曲波导处，满足相位匹配条件从而分别耦合到第二弯曲波导和第四弯曲波导，之后通过弧形过渡波导后再次分别耦合到第三弯曲波导和第一弯曲波导处，从第二偏振分束器和第一偏振分束器的TE/TM共模端口以TM模式输出。

从第一偏振分束器和第二偏振分束器的TE/TM共模端口输入的TE导模光，分别经过第一弯曲波导和第三弯曲波导处，由于TE模相位失配，直接经上分支起偏器、下分支起偏器、过渡直波导，回到Y分支输入输出波导。

与现有技术对比，本发明有益效果如下：

本发明提供的可实现双光程绕行的硅基光集成芯片，在非偏振光从所述Y分支输入/输出波导输入后，可以在偏振分束合波环波导的两个端口输出功率相近的TE偏振光；在TE偏振光入射至偏振分束合波环波导端口，Y分支输入/输出波导输出TE偏振光；在TM偏振光入射至偏振分束合波环波导端口，会绕行后返回到偏振分束合波环波导端口输出。本发明的硅基光集成芯片的插入损耗小、偏振消光比高，可应用于光纤陀螺中实现顺逆时针光双光程绕行光纤敏感环圈，以提升陀螺的探测灵敏度。

本发明提供的硅基光集成芯片可以提升双光程光纤陀螺仪中绕行光的偏振抑制与偏振分束能力，从而减小陀螺仪因偏振泄露所引起的非互易性误差。通过改变硅基光集成芯片输出端口与光纤环圈尾纤的水平耦合角度，可以实现偏振旋转功能，以达到双光程绕行的目标。

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为本发明可实现双光程绕行的硅基光集成芯片的水平结构示意图；

图2为本发明中的直臂型Y分支输入/输出波导水平结构示意图；

图3为本发明中的Y分支波导起偏器水平结构示意图；

图4为本发明中的偏振分束合波环波导水平结构示意图；

图5为本发明的硅基光集成芯片输出的顺逆时针光绕行光纤环圈的传输路径与偏振模式变化示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、二氧化硅包层，2、直臂型Y分支输入波导，201、上输入波导，202、下输出波导，203、直臂Y分支，204、第一锥形波导，3、过渡直波导，4、Y分支波导起偏器，401、第二锥形波导，402、上分支起偏器，403、下分支起偏器，5、偏振分束合波环波导，501、第一偏振分束器，502、第二偏振分束器，503、弧形过渡波导。

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。

本发明提供的实现双光程绕行的硅基光集成芯片主要包括了在二氧化硅下包层上的Y分支输入输出波导、Y分支波导起偏器和偏振分束合波环波导。所述芯片中的波导尺寸均满足单模传输条件，高阶模式的导行光会被极大抑制而难以传输。所述Y分支输入输出波导的单端波导与Y分支波导起偏器的单端波导依靠过渡直波导进行连接。所述Y分支输入输出波导可以将单端波导中传输的光功率均分，其中双端波导可分别作为芯片的输入和输出端口。所述Y分支波导起偏器通过减小弯曲波导处的硅波导宽度，实现TM模传输光的模式衰减。所述偏振分束合波环波导包括了两个偏振分束器，两个偏振分束器均采用弯曲非对称定向耦合器结构，其中TE/TM共模端波导作为芯片的两个输入输出端口可以与光纤敏感环的尾纤耦合，TE导模波导与Y分支波导起偏器相连，两个TM导模波导之间进行弯曲连接。

图1所示为本实施例提供的可实现双光程绕行的硅基光集成芯片的水平结构图，包括了设置在二氧化硅包层1上的直臂型Y分支输入波导2、过渡直波导3，Y分支波导起偏器4、和偏振分束合波环波导5，均并排设置在同一平面上，波导的宽度与高度均满足单模传输条件。

本实施例中二氧化硅包层1的厚度为2μm～5μm之间，优选值为4μm，上包层为空气。实施例中硅波导结构的高度均在200nm～240nm之间，优选值为220nm；如无特别规定，所有硅波导宽度均为400nm～500nm之间，优选值为450nm。

图2所示直臂型Y分支输入/输出波导2包括了上输入波导201、下输出波导202、直臂Y分支203与第一锥形波导204。所述上输入波导201和下输出波导202与直臂型Y分支波导203的同侧双端口相连，直臂型Y分支波导203的单端口与第一锥形波导204相连。上输入波导201与下输出波导202间隔大于20μm，Y分支203的分支角度控制在1°以内。第一锥形波导204左侧波导宽度为右侧单模波导宽度的两倍，以减小失配损耗。

图3所示Y分支波导起偏器4包括了第二锥形波导401、上分支起偏器402和下分支起偏器403。第二锥形波导401右侧波导宽度为左侧单模波导宽度的两倍。与第二锥形波导401连接的上分支起偏器402和下分支起偏器403均采用S型弯曲波导结构，以实现插入损耗减小的同时增加分支角度。上分支起偏器402与下分支起偏器403结构相同且相互对称，在起偏器中间段减小波导宽度以限制TM模传输，其长度越长偏振抑制能力越强，达到TE模起偏的效果。

第一锥形波导204与第二锥形波导401分别与过渡直波导3的两端相互连接，过渡直波导长度控制在120μm～130μm。

图4所示偏振分束合波环波导5包括了第一偏振分束器501、第二偏振分束器502和弧形过渡波导503。

第一弯曲波导W11右侧端口与第三弯曲波导W21右侧端口分别为第一偏振分束器501和第二偏振分束器502的TE/TM共模端口，两端口均为可实现双光程绕行的硅基光集成芯片的输出端口，可分别与保偏光纤敏感环水平端面耦合。第一弯曲波导W11左侧端口与第三弯曲波导W21左侧端口分别为第一偏振分束器501和第二偏振分束器502的TE端口，分别与第一起偏器403和第二起偏器404相连。第二弯曲波导W12与第四弯曲波导W22作为第一偏振分束器501和第二偏振分束器502的TM导模波导，其左侧端口分别与弧形过渡波导503相连。

第一偏振分束器501与第二偏振分束器502结构与尺寸相同，均采用弯曲非对称型定向耦合器结构，其中第一偏振分束器501的第一弯曲波导W11的波导宽度w1在400nm～500nm之间，第二弯曲波导W12的波导宽度w2在500nm～600nm之间，两弯曲波导的间距w3在200nm～400nm之间。第一弯曲波导W11的弯曲半径r1与第二弯曲波导W12的弯曲半径r2之比需满足0.965，且需满足公式1的要求。

r2＝r1+0.5*w1+0.5*w2+w3 (1)

同理，第二偏振分束器502的第三弯曲波导W21、第四弯曲波导W22设计同第一偏振分束器501的第一弯曲波导W11、第二弯曲波导W12，在此不再赘述。

外部光源与上波导201进行水平端面耦合，输入的单模非偏振光通过Y分支203、锥形波导204进入过渡直波导3后被均分后送到Y分支波导起偏器4上，在起偏器402和403处，波导宽度减小导致TM偏振光模式衰减，TE0偏振光作为唯一的导模光进入第一偏振分束器501和第二偏振分束器502，之后通过波导W11和W21右侧端口水平耦合进入光纤敏感环。

图5所示为上下TE0模光绕行光纤敏感环圈时的传输路径与偏振模式变化情况。通过控制不同的水平耦合角度，波导W11右侧端口与保偏光纤的快轴对接，波导W21右侧端口与保偏光纤的慢轴对接。

从波导W11右侧端口输出的TE0模光沿着光纤敏感环的快轴传输，逆时针绕行光纤环一圈后到达波导W21右侧端口。由于耦合角度旋转了90度，转换为TM0模光耦合进入波导W21，在弯曲波导处，由于TM0模满足相位匹配条件，TM0模会耦合到波导W22处进入弧形过渡波导503后到达波导W12处，再次耦合进入波导W11，通过右侧端口耦合进入光纤敏感环的快轴。逆时针绕行光以TM0模式沿快轴第二次绕行光纤环一圈后到达波导W21右侧端口，变为TE0模式耦合进入波导W21。在弯曲波导处，由于TE0模相位失配，直接经波导W21、下分支起偏器403、过渡直波导3，回到Y分支输入/输出波导2。

类似的，从波导W21右侧端口输出的TE0模光在顺时针沿着光纤敏感环的慢轴传输两圈后，也会以TE0模返回到Y分支输入输出波导2中。

返回的顺逆时针干涉光通过下输出分支波导202水平耦合进光电探测器的尾纤处，被光电探测器检测到，实现双光程绕行的光纤陀螺功能。

根据光纤陀螺的调制解调要求，可以在光纤敏感环的一侧尾纤加入光相位调制器，在本实施例图5中使用了压电陶瓷为顺逆时针绕行光进行相位调制。

本实施例所述可实现双光程绕行的硅基光集成芯片形状规则，生产工艺较为简单，采用常规的蚀刻法即可制备获得。具体的，其生产方法如下：

清洗SOI晶圆片后，在SOI晶圆片的代加工面旋涂光刻胶；

通过电子束对光刻胶曝光形成波导图案。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，包括设置在二氧化硅包层(1)上的Y分支输入输出波导(2)、过渡直波导(3)、Y分支波导起偏器(4)和偏振分束合波环波导(5)，且均并排设置在同一平面上，波导的宽度与高度均满足单模传输条件；

所述Y分支输入输出波导(2)双端波导为芯片的输入和输出端口，包括上输入波导(201)、下输出波导(202)、直臂型Y分支波导(203)和第一锥形波导(204)，所述上输入波导(201)和下输出波导(202)与直臂型Y分支波导(203)的同侧双端口相连，直臂型Y分支波导(203)的单端口与第一锥形波导(204)相连；

所述Y分支波导起偏器(4)包括第二锥形波导(401)、上分支起偏器(402)、下分支起偏器(403)，所述第二锥形波导(401)与上分支起偏器(402)和下分支起偏器(403)连接；

所述Y分支输入输出波导(2)的第一锥形波导(204)与Y分支波导起偏器(4)的第二锥形波导(401)通过过渡直波导(3)进行连接；

所述偏振分束合波环波导(5)包括第一偏振分束器(501)、第二偏振分束器(502)和弧形波导(503)；所述第一偏振分束器(501)的TE端口与上分支起偏器(402)连接；第二偏振分束器(502)的TE端口与下分支起偏器(403)连接，两个TM导模波导通过弧形波导(503)进行弯曲连接；所述第一偏振分束器(501)、第二偏振分束器(502)的TE/TM共模端口为芯片输入输出端口，与光纤敏感环的尾纤水平端面耦合。

2.根据权利要求1所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述二氧化硅包层(1)的厚度为2μm～5μm，优选为4μm，上包层为空气，硅波导结构的高度为200nm～240nm，优选为220nm，硅波导宽度为400nm～500nm，优选为450nm。

3.根据权利要求1所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述上输入波导(201)与下输出波导(202)间隔大于20μm，Y分支波导(203)的分支角度控制在1°以内，所述Y分支输入输出波导(2)将单端波导中传输的光功率均分。

4.根据权利要求1所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述第一锥形波导(204)左侧波导宽度为右侧单模波导宽度的两倍，所述第二锥形波导(401)右侧波导宽度为左侧单模波导宽度的两倍。

5.根据权利要求1所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述上分支起偏器(402)和下分支起偏器(403)均采用S型弯曲波导结构，非偏振入射光从所述Y分支输入输出波导(2)进入后，从所述上分支起偏器(402)和下分支起偏器(403)分别传输到所述第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)上的TE导模光，直接传输到所述第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TE/TM共模端口作为芯片的输出光。

6.根据权利要求5所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述上分支起偏器(402)与下分支起偏器(403)结构相同且相互对称，在起偏器中间段减小波导宽度以限制TM模传输，达到TE模起偏的效果。

7.根据权利要求1所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述第一偏振分束器(501)与第二偏振分束器(502)结构与尺寸相同，均采用弯曲非对称型定向耦合器结构，第一弯曲波导(W11)右侧端口与第三弯曲波导(W21)右侧端口分别为第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TE/TM共模端口，第一弯曲波导(W11)左侧端口与第三弯曲波导(W21)左侧端口分别为第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TE端口，分别与第一起偏器(403)和第二起偏器(404)相连；

第二弯曲波导(W12)与第四弯曲波导(W22)作为第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TM导模波导，其左侧端口分别与弧形过渡波导(503)相连；

从第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TE/TM共模端口输入的TM导模光，分别经过第一弯曲波导(W11)和第三弯曲波导(W21)处，满足相位匹配条件从而分别耦合到第二弯曲波导(W12)和第四弯曲波导(W22)，之后通过弧形过渡波导(503)后再次分别耦合到第三弯曲波导(W21)和第一弯曲波导(W11)处，从第二偏振分束器(502)和第一偏振分束器(501)的TE/TM共模端口以TM模式输出；

从第一偏振分束器(501)和第二偏振分束器(502)的TE/TM共模端口输入的TE导模光，分别经过第一弯曲波导(W11)和第三弯曲波导(W21)处，由于TE模相位失配，直接经上分支起偏器(402)、下分支起偏器(403)、过渡直波导(3)，回到Y分支输入输出波导(2)。

8.根据权利要求7所述的一种实现双光程绕行的硅基光集成芯片,其特征在于，所述第一弯曲波导(W11)的波导宽度(w1)在400nm～500nm之间，第二弯曲波导(W12)的波导宽度(w2)在500nm～600nm之间，两弯曲波导的间距(w3)在200nm～400nm之间，第一弯曲波导(W11)的弯曲半径r1与第二弯曲波导(W12)的弯曲半径r2之比需满足0.965，且需满足公式(1)的要求，

r2＝r1+0.5*w1+0.5*w2+w3 (1)

同理，第三弯曲波导(W21)、第四弯曲波导(W22)设计方法同第一偏振分束器(501)的第一弯曲波导(W11)、第二弯曲波导(W12)。