CN1862228A - 化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片。其波导下包层至波导上波层的构成双异质结或者单异质结外延材料，衬底是化合物半导体材料。并在在Y分支波导的内分叉处为半矩形或半椭圆状，外分叉处采用折线或弧线；在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。该集成光学芯片主要由一个Y分支波导作为功分器，两个相位调制器，同时也作TE/TM模式偏振器，相位调制器采用上下电极结构，上电极直接覆盖在脊波导之上，器件整体尺寸较小，能够克服LiNbO₃材料制作的光纤陀螺所带来的温度漂移，抗辐射、抗冲击性能差的问题，而且能够实现单片集成。

Description

化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片

技术领域

本发明涉及光纤陀螺，尤其涉及一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片。

背景技术

光纤陀螺在军事和民用中有广泛的应用。光纤陀螺是下一代确打击武器技术发展中的关键技术，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠陀螺仪。即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。比如飞机在飞行中使旅客感到十分平稳和舒适得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统；随着列车提速，消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪；还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠GPS，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。陀螺仪的应用十分广泛，以上的例子只是其中极少的一部分。

机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的陀螺虽然都有各自的优点，但光纤陀螺由于具有：1)无运动部件、不存在磨损，寿命长；2)结构简单、全固化、可靠性高，抗冲击和抗加速度能力强；3)无需高速转子达到恒定转速所需的时间，因此启动快；4)功耗低、体积小、重量轻、易微型化；5)动态范围宽；6)使用方便，安装不需要专用的平台，可直接数字输出，便于计算机处理。

光纤陀螺主要有干涉型(I-FOG)、谐振型(R-FOG)、受激布里渊散射型(B-FOG)和基于稀土元素掺杂光纤光源等几种。其中干涉型最为成熟，又分为全光纤型和集成光学型两种。本发明涉及的是集成光学干涉型光纤陀螺的制作。

目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成光学芯片是基于LiNbO₃材料的。LiNbO₃材料具有优良的线性电光效应和光传输特性，能够制成性能较好的集成光学器件；它又是电介质材料，价格便宜，且其微细加工技术相对简单，器件整体成本相对较低，从而器件可以获得一个较高的性能价格比。虽然目前基于LiNbO₃材料的集成光学光纤陀螺的实用化程度最好，但是基于LiNbO₃材料的集成光学器件在应用中也存在以下一些难以克服的问题：

1.材料温度系数比较大，为了保证宽温度范围内的工作稳定性，必须采取温度补偿措施。

2.材料抗辐射能力较差，限制了其在某些辐射较强的环境下的应用；

3.材料具有较强的压电特性，由于这种特性而造成器件性能的变化会影响器件在某些应用场合的使用；

4无法用于制作光源、探测器和光放大器等有源器件、电子器件，限制了其在光电子集成方面的应用。

与LiNbO₃材料相比，基于GaAs、InP材料的集成光学芯片不仅温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小，而且有望实现芯片与激光器、探测器、半导体光放大器等其它有源光器件、电子器件的单片集成，因此对于某些环境条件恶劣、或者集成度要求高的场合下的应用，如航天、军事等领域，GaAs等III-V族半导体材料优势明显。虽然对于电光效应而言，GaAs的电光系数比LiNbO₃晶体的要小，但由于其光学折射率要大得多，而且光波导结构中的光场限制可以做得较好，这样在电控器件中可以使得光场与电场有着良好的重叠积分特性，保证了其电光效应的总体效率依然较高。此外，利用分子束外延(MBE)和金属有机化合物气相淀积(MOCVD)技术生长的GaAs/GaAlAs、InP/InGaAsAl、InP/InGaAsP异质结材料上的光波导器件的光传输损耗可以做得很小。这些都提供了在GaAs、InP材料上实现集成度更高、功能更强、性能更好的光纤陀螺用集成光学芯片的可能性。另外，本相位调制器所引起的寄生强度调制很小，能够适合于光纤陀螺的应用。

对于实用化的器件，在保证Y-分支两输出间隔为250μm的前提下，Y-分支的长度不能过长，否则器件的尺寸会过大。在整个器件的各部分设计都应该尽可能减小器件损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，采用基于化合物半导体衬底，克服一些LiNbO₃基集成光学干涉型光纤陀螺的温度漂移，抗辐射、抗冲击性能差，难以单片集成等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，Y分支输出臂有电极部分的波导结构自上而下依次包括电极、波导上包层、波导芯层、波导下包层和衬底。波导下包层至波导上波层的构成双异质结或者单异质结外延材料，衬底是化合物半导体材料。

所述的衬底化合物半导体材料为III-V族或者II-IV族化合物半导体。

所述的波导芯层材料为III-V族、II-IV族半导体薄膜材料或者量子阱材料。

在Y分支波导的内分叉处为半矩形或半椭圆状，Y分支波导外分叉处采用折线或弧线。

在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。

在Y分支波导的内分叉处为半矩形或半椭圆状，外分叉处采用折线或弧线；在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)本发明提出的光纤陀螺集成芯片直接利用金属覆盖的脊波导对不同偏振模式(准TE和准TM模)的光具有不同的传输损耗，将相位调制器同时作为TE/TM偏振模式器使用，无需制作额外的偏振器。

2)通常使用单异质结时，金属覆盖的脊波导对TE模式的衰减系数较大。而使用双异质结材料时，可以大大降低金属覆盖的脊波导对TE模式的衰减系数，从而减小器件的传输损耗，并能增大了器件的制作容差，同时也可以降低金属电极上外加电压的变化时所引起的TE模损耗的变化。

3)通过对Y分支波导和输出波导拐角的优化，可以降低器件的插入损耗，提供器件性能。整个器件制作中对工艺精度的要求低，提高了工艺制作的可实现性和重复性。为了降低较短长度Y-分支的传输损耗，选用expanded truncatedstructural Y-branch(ETSY)型改进结构Y-分支进行芯片对称Y-分支功分器的设计，通过优化设计ETSY结构所需要的各个参数使Y-分支的损耗特性达到最佳，同时降低工艺实现难度。

4)对于角度较大的Y-分支，其输出波导拐角处的辐射损耗也是可观的。为此在ETSY改进结构Y-分支的基础上分支输出波导拐角处的设计也进行了改进。

因为采用化合物半导体材料制作光纤陀螺，所以没有采用LiNbO₃材料所带来的温度漂移，抗辐射、抗冲击性能差的问题，而且采用化合物半导体衬底材料能够实现与半导体激光器、光探测器、光放大器等其它有源光器件、电子器件的单片集成。

附图说明

图1集成光学光纤陀螺芯片截面图；

图2是光纤陀螺用集成光学芯片基本组成示意图；

图3扩展截平型Y-分支(ETSY)结构示意图；

图4内折线变为半椭圆，外折线变为弧线的改进型ETSY结构示意图；

图5普通的输出波导拐角；

图6改进的输出波导拐角。

图中：：1、电极，2、波导上包层，3、波导芯层，4、波导下包层，5、衬底，6、Y分支波导，7、Y分支波导输出与水平臂的连接拐角，8、半矩形状，9、折线，10、半椭圆状，11、弧线。

具体实施方式

参照见图1和图2，本发明所提出的基于化合物半导体衬底，比如GaAs或者InP，设计制作集成光学干涉型光纤陀螺的制作原理如下：

如图1所示，一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，Y分支输出臂有电极部分的波导结构自上而下依次包括电极1、波导上包层2、波导芯层3、波导下包层4和衬底5。波导下包层4至波导上波层2的构成双异质结或者单异质结外延材料，衬底5是化合物半导体材料。双异质结则结构如上所述，共5层；如果是单异质结，则自上而下依次包括是电极1，波导芯层2、波导下包层3和衬底4，共4层。

所述的衬底化合物半导体材料为III-V族或者II-IV族化合物半导体。

所述的波导芯层3材料为III-V族、II-IV族半导体薄膜材料或者量子阱材料。

如图2所示，在Y分支波导6的内分叉处为半矩形8或半椭圆状10，Y分支波导6外分叉处采用折线9或弧线11。

对于如图5所示的Y分支波导输出与水平臂的连接拐角，进行如图6所示的改进，在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角7处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。

如图2所示，在Y分支波导的内分叉处6为如图3的半矩形8或如图4的半椭圆状10，外分叉处6采用折线9或弧线11；在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角7处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，如图6所示，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。其中水平线段l₁和折线在水平方向的投影l₂相等，θ角度为0.01～30°。

该芯片是集成光学型光纤陀螺系统的核心器件。它包括一个对称Y分支波导6(作为功分器)、两个相位调制器(由电极1区域表示)，同时也作TE/TM模式偏振器。

光纤陀螺而言，要实现光路的互易性必须满足三个条件：顺、逆时针传播的两束光应该通过完全相同的光路；顺、逆时针传播的两束光应该完全是单模；顺、逆时针传播的两束光应该是同一偏振态。

选用该种集成光学相位调制器的光纤陀螺系统即为集成光学型光纤陀螺系统。由于调制器的带宽很宽，因此可用于开环、闭环、方波和锯齿波调制器等多种信号处理方案。

输入光经过Y分支波导6(此时作为功分器)分成两束，分别沿顺时针和逆时针方向在该芯片右边连接的光纤环中传播，最后又在Y分支波导6(此时作为合波器)处会合，发生干涉。当光纤环围绕垂直于光纤环面的轴转动时，顺时针方向和逆时针方向传播的光之间会产生相位差。当转动角速度发生变化时，该相位差也随之改变，从而改变了输出的干涉图样。通过检测相位差Φs(这里是通过测量干涉光强获得)就可以获得光纤环转动角速度Ω的大小。相位差Φs与转动角速度Ω之间的关系为

${\mathrm{\Φ}}_s=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\·\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中L是光纤的长度，D是光纤环的直径，λ是光波波长，c是光纤中光的传播速度。其中，2πLD/λc就是陀螺的标度因数。采用低损耗的单模光纤作为波导，L可以长至几百米甚至上千米，这样可以大大提高环形干涉仪的灵敏度，即使微小的转动也能够产生可以测量的相位差。但是光纤长度的增加也不是无限制的，因为光纤具有一定的损耗，而且越长系统保持互易性越困难。

为了反映转动的方向性和提高系统灵敏度，这里引入相位调制器，当沿顺、逆时针方向的两束光在不同的时间经过同一个相位调制器，会产生如下相位差调制，

ΔΦ＝Φ(t)-Φ(t-τ)                            (2)

式中Φ(t)为调制函数，t是某时刻，τ为光在光纤环中的传播时间，即顺、逆时针方向光受到相位调制的时间差。那么陀螺的输出光强为：

I＝I₀[1+cos(ΔΦ+Φ_s)]                         (3)

I₀是光源强度的一半，假设为正弦调制，则Φ(t)＝Φ_msinωt，Φ_m是最大偏置位相，ω是角频率，则由式(4)和(5)可得：

$I=I_0[1+\cos (\mathrm{\η}\cos \mathrm{\ω}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})+{\mathrm{\Φ}}_s)]---\left(4\right)$

式中 $\mathrm{\η}=2{\mathrm{\Φ}}_m\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}.$

对光纤陀螺的信号检测方案来说，需要实用的低噪声、高灵敏度、宽动态范围的检测方法，闭环光纤陀螺能够满足这种需要。

闭环光纤陀螺，即控制一个能人为高速产生随意的非互易相移的器件(如采用相位调制器)产生一个补偿相移，来抵消因光纤环旋转引起的相移。该补偿相移受原始Sagnac相移反馈控制，其幅度与Sagnac相移相等，方向相反。这样一来，陀螺始终工作在灵敏度最高的零相位点上，陀螺的输出信号可以从补偿信号中得出。与开环系统相比，闭环系统的输出与光源的强度无关，与整个电路系统的增益无关，线性度主要取决于产生补偿相移的器件，灵敏度更高，动态范围更大。

本发明的目的在于提供一种GaAs/InP等化合物半导体衬底设计制作集成光学干涉型光纤陀螺的方法。不同于一般的集成波导型光纤陀螺基于LiNbO₃衬底的制作，本方案采用基于GaAs或InP等化合物半导体衬底，能够克服一些LiNbO₃基集成光学干涉型光纤陀螺的温度漂移，抗辐射、抗冲击性能差，难以单片集成等问题。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，Y分支输出臂有电极部分的波导结构自上而下依次包括电极(1)、波导上包层(2)、波导芯层(3)、波导下包层(4)和衬底(5)；其特征在于：波导下包层(4)至波导上波层(2)的构成双异质结或者单异质结外延材料，衬底(5)是化合物半导体材料。

2.根据权利要求1所述的一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：所述的衬底化合物半导体材料为III-V族或者II-IV族化合物半导体。

3.根据权利要求1所述的一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：所述的波导芯层(3)材料为III-V族、II-IV族半导体薄膜材料或者量子阱材料。

4.根据权利要求1所述的一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：在Y分支波导(6)的内分叉处为半矩形(8)或半椭圆状(9)，Y分支波导(6)外分叉处采用折线(9)或弧线(11)。

5.根据权利要求1所述的一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角(7)处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。

6.根据权利要求1所述的一种化合物半导体集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：在Y分支波导的内分叉处(6)为半矩形(8)或半椭圆状(10)，外分叉处(6)采用折线(9)或弧线(11)；在Y分支波导输出与水平臂的连接拐角(7)处与水平分支臂之间增加一个过渡结构，该结构先扩束后收束，然后与水平分支臂连接。

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