[發明專利]一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片及其制備方法

無效

• 申請號: 201410270111.4
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104035158A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 楊添舒;劉雯;時彥朋;馬靜;張端;鄭婉華;王曉東;楊富華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及光波導技術領域，尤其涉及一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片及其制備方法。

背景技術

微光學陀螺是繼機械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺之后發展的新一代陀螺儀。它以光波導取代光纖作為Sagnac效應敏感元件，與光源、探測器、處理電路等集成在同一片硅片上，從而實現體積更小、可靠性更高的新一代陀螺儀。光波導的損耗越小，陀螺儀的靈敏度就越高。目前平面工藝光波導的損耗相比光纖大得多，如何降低光波導的損耗是實現高靈敏度微光學陀螺的關鍵問題。干涉型微光學陀螺是以螺線型光波導代替干涉型光纖陀螺的多匝光纖來實現的。與多匝光纖不同的是，螺線型光波導是平面工藝器件，因此螺線最內圈穿出螺線環時不可避免地與螺線環有多個X形交叉點。一方面，交叉角過小會導致穿過螺線環的光有一部分耦合進螺線環，產生一定的光損耗，并且對最終的干涉條紋產生一定干擾。另一方面，由于小型化的要求，螺線型光波導的半徑需要盡量小，半徑越小則光波導的彎曲損耗越大，尤其是最內圈穿出螺線環的路徑，由于曲率半徑較小且存在曲率突變的連接點，這段路徑的彎曲損耗比較嚴重。如何設計螺線型光波導最內圈穿出螺線環的路徑，使其既能避免穿過螺線環的光部分耦合進螺線環，減小交叉點損耗，又具有盡可能小的彎曲損耗，是干涉型微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片設計當中一個值得關注的問題。

發明內容

鑒于上述技術問題，本發明提供了一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片及其制備方法。

根據本發明的一個方面，提供了一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片，該光波導芯片包括：襯底；二氧化硅下包層，形成于襯底的上方；二氧化硅芯區光波導，形成于二氧化硅下包層的上方；二氧化硅上包層，形成于所述二氧化硅芯區光波導的上方。

其中，所述襯底由絕緣或半絕緣材料制成，所述二氧化硅芯區光波導由摻Ge的二氧化硅制成，所述二氧化硅上包層由摻B、Ge或B、P的二氧化硅制成。

其中，所述二氧化硅下包層的厚度大于12μm。

其中，所述二氧化硅芯區光波導包括依次連接的輸入直波導、第一圓弧型彎曲波導、第二圓弧型彎曲波導、阿基米德螺線型彎曲波導和輸出直波導。

其中，所述輸入直波導與阿基米德螺線型彎曲波導的螺線環垂直交叉。

其中，所述輸入直波導與阿基米德螺線型彎曲波導通過一段彎曲波導平滑連接，所述彎曲波導由第一圓弧型彎曲波導和第二圓弧型彎曲波導反向相接組成，其中，波導連接處端面的錯位偏移量取決于兩側波導的曲率。

根據本發明的另一個方面，還提供了一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片的制備方法，該制備方法包括以下步驟：步驟1：在襯底上形成二氧化硅下包層；步驟2：在所述二氧化硅下包層上形成摻Ge的二氧化硅芯層；步驟3：進行光刻處理；步驟4：對于所述二氧化硅芯層進行圖形化處理，得到芯區光波導結構；步驟5：在二氧化硅芯區光波導上形成摻B、Ge或B、P的二氧化硅上包層；步驟6：進行高溫退火處理；步驟7：切片，并進行端面研磨和拋光，得到所述微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片。

其中，所述二氧化硅芯區光波導包括依次連接的輸入直波導、第一圓弧型彎曲波導、第二圓弧型彎曲波導、阿基米德螺線型彎曲波導和輸出直波導。

其中，所述輸入直波導與阿基米德螺線型彎曲波導的螺線環垂直交叉。

其中，所述輸入直波導與阿基米德螺線型彎曲波導通過一段彎曲波導平滑連接，所述彎曲波導由第一圓弧型彎曲波導和第二圓弧型彎曲波導反向相接組成，其中，波導連接處端面的錯位偏移量取決于兩側波導的曲率。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

(1)螺線型光波導的最內圈穿出螺線環時與螺線環垂直交叉，交叉點損耗最小，有利于提高陀螺儀的靈敏度；

(2)螺線型光波導的最內圈穿出螺線環時與螺線環垂直交叉，避免了穿過螺線環的光耦合進螺線環導致對最終干涉條紋的干擾，有利于降低陀螺儀的噪聲；

(3)螺線型光波導的最內圈穿出螺線環的路徑為螺線型光波導起始端連接兩個圓弧型彎曲波導再連接直波導最后穿出，經過計算，該路徑的彎曲損耗較小，有利于提高陀螺儀的靈敏度。

附圖說明

圖1是根據本發明一實施例的一種微光學陀螺Sagnac效應光波導芯片的剖面結構示意圖；

圖2為圖1所示光波導芯片的二氧化硅芯區光波導3的平面結構示意圖；

圖3為圖2所示光波導芯片的二氧化硅芯區光波導3的路徑方案與其他路徑方案的比較示意圖；