[發明專利]一種硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201510607445.0
• 申請日: 2015-09-22
• 公開（公告）號: CN105180917B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 佘玄;李貝;段啟航;李珂;劉承;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72;G01C21/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 韓介梅

1.一種硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，其特征在于，包括：芯片硅基底(3)及位于其上的光源(1)、定向耦合器(2)、Y波導調制器(7)、信號探測器(5)以及功率探測器(11)；

Y波導調制器(7)為鈮酸鋰基質子交換型波導，波導線寬為4～6.5μm，通過BCB膠層(6)粘合在芯片硅基底(3)上；

定向耦合器(2)包括硅襯底(4)及位于硅襯底上的SiO₍₂₎包層(12)，在SiO₍₂₎包層(12)內掩埋有SiO₂:Ge芯層，SiO₂:Ge芯層包括兩個90°圓弧波導(14、19)、兩個半圓弧波導(15、20)、耦合區波導(16)和兩個直波導(18、22)；

耦合區波導(16)由波導Ⅰ和波導Ⅱ耦合而成，波導Ⅰ的一個端口a連接第一半圓弧波導(15)的一端，第一半圓弧波導(15)的另一端連接第一90°圓弧波導(14)的一端，第一90°圓弧波導(14)的另一端作為光學芯片的光輸入端口(13)，所述的光源(1)正對光輸入端口(13)，波導Ⅰ的另一個端口c連接第二直波導(22)的一端，第二直波導(22)的另一端作為功率探測端口(21)，功率探測器(11)的光敏面正對功率探測端口(21)；波導Ⅱ的一個端口b連接第一直波導(18)的一端，第一直波導(18)的另一端作為光學芯片的信號探測端口(17)，信號探測器(5)的光敏面正對信號探測端口(17)，波導Ⅱ的另一個端口d連接第二半圓弧波導(20)的一端，第二半圓弧波導(20)的另一端連接第二90°圓弧波導(19)的一端，第二90°圓弧波導(19)的另一端作為耦合端口(10)，連接Y波導調制器(7)的基波導，實現定向耦合器(2)與Y波導調制器(7)的耦合；Y波導調制器(7)的兩個分支端分別為第一尾纖耦合端口(23)和第二尾纖耦合端口(24)，每個分支的兩側均設有金屬調制電極(9)。

2.根據權利要求1所述的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，其特征在于，所述的定向耦合器(2)為平行四邊形，內角α為75±0.3°，長度為20.5～32.5mm，寬度為16～20mm，其中硅襯底(4)的厚度h₂為0.52～1mm，SiO₂包層(12)的厚度h₁為20～30μm；SiO₂:Ge芯層的橫截面為矩形，其長為4～8μm，寬為4～6.5μm；所述的Y波導調制器(7)下方的BCB膠層(6)的厚度h₄為10～20μm，Y波導調制器(7)的波導厚度h₃為0.5～1mm，Y波導調制器(7)為平行四邊形，內角β為80±0.5°，長為2cm，寬為3.5～3.7mm。

3.根據權利要求1所述的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，其特征在于，所述的芯片硅基底(3)為平行四邊形，長度為41～53mm,寬度為24～28mm，厚度h₆為0.52～0.67mm。

4.根據權利要求1所述的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，其特征在于，所述的兩個90°圓弧波導(14、19)和兩個半圓弧波導(15、20)的曲率半徑相同，為3～5mm。

5.根據權利要求1所述的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，其特征在于，所述的耦合區波導(16)的耦合長度h為5～10mm,耦合間距s為3.5～5μm，端口a與端口b間距w為1.5～2.5mm。

6.如權利要求1-5任一項所述的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片的制備方法，其特征在于，步驟如下：

1)按照芯片的圖形設計，切割出光學芯片的芯片硅基底(3)和定向耦合器(2)中的硅襯底(4)；

2)采用PECVD在硅襯底(4)上沉積第一層SiO₂薄膜，作為緩沖層；在該層SiO₂薄膜上生長摻鍺SiO₂薄膜，其厚度為耦合器波導芯層的厚度；經光刻、刻蝕工藝在SiO₂:Ge薄膜上形成SiO₂:Ge芯層波導圖形；再在上面覆蓋一層SiO₂薄膜，將SiO₂:Ge芯層波導完全覆蓋，再進行退火，得到定向耦合器(2)；

3)按照Y波導調制器(7)的圖形設計，采用光刻、質子交換及退火工藝，在鈮酸鋰基底上制作出Y分支波導；再采用光刻工藝在Y分支波導(7)的每個分支兩側制作金屬調制電極(9)；

4)對定向耦合器(2)的四個邊緣以及Y波導調制器(7)的光輸入邊緣與尾纖耦合邊緣進行拋光打磨；對Y波導調制器(7)的另外兩個邊緣進行消光打磨；

5)采用Tresky貼片機將定向耦合器(2)的硅襯底底面直接粘合在芯片硅基底(3)上，將Y波導調制器(7)通過BCB膠層(6)粘合在芯片硅基底(3)上，通過調節旋涂BCB膠層的厚度來調整Y波導調制器(7)相對于定向耦合器(2)的SiO₂：Ge芯層波導的高度，使兩者精確耦合；

6)將光源(1)粘合到芯片硅基底(3)上，使其正對光輸入端口(13)；將信號探測器(5)粘合到硅基底(3)上，使信號探測器(5)的光敏面正對信號探測端口(17)；將功率探測器(11)粘合到硅基底(3)上，使功率探測器(11)的光敏面正對信號探測端口(21)，制得硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片。