[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

技術領域

本發明涉及半導體硅材料以及電光材料集成的光學芯片，尤其涉及一種硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片及其制備方法。

背景技術

隨著慣性導航技術的發展，應用領域對慣性導航系統的體積、重量要求越來越高，集成化、小型化的光纖陀螺設計成為必然。傳統光纖陀螺光學系統由各個分立光學器件組成，通過光纖耦合和熔接連接而成，這種形式的光纖陀螺工藝步驟繁瑣，結構復雜不易安裝，耦合點和熔接點的穩定性可靠性較差，并且驅動電路系統復雜，不能滿足慣性系統小型集成化技術日益發展的需求。

發明內容

本發明的目的是提供一種集成度高、能實現光電集成且易于封裝的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片及其制備方法。

本發明采用的技術方案是：

本發明的硅基混合集成單軸光纖陀螺光學芯片，包括芯片硅基底及位于其上的光源、定向耦合器、Y波導調制器、信號探測器以及功率探測器；

Y波導調制器為鈮酸鋰基質子交換型波導，波導線寬為4～6.5μm，通過苯并環丁烯(benzocyclobutence，BCB)膠層粘合在芯片硅基底上；

定向耦合器包括硅襯底及位于硅襯底上的SiO₂包層，在SiO₂包層內掩埋有SiO₂：Ge芯層，SiO₂：Ge芯層包括兩個90°圓弧波導、兩個半圓弧波導、耦合區波導和兩個直波導；

耦合區波導由波導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的一端，第一半圓弧波導的另一端連接第一90°圓弧波導的一端，第一90°圓弧波導的另一端作為光學芯片的光輸入端口，所述的光源正對光輸入端口，波導Ⅰ的另一個端口c連接第二直波導的一端，第二直波導的另一端作為功率探測端口，功率探測器的光敏面正對功率探測端口；波導Ⅱ的一個端口b連接第一直波導的一端，第一直波導的另一端作為光學芯片的信號探測端口，信號探測器的光敏面正對信號探測端口，波導Ⅱ的另一個端口d連接第二半圓弧波導的一端，第二半圓弧波導的另一端連接第二90°圓弧波導的一端，第二90°圓弧波導的另一端作為耦合端口，連接Y波導調制器的基波導，實現定向耦合器與Y波導調制器的耦合；Y波導調制器的兩個分支端分別為第一尾纖耦合端口和第二尾纖耦合端口，每個分支的兩側均設有金屬調制電極。

上述技術方案中，所述的定向耦合器通常設計為平行四邊形，內角α為75±0.3°，長度為20.5～32.5mm，寬度為16～20mm，其中硅襯底的厚度h₂為0.52～1mm，SiO₂包層的厚度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；其中兩個90°圓弧波導和兩個半圓弧波導的曲率半徑相同，為3～5mm；耦合區波導的耦合長度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。

所述的Y波導調制器下方的BCB膠層的厚度h₄通常為10～20μm，Y波導調制器的波導厚度h₃為0.5～1mm，Y波導調制器通常為平行四邊形，內角β為80±0.5°，長為2cm，寬為3.5～3.7μm。

所述的芯片硅基底通常設計為平行四邊形，長度為41～53mm,寬度為24～28mm，厚度h₆為0.52～0.67mm。

上述光學芯片的制備方法如下：

1)按照芯片的圖形設計，切割出光學芯片的芯片硅基底和定向耦合器中的硅襯底；

2)采用PECVD在硅襯底上沉積第一層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；

3)按照Y波導調制器的圖形設計，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分支波導的每個分支兩側制作金屬調制電極；

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