[發(fā)明專利]一種鈮酸鋰和SU-8混合集成空芯光子晶體光纖陀螺

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010961700.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-14
• 公開（公告）號(hào): CN112097754B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 佘玄;范文;張彩妮;陳侃;畢然;舒曉武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/72
• 分類號(hào): G01C19/72
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了一種鈮酸鋰和SU?8混合集成空芯光子晶體光纖陀螺。本發(fā)明包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一側(cè)和第二芯片一側(cè)拼接形成光纖陀螺；第一芯片包括從下到上依次層疊布置的硅襯底、二氧化硅緩沖層和鈮酸鋰單晶薄膜，所述鈮酸鋰單晶薄膜上集成布置光傳輸系統(tǒng)；第二芯片包括從下到上依次層疊布置的光刻膠涂層和第二硅襯底；在光刻膠涂層上集成布置諧振腔光路。光纖陀螺中的光束在光傳輸系統(tǒng)和諧振腔光路中傳導(dǎo)，通過探測(cè)器來檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)信息。本發(fā)明提高了光學(xué)陀螺系統(tǒng)的集成度，提高光纖陀螺的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性；采用球透鏡和平面分光鏡組合的方式，實(shí)現(xiàn)將波導(dǎo)中的光耦合進(jìn)入諧振腔的功能，實(shí)現(xiàn)光在腔內(nèi)諧振的功能，有效降低了腔內(nèi)損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成光學(xué)和慣性傳感技術(shù)領(lǐng)域，是一種以鈮酸鋰和SU-8光刻膠為基底材料的集成式空芯光子晶體光纖陀螺。

背景技術(shù)

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)T性系統(tǒng)的體積、重量要求越來越高，集成化、小型化、低成本和高穩(wěn)定性的光學(xué)陀螺設(shè)計(jì)成為必然。傳統(tǒng)光纖陀螺光學(xué)系統(tǒng)由各個(gè)分立光學(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)雜不易安裝的問題，耦合點(diǎn)和熔接點(diǎn)的穩(wěn)定性可靠性較差，不能滿足慣性系統(tǒng)小型集成化技術(shù)日益發(fā)展的需求。

為了提高光學(xué)陀螺的性能指標(biāo)，縮小光學(xué)陀螺的體積，光學(xué)系統(tǒng)集成化，即將光學(xué)陀螺中的光源、光波導(dǎo)、信號(hào)探測(cè)器、耦合器、偏振器和電光調(diào)制器一體集成在同一塊基片上是諧振式光學(xué)陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。該光學(xué)系統(tǒng)集成化的具體目標(biāo)是所有的光學(xué)器件以最少的步驟一體集成在一個(gè)基片上。目前這方面的報(bào)道還較少。

目前在MEMS領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的集成光學(xué)芯片是基于L_iNbO₃材料的集成芯片，L_iNbO₃電光相位調(diào)制器具有插入損耗低、半波電壓小、調(diào)制帶寬大等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作的理想器件。并且L_iNbO₃材料通過質(zhì)子交換技術(shù)形成的波導(dǎo)還具有起偏能力，能夠傳輸單偏振的TE模式光。

SU-8是一種具有高對(duì)比度的近紫外(波長(zhǎng)350nm-400nm)負(fù)性光刻膠，可以在某一平面上涂敷成膜，通過曝光顯影的方式在該平面上形成掩模版透光部分的圖形。由于其加工工藝成本較低、穩(wěn)定性強(qiáng)、良好的力學(xué)性能和生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域。例如，SU-8光刻膠可以制作微齒輪、為模具。在一些場(chǎng)合，SU-8光刻膠可以代替半導(dǎo)體刻蝕工藝做一些微結(jié)構(gòu)，當(dāng)刻蝕深度需要達(dá)到幾百微米時(shí)，需要很高的時(shí)間成本，而且刻蝕形貌如側(cè)壁粗糙度、展寬、側(cè)壁垂直度、底面均勻性很難控制。用SU-8光刻膠來代替需要刻蝕的材料，光刻顯影后即可得到理想的微結(jié)構(gòu)，節(jié)約工藝時(shí)間，而且光刻得到的結(jié)構(gòu)幾乎沒有展寬，側(cè)壁的垂直度粗糙度也很好。一些SU-8光刻膠的型號(hào)旋涂厚度可以達(dá)到600um。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于薄膜型L_iNbO₃材料易于集成的特點(diǎn)、質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)技術(shù)、SU-8穩(wěn)定性高，力學(xué)性能良好以及空芯光子晶體光纖環(huán)大模場(chǎng)保偏能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提供一種集成度高、滿足互易性且制備工藝簡(jiǎn)單、易于封裝的集成式諧振式陀螺光學(xué)芯片。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一側(cè)和第二芯片一側(cè)拼接形成光纖陀螺；第一芯片包括從下到上依次層疊布置的硅襯底、二氧化硅緩沖層和鈮酸鋰單晶薄膜，所述鈮酸鋰單晶薄膜上集成布置光傳輸系統(tǒng)，光傳輸系統(tǒng)包括窄線寬激光光源、輸入波導(dǎo)、第一Y分支波導(dǎo)、金屬電極調(diào)制器、兩個(gè)探測(cè)器和兩個(gè)第二Y分支波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)、第一Y分支波導(dǎo)和兩個(gè)第二Y分支波導(dǎo)構(gòu)成了鈮酸鋰波導(dǎo)且均嵌裝于鈮酸鋰單晶薄膜的表面內(nèi)，輸入波導(dǎo)輸入端和窄線寬激光光源連接，輸入波導(dǎo)的輸出端和第一Y分支波導(dǎo)的集合端連接，第一Y分支波導(dǎo)的兩個(gè)分支端旁的鈮酸鋰單晶薄膜上各自均布置有金屬電極調(diào)制器，第一Y分支波導(dǎo)的兩個(gè)分支端分別和一個(gè)第二Y分支波導(dǎo)各自的一個(gè)分支端連接，兩個(gè)第二Y分支波導(dǎo)各自的另一個(gè)分支端分別和一個(gè)探測(cè)器連接，兩個(gè)第二Y分支波導(dǎo)各自的集合端分別連接到第二芯片上；