[发明专利]混合集成光纤陀螺光学芯片

说明书

本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种混合集成光纤陀螺光学芯片，包括基底、光源、硅基3dB耦合器、铌酸锂Y分支相位调制器、及信号探测器，硅基3dB耦合器基于硅基二氧化硅光波导技术，包括相互连通的Y分支波导、两个90°圆弧波导、锥形波导和两个直波导，锥形波导的宽端作为光学芯片的光输入端口，所述光源正对光输入端口，与Y分支相连的直波导作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器的光敏面正对信号输出端口，与90°圆弧波导相连的直波导作为光传输端口，与铌酸锂Y分支相位调制器3的基波导端面通过波导耦合工艺拼接固定。本发明消除了光纤熔接点，具有集成度高、体积小、功耗低、性能好、可靠性和环境适应性好等优点。

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种混合集成光纤陀螺光学芯片。

背景技术

在飞机船只导航、导弹制导、卫星定向、大地测量学、天文望远镜观察跟踪、汽车GPS系统辅助导航、汽车自动驾驶等军用和民用诸多应用中，需要使用小型、高可靠性、廉价的惯性测量器件。光纤陀螺是一种利用Sagnac效应敏感旋转或旋转角速率的全固态惯性仪表，具有质量轻、耗电省、成本低、寿命长、加速度不敏感、体积小、无运动部件以及偏置稳定性好和刻度因子误差小等优点，比激光陀螺或其他机电式陀螺有着更好的应用前景。

然而现有光纤陀螺系统存在一定的技术缺陷：由一些分立元件构成，各自封装，系统体积大；光纤熔接点多，易于出现故障，系统环境适应性和可靠性较差；成本高，不利于工程化生产:每个分立元件都要与器件尾纤耦合,工序多且复杂、耦合效率低、系统重复性难以保证。为了满足空间应用等领域对体积、质量、功耗等更加严格的要求，对小型集成化光学陀螺的研究已成为必然趋势。

目前先进的干涉型光纤陀螺光路系统主要包括超辐射发光二极管、光纤耦合器、铌酸锂多功能集成光学Y波导调制器、光纤环、光电探测器，主要依赖于铌酸锂多功能集成光学调制器芯片，用于实现惯性测量系统要求的相位调制和光分束器功能，但是由于铌酸锂波导弯曲损耗较大，倾斜角度通常在3°～5°之间，尺寸较大，且制作工艺与半导体工艺的兼容性以及其与半导体光子器件的可集成成性方面也较差，成本也较高，限制了光纤陀螺的进一步集成化和小型化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种小型化、集成度高、可靠性高和低成本的混合集成光纤陀螺光学芯片。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种混合集成光纤陀螺光学芯片，所述混合集成光纤陀螺光学芯片100包括：基底1、光源2、硅基3dB耦合器3、铌酸锂Y分支相位调制器4及信号探测器5；

所述光源2、硅基3dB耦合器3、铌酸锂Y分支相位调制器4以及光电探测器5混合集成在基底1上；

所述铌酸锂Y分支相位调制器4为铌酸锂基质子交换型波导；

所述硅基3dB耦合器3基于硅基二氧化硅光波导制作技术，衬底材料为硅，波导包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅；

所述硅基3dB耦合器3包括相互连通的一个Y分支波导3-3、第一90°圆弧波导3-4、第二90°圆弧波导3-5、锥形波导3-1、第一直波导3-2和第二直波导3-6，Y分支3-3的一个分支与锥形波导3-1的窄端相连，锥形波导3-1的宽端作为光学芯片的光输入端口，所述光源2正对光输入端口，Y分支3-3的另一个分支与第一直波导3-2相连作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器5的光敏面正对信号输出端口；Y分支波导3-3的基波导连接两个反向连接的第一90°圆弧3-4和第二90°圆弧3-5，第二90°圆弧3-5另一端连接第二直波导3-6的一端，第二直波导3-6的另一端面作为光传输端口，与铌酸锂Y分支相位调制器4的基波导端面通过波导耦合工艺拼接固定；铌酸锂Y分支相位调制器4的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口6和第二尾纤端口7，每个分支的两侧均设有金属调制电极8。