本发明专利技术公开了一种铌酸锂和SU‑8混合集成空芯光子晶体光纤陀螺。本发明专利技术包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一侧和第二芯片一侧拼接形成光纤陀螺；第一芯片包括从下到上依次层叠布置的硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜，所述铌酸锂单晶薄膜上集成布置光传输系统；第二芯片包括从下到上依次层叠布置的光刻胶涂层和第二硅衬底；在光刻胶涂层上集成布置谐振腔光路。光纤陀螺中的光束在光传输系统和谐振腔光路中传导，通过探测器来检测转动信息。本发明专利技术提高了光学陀螺系统的集成度，提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性；采用球透镜和平面分光镜组合的方式，实现将波导中的光耦合进入谐振腔的功能，实现光在腔内谐振的功能，有效降低了腔内损耗。
【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锂和SU-8混合集成空芯光子晶体光纤陀螺
本专利技术属于集成光学和惯性传感
，是一种以铌酸锂和SU-8光刻胶为基底材料的集成式空芯光子晶体光纤陀螺。
技术介绍
随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的体积、重量要求越来越高，集成化、小型化、低成本和高稳定性的光学陀螺设计成为必然。传统光纤陀螺光学系统由各个分立光学器件组成，通过光纤耦合和熔接连接而成，这种形式的光纤陀螺工艺步骤繁琐，结构复杂不易安装的问题，耦合点和熔接点的稳定性可靠性较差，不能满足惯性系统小型集成化技术日益发展的需求。为了提高光学陀螺的性能指标，缩小光学陀螺的体积，光学系统集成化，即将光学陀螺中的光源、光波导、信号探测器、耦合器、偏振器和电光调制器一体集成在同一块基片上是谐振式光学陀螺的发展趋势。该光学系统集成化的具体目标是所有的光学器件以最少的步骤一体集成在一个基片上。目前这方面的报道还较少。目前在MEMS领域得到广泛应用的集成光学芯片是基于LiNbO3材料的集成芯片，LiNbO3电光相位调制器具有插入损耗低、半波电压小、调制带宽大等特点，是实现闭环工作的理想器件。并且LiNbO3材料通过质子交换技术形成的波导还具有起偏能力，能够传输单偏振的TE模式光。SU-8是一种具有高对比度的近紫外(波长350nm-400nm)负性光刻胶，可以在某一平面上涂敷成膜，通过曝光显影的方式在该平面上形成掩模版透光部分的图形。由于其加工工艺成本较低、稳定性强、良好的力学性能和生物兼容性等优点被广泛应用于MEMS领域。例如，SU-8光刻胶可以制作微齿轮、为模具。在一些场合，SU-8光刻胶可以代替半导体刻蚀工艺做一些微结构，当刻蚀深度需要达到几百微米时，需要很高的时间成本，而且刻蚀形貌如侧壁粗糙度、展宽、侧壁垂直度、底面均匀性很难控制。用SU-8光刻胶来代替需要刻蚀的材料，光刻显影后即可得到理想的微结构，节约工艺时间，而且光刻得到的结构几乎没有展宽，侧壁的垂直度粗糙度也很好。一些SU-8光刻胶的型号旋涂厚度可以达到600um。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，基于薄膜型LiNbO3材料易于集成的特点、质子交换铌酸锂波导技术、SU-8稳定性高，力学性能良好以及空芯光子晶体光纤环大模场保偏能力强的特点，提供一种集成度高、满足互易性且制备工艺简单、易于封装的集成式谐振式陀螺光学芯片。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一侧和第二芯片一侧拼接形成光纤陀螺；第一芯片包括从下到上依次层叠布置的硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜，所述铌酸锂单晶薄膜上集成布置光传输系统，光传输系统包括窄线宽激光光源、输入波导、第一Y分支波导、金属电极调制器、两个探测器和两个第二Y分支波导，输入波导、第一Y分支波导和两个第二Y分支波导构成了铌酸锂波导且均嵌装于铌酸锂单晶薄膜的表面内，输入波导输入端和窄线宽激光光源连接，输入波导的输出端和第一Y分支波导的集合端连接，第一Y分支波导的两个分支端旁的铌酸锂单晶薄膜上各自均布置有金属电极调制器，第一Y分支波导的两个分支端分别和一个第二Y分支波导各自的一个分支端连接，两个第二Y分支波导各自的另一个分支端分别和一个探测器连接，两个第二Y分支波导各自的集合端分别连接到第二芯片上；第二芯片包括从下到上依次层叠布置的光刻胶涂层和第二硅衬底；在光刻胶涂层上集成布置谐振腔光路，谐振腔光路包括第一球透镜、平面分光镜、空芯光子晶体光纤环和第二球透镜；光刻胶涂层开设有圆环槽，输入波导所在直线过圆环槽的圆心，圆环槽在输入波导所在直线的两侧各自均连接一条向第一芯片延伸且切向布置的光纤条形槽，光纤条形槽的方向沿圆环槽的切向方向，两条光纤条形槽平行布置，两条光纤条形槽以输入波导所在直线对称布置在圆环槽的两侧，两条光纤条形槽向第一芯片延伸的末端之间通过横向条形槽连接，横向条形槽垂直于输入波导所在直线，横向条形槽的中部连接两条向第一芯片延伸布置的纵向条形槽，两条纵向条形槽以输入波导所在直线对称布置在圆环槽的两侧，；由圆环槽和两侧的光纤条形槽、一条横向条形槽、两条纵向条形槽构成了光纤环安装槽；空心光子晶体光纤环包括了圆环螺旋段和连接在圆环螺旋段两端的直线段，圆环螺旋段装在光纤环安装槽的圆环槽中，直线段装在光纤环安装槽的光纤条形槽中，圆环螺旋段具有至少一圈螺旋，直线段未与圆环螺旋段连接的两端作为安装空心光子晶体光纤环的两端；两条纵向条形槽分别和横向条形槽之间的交点中均安装有平面分光镜，两个平面分光镜和各自一侧对应的光纤条形槽之间的横向条形槽中间均安装有第二球透镜，两条纵向条形槽的中部均安装有第一球透镜；两个平面分光镜、两个第二球透镜、两个第一球透镜分别在空心光子晶体光纤环的两侧以输入波导所在直线对称布置，且以每一侧的一个平面分光镜、一个第二球透镜和一个第一球透镜构成一个分光透镜组。所述的输入波导、第一Y分支波导和第二Y分支波导均为质子交换铌酸锂波导。所述的金属电极调制器包括两个金属调制电极，两个金属调制电极分别布置在第一Y分支波导的分支端的两侧。两个第二Y分支波导集合端端口分别位于两条纵向条形槽中的两个第一球透镜的焦点处，两条光纤条形槽中空心光子晶体光纤环两个直线段的端部分别位于两条横向条形槽中的两个第二球透镜的焦点处。所述的窄线宽激光光源的光耦合进输入波导中，通过第一Y分支波导的两个分支分为两路相位、振幅、偏振方向相同的光，两路光沿第一Y分支波导的两个分支传播时经金属电极调制器调制后从两个第二Y分支波导集合端的端口输出，分别入射到两个分光透镜组的第一球透镜中。第一球透镜、第二球透镜和平面分光镜中心以及铌酸锂波导的模场中心、空芯光子晶体光纤环的模场中心均处在同一水平面。所述的窄线宽激光光源的光耦合进输入波导中，通过第一Y分支波导的两个分支分为两路相位、振幅、偏振方向相同的光，两路光沿第一Y分支波导的两个分支传播时经金属电极调制器调制后两个第二Y分支波导各自的集合端所输出的光束分别输入到光纤环安装槽的纵向条形槽中，光束经第一球透镜入射到平面分光镜，再由平面分光镜反射后经第二球透镜后入射到空心光子晶体光纤环的两端中。每个分光透镜组中，经第一球透镜透射后再入射到平面分光镜发生反射和透射，平面分光镜反射的光再经第二球透镜透射后入射到空心光子晶体光纤环直线段的端口中；一侧分光透镜组输入到空心光子晶体光纤环一端中的光沿空心光子晶体光纤环传播后从空心光子晶体光纤环的另一端输出到另一侧分光透镜组的平面分光镜中再次发生反射和透射，另一侧分光透镜组的平面分光镜再次发生透射的光入射回到一侧分光透镜组的平面分光镜发生透射再输入到空心光子晶体光纤环直线段的端口中，另一侧分光透镜组的平面分光镜再次发生反射的光输入到之前未传播经过的另一个第二Y分支波导的集合端中，再经由第二Y分支波导的分支端输出到探测器。所述第一球透镜、第二球透镜和平面分光镜表面均镀有光学薄膜。本专利技术的有益之处在于：本专利技术提出的一种铌酸锂和SU-8混合集成空芯光子晶体光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铌酸锂和SU-8混合集成空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于，包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一侧和第二芯片一侧拼接形成光纤陀螺；/n第一芯片包括从下到上依次层叠布置的硅衬底(13)、二氧化硅缓冲层(12)和铌酸锂单晶薄膜(11)，所述铌酸锂单晶薄膜(11)上集成布置光传输系统，光传输系统包括窄线宽激光光源(1)、输入波导(2)、第一Y分支波导(3)、金属电极调制器(4)、两个探测器(5)和两个第二Y分支波导(6)，输入波导(2)、第一Y分支波导(3)和两个第二Y分支波导(6)构成了铌酸锂波导且均嵌装于铌酸锂单晶薄膜(11)的表面内，输入波导(2)输入端和窄线宽激光光源(1)连接，输入波导(2)的输出端和第一Y分支波导(3)的集合端连接，第一Y分支波导(3)的两个分支端旁的铌酸锂单晶薄膜(11)上各自均布置有金属电极调制器(4)，第一Y分支波导(3)的两个分支端分别和一个第二Y分支波导(6)各自的一个分支端连接，两个第二Y分支波导(6)各自的另一个分支端分别和一个探测器(5)连接，两个第二Y分支波导(7)各自的集合端分别连接到第二芯片上；/n第二芯片包括从下到上依次层叠布置的光刻胶涂层(14)和第二硅衬底(15)；在光刻胶涂层(14)上集成布置谐振腔光路，谐振腔光路包括第一球透镜(8)、平面分光镜(9)、空芯光子晶体光纤环(10)和第二球透镜(16)；光刻胶涂层(14)开设有圆环槽，输入波导(2)所在直线过圆环槽的圆心，圆环槽在输入波导(2)所在直线的两侧各自均连接一条向第一芯片延伸且切向布置的光纤条形槽，光纤条形槽的方向沿圆环槽的切向方向，两条光纤条形槽平行布置，两条光纤条形槽以输入波导(2)所在直线对称布置在圆环槽的两侧，两条光纤条形槽向第一芯片延伸的末端之间通过横向条形槽连接，横向条形槽垂直于输入波导(2)所在直线，横向条形槽的中部连接两条向第一芯片延伸布置的纵向条形槽，两条纵向条形槽以输入波导(2)所在直线对称布置在圆环槽的两侧，；由圆环槽和两侧的光纤条形槽、一条横向条形槽、两条纵向条形槽构成了光纤环安装槽(7)；/n空心光子晶体光纤环(10)包括了圆环螺旋段和连接在圆环螺旋段两端的直线段，圆环螺旋段装在光纤环安装槽(7)的圆环槽中，直线段装在光纤环安装槽(7)的光纤条形槽中，圆环螺旋段具有至少一圈螺旋，直线段未与圆环螺旋段连接的两端作为安装空心光子晶体光纤环(10)的两端；/n两条纵向条形槽分别和横向条形槽之间的交点中均安装有平面分光镜(9)，两个平面分光镜(9)和各自一侧对应的光纤条形槽之间的横向条形槽中间均安装有第二球透镜(16)，两条纵向条形槽的中部均安装有第一球透镜(8)；/n两个平面分光镜(9)、两个第二球透镜(16)、两个第一球透镜(8)分别在空心光子晶体光纤环(10)的两侧以输入波导(2)所在直线对称布置，且以每一侧的一个平面分光镜(9)、一个第二球透镜(16)和一个第一球透镜(8)构成一个分光透镜组。/n...
【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂和SU-8混合集成空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于，包括第一芯片和第二芯片，第一芯片的一侧和第二芯片一侧拼接形成光纤陀螺；
第一芯片包括从下到上依次层叠布置的硅衬底(13)、二氧化硅缓冲层(12)和铌酸锂单晶薄膜(11)，所述铌酸锂单晶薄膜(11)上集成布置光传输系统，光传输系统包括窄线宽激光光源(1)、输入波导(2)、第一Y分支波导(3)、金属电极调制器(4)、两个探测器(5)和两个第二Y分支波导(6)，输入波导(2)、第一Y分支波导(3)和两个第二Y分支波导(6)构成了铌酸锂波导且均嵌装于铌酸锂单晶薄膜(11)的表面内，输入波导(2)输入端和窄线宽激光光源(1)连接，输入波导(2)的输出端和第一Y分支波导(3)的集合端连接，第一Y分支波导(3)的两个分支端旁的铌酸锂单晶薄膜(11)上各自均布置有金属电极调制器(4)，第一Y分支波导(3)的两个分支端分别和一个第二Y分支波导(6)各自的一个分支端连接，两个第二Y分支波导(6)各自的另一个分支端分别和一个探测器(5)连接，两个第二Y分支波导(7)各自的集合端分别连接到第二芯片上；
第二芯片包括从下到上依次层叠布置的光刻胶涂层(14)和第二硅衬底(15)；在光刻胶涂层(14)上集成布置谐振腔光路，谐振腔光路包括第一球透镜(8)、平面分光镜(9)、空芯光子晶体光纤环(10)和第二球透镜(16)；光刻胶涂层(14)开设有圆环槽，输入波导(2)所在直线过圆环槽的圆心，圆环槽在输入波导(2)所在直线的两侧各自均连接一条向第一芯片延伸且切向布置的光纤条形槽，光纤条形槽的方向沿圆环槽的切向方向，两条光纤条形槽平行布置，两条光纤条形槽以输入波导(2)所在直线对称布置在圆环槽的两侧，两条光纤条形槽向第一芯片延伸的末端之间通过横向条形槽连接，横向条形槽垂直于输入波导(2)所在直线，横向条形槽的中部连接两条向第一芯片延伸布置的纵向条形槽，两条纵向条形槽以输入波导(2)所在直线对称布置在圆环槽的两侧，；由圆环槽和两侧的光纤条形槽、一条横向条形槽、两条纵向条形槽构成了光纤环安装槽(7)；
空心光子晶体光纤环(10)包括了圆环螺旋段和连接在圆环螺旋段两端的直线段，圆环螺旋段装在光纤环安装槽(7)的圆环槽中，直线段装在光纤环安装槽(7)的光纤条形槽中，圆环螺旋段具有至少一圈螺旋，直线段未与圆环螺旋段连接的两端作为安装空心光子晶体光纤环(10)的两端；
两条纵向条形槽分别和横向条形槽之间的交点中均安装有平面分光镜(9)，两个平面分光镜(9)和各自一侧对应的光纤条形槽之间的横向条形槽中间均安装有第二球透镜(16)，两条纵向条形槽的中部均安装有第一球透镜(8)；
两个平面分光镜(9)、两个第二球透镜(16)、两个第一球透镜(8)分别在空心光子晶体光纤环(10)的两侧以输入波导(2)所在直线对称布置，且以每一侧的一个平面分光镜(9)、一个第二球透镜(16)和一个第一球透镜(8)构成一个分光透镜组。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂和SU-8混合集成空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：所述的输入波导(2)、第一Y分支...
【专利技术属性】
技术研发人员：佘玄，范文，张彩妮，陈侃，毕然，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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