高分辨角速度传感器、其制作方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种高分辨角速度传感器、其制作方法及应用。该高分辨角速度传感器包括半导体光学放大器和无源环形谐振腔，该半导体光学放大器内嵌于环形谐振腔内。本发明专利技术通过将有源增益区内嵌于环形谐振腔内，实现了损耗补偿型的环形谐振腔角速度传感器，其中通过载流子注入有源增益区提供的增益补偿环内损耗，使得小尺寸环形谐振腔可获得高品质因子，有效突破InP系损耗对角速度传感器分辨率的限制，有助于获得高分辨角速度传感器，进而为实现片上集成光学陀螺奠定基础，并且该高分辨角速度传感器的制作方法为整体成型半导体工艺，器件成本低、稳定性和可靠性高，对恶劣环境的耐受性好。对恶劣环境的耐受性好。对恶劣环境的耐受性好。

【技术实现步骤摘要】
高分辨角速度传感器、其制作方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种传感器，具体涉及一种高分辨角速度传感器、其制作方法及应用。

技术介绍

[0002]可实现自主测量的惯性技术一直是国防和国民经济建设中诸多领域的“眼睛”。基于Sagnac效应的光学陀螺，因其具有全固态化、性能稳定、动态范围宽、耐冲击、抗干扰、启动快等优点，成为角速度测量的主力军。紧凑、稳定的谐振型微光学陀螺(R
‑
MOG)成为新的研究热点。由外光注入无源环形谐振腔(PRR)获得顺(逆)时针传播的两束谐振光干涉构成的无源R
‑
MOG成为公认的最可行方案。因而，谐振型集成光学陀螺获得高分辨需满足两个基本条件：窄线宽激光器；高分辨角速度传感器。实现高分辨角速度传感器的基础和关键是实现大直径高品质因子(Q)的PRR。以低损耗材料实现高品质因子的PRR成为主要解决途径。因此，自无源R
‑
MOG问世以来，国内外陆续采用多种低损材料(如SiO2、玻璃、聚合物、Si、SOI、SiN、铌酸锂和光纤)制备高品质因子PRR(Appl.Phys.Lett.，30，478
‑
480(1977)；Opt.Lett.，5，510
‑
512(1980)；R.Adar，M.R.Serbin，and V.Mizrahi，J.Lightw.Technol.，12，1369
‑
1372(1994)；Laser Photonics Rev.8(5)667
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686(2014)；J.Lightw.Technol.，18，66
‑
72(2000)；Opt.Exp.，15，17783
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17797(2007)；顾永娣，《集成光学陀螺谐振腔的研究与设计》，东南大学硕士学位论文；Proc.SPIE，7381，7381Q(2009)；Chin.Phys.Lett.，26，054210(2009)；《中国激光》，32，1330
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1332(2005)；张少先，“新型集成光波导陀螺的分析与设计”，电子科技大学硕士学位论文，(2002)。)但是由于上述PRR材料不能制备有源器件，该R
‑
MOG必须由其他衬底的激光器、探测器、调制器和上述PRR经光纤耦合或者对接耦合混合集成，难以实现片上陀螺，且由此引入的温度波动、偏振噪声、克尔噪声使得上述R
‑
MOG实测分辨率远低于其量子极限，最终制约了集成光学陀螺性能。为了提高分辨率，各种噪声抑制技术正在研究中。
[0003]另一方面，基于有源无源集成优势，在同一InP衬底上通过波导耦合实现由PRR、激光器、探测器、调制器单片集成的R
‑
MOG成为可能，并由此提出片上陀螺的概念。但是InP系材料高损耗使得基于InP的无源环形谐振腔品质因子止步于106，所获得角速度传感器分辨率低，不满足高分辨光学陀螺的需求，这成为最终实现InP基片上集成光学陀螺的最大障碍。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种高分辨角速度传感器、其制作方法及应用，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术的一个方面提供了一种高分辨角速度传感器，其包括半导体光学放大器和无源环形谐振腔，所述半导体光学放大器内嵌于环形谐振腔内，所述半导体光学放大器在被注入载流子时能够产生增益，从而补偿所述无源环形谐振腔自身产生的损耗。
[0007]在一些实施方式中，所述的高分辨角速度传感器还包括输入输出波导，所述输入输出波导与无源环形谐振腔相邻设置并相互耦合。
[0008]在一些实施方式中，所述半导体光学放大器包括在衬底上依次生长的缓冲层、下分别限制层、有源增益层、上分别限制层、第一包覆层和接触层；以及
[0009]所述无源环形谐振腔包括在衬底上依次形成的缓冲层、下分别限制层、混杂后的量子阱区、上分别限制层和第一包覆层，
[0010]或者，所述无源环形谐振腔包括在所述衬底上依次形成的缓冲层、无源波导层和第二包覆层。
[0011]在一些实施方式中，所述衬底包括Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底，优选为InP衬底。
[0012]在一些实施方式中，所述第一包覆层、第二包覆层的材质相同。
[0013]在一些实施方式中，所述半导体光学放大器和无源环形谐振腔一体设置。
[0014]本专利技术的另一个方面提供了一种高分辨角速度传感器的制作方法，其包括：
[0015]S1、在衬底上依次生长缓冲层、下分别限制层、有源增益层、上分别限制层、第一包覆层和接触层，形成角速度传感器的材料结构；
[0016]S2、在所述材料结构上定义出角速度传感器的有源增益区和无源波导区，所述有源增益区、无源波导区分别对应角速度传感器的半导体光学放大器、无源环形谐振腔；
[0017]S3、在所述材料结构表面定义出角速度传感器的整体波导结构，并使无源波导区与输入输出波导相邻设置且形成平面耦合；
[0018]S4、在所述材料结构表面沉积介质膜以钝化无源波导区和输入输出波导；
[0019]S5、在所述介质膜对应于有源增益区的部分开设电极窗口，并利用所述电极窗口制作与所述有源增益区配合的电极；
[0020]S6、对步骤S5制得的器件结构进行后处理，从而获得高分辨角速度传感器。
[0021]在一些实施方式中，步骤S2具体包括：先在接触层上光刻出所述有源增益区和无源波导区的图案，然后利用量子阱混杂技术或者对接生长技术定义出所述有源增益区和无源波导区。
[0022]在一些实施方式中，所述有源增益层包括In
x
Ga1‑
x
As
y
P1‑
y
层、In
x1
Ga1‑
x1
As
y1
P1‑
y1
/InGa1‑
x2
As
y2
P1‑
y2
多量子阱或In
x3
Ga1‑
x3
As
y3
P1‑
y3
/In
x4
Ga
y4
Al1‑
x4
‑
y4
As多量子阱中的任一种，其中x、x1、x2、x3、x4、y、y1、y2、y3、y4均大于或等于0而小于或等于1。
[0023]本专利技术的另一个方面提供了所述的高分辨角速度传感器在制备谐振型微光学陀螺中的用途。
[0024]与现有技术相比，本专利技术通过将有源增益区内嵌于环形谐振腔内，实现了损耗补偿型的环形谐振腔角速度传感器，其中通过载流子注入有源增益区提供的增益补偿环内损耗，使得小尺寸环形谐振腔可获得高品质因子，有效突破InP系损耗对角速度传感器分辨率的限制，有助于获得高分辨角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨角速度传感器，其特征在于，包括半导体光学放大器和无源环形谐振腔，所述半导体光学放大器内嵌于环形谐振腔内，所述半导体光学放大器在被注入载流子时能够产生增益，从而补偿所述无源环形谐振腔自身产生的损耗。2.根据权利要求1所述的高分辨角速度传感器，其特征在于，还包括输入输出波导，所述输入输出波导与无源环形谐振腔相邻设置并相互耦合。3.根据权利要求1所述的高分辨角速度传感器，其特征在于：所述半导体光学放大器包括在衬底上依次生长的缓冲层、下分别限制层、有源增益层、上分别限制层、第一包覆层和接触层；以及所述无源环形谐振腔包括在衬底上依次形成的缓冲层、下分别限制层、混杂后的量子阱区、上分别限制层和第一包覆层，或者，所述无源环形谐振腔包括在所述衬底上依次形成的缓冲层、无源波导层和第二包覆层。4.根据权利要求3所述的高分辨角速度传感器，其特征在于：所述衬底包括Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底。5.根据权利要求4所述的高分辨角速度传感器，其特征在于：所述衬底为InP衬底，且所述衬底为P型衬底、N型衬底或者半绝缘衬底；和/或，所述缓冲层为InP缓冲层；和/或，所述上分别限制层、下分别限制层的材质包括InGaAsP、InGaAlAs或者InGaNAs；和/或，所述上分别限制层、下分别限制层的厚度为0.01
‑
1.5μm；和/或，所述有源增益层包括In
x
Ga1‑
x
As
y
P1‑
y
层、In
x1
Ga1‑
x1
As
y1
P1‑
y1
/InGa1‑
x2
As
y2
P1‑
y2
或In
x3
Ga1‑
x3
As
y3
P1‑
y3
/In
x4
Ga
y4
Al1‑
x4
‑
y4
As多量子阱中的任一种，其中x、x1、x2、x3、x4、y、y1、y2、y3、y4均大于或等于0而小于或等于1；和/或，所述第一包覆层、第二包覆层为InP...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：