具有增益调节用于提高性能的基于环形波导的集成光子光学陀螺仪制造技术

在氮化硅(SiN)波导平台上制成的集成光子光学陀螺仪包括第一直波导，所述第一直波导用于接收入射光并且输出出射光以耦合到光电探测器以提供用于旋转感测的光学信号。陀螺仪包括邻近第一直波导的第一微型谐振器环。光从第一直波导渐逝耦合到第一微型谐振器环，并且在作为引导束在第一微型谐振器环内循环时经历传播损耗。引导束从第一微型谐振器环渐逝耦合回到第一直波导，以在将光学增益传递至引导束以抵消传播损耗之后提供用于旋转感测的光学信号。在耦合环构造中，第一微型谐振器环充当损耗环，而光学增益被传递到充当增益环的第二微型谐振器环。微型谐振器环。微型谐振器环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增益调节用于提高性能的基于环形波导的集成光子光学陀螺仪


[0001]本公开内容涉及基于集成光子的光学陀螺仪。

技术介绍

[0002]陀螺仪(Gyroscopes)(也简称为“陀螺仪(gyros)”)是可以感测角速度的设备。陀螺仪的应用包括但不限于军事、飞机导航、机器人学、自动驾驶汽车、虚拟现实、增强现实、游戏等。陀螺仪可以是机械的或光学的，并且可以在精度、性能、成本和大小方面有所不同。由于光学陀螺仪不具有任何移动零件，因此它们比机械陀螺仪具有优势，因为它们比具有移动零件的机械陀螺仪更能承受冲击、振动和温度变化的影响。最常见的光学陀螺仪是光纤陀螺仪(fiber optical gyroscope,FOG)，其基于由于萨格奈克(Sagnac)效应(在干涉法中遇到的由旋转引起的现象)的光学相移的干涉测量法工作。FOG的构造通常涉及包括若干匝保偏(polarization
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maintaining,PM)纤维的线圈。激光发射入保偏纤维线圈的两端，使得两束光束沿相反方向传播。如果纤维线圈在移动，那么在相反方向上传播的光束相对于彼此经历不同的光路长度。通过建立干涉测量系统，可以测量与纤维线圈匝所包围的回路面积和旋转纤维线圈的角速度成比例的微小路径长度差。
[0003]然而，因为萨格奈克效应相对微弱，并且为了获得高性能，FOG的体积庞大，需要几百到几千米的纤维(呈具有若干匝的纤维线圈的形式)。FOG的另选方案是谐振光纤陀螺仪(resonant fiber optic gyroscope,RFOG)，其中由于萨格奈克效应的旋转引起的谐振频移比FOG更为突出。因此，RFOG中所需的纤维长度比FOG小几个数量级。与FOG中的若干匝纤维线圈不同，RFOG中使用单纤维回路，光在所述回路中循环。需注意，另一种谐振型陀螺仪，称为环形激光陀螺仪(Ring laser gyro,RLG)，与RFOG和FOG不同，因为RLG不具有纤维，激光束在固体玻璃中反弹，而不是在纤维中。
[0004]基于纤维的陀螺仪可以提供非常高的精度，但同时，其占有面积更大，非常昂贵，并且由于设备的构建基于需要精确对准的分立光学组件而难以组装。通常，涉及到手动对准，这很难按比例放大以进行批量生产。
[0005]本专利技术人提议用基于波导的集成光子组件替换纤维，前者用于半导体平台上低成本的轻松集成，这使陀螺仪的批量生产更有希望。

技术实现思路

[0006]以下是本公开内容的简要概述，以便提供对本公开内容的一些方面的基本理解。此概述并不是对本公开内容的全面综述。其既不旨在标识本公开内容的关键或重要元素，也不旨在描述本公开内容的特定具体实施的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本公开内容的一些概念，以作为下文呈现的更详细描述的序言。
[0007]在氮化硅(silicon nitride,SiN)波导平台上制成的集成光子光学陀螺仪，包括第一直波导，所述第一直波导用于接收入射光并且输出出射光以耦合到光电探测器以提供
用于旋转感测的光学信号。陀螺仪包括邻近第一直波导的第一微型谐振器环。光从第一直波导渐逝耦合到第一微型谐振器环，并且在作为引导束在第一微型谐振器环内循环时经历传播损耗。引导束从第一微型谐振器环渐逝耦合回到第一直波导，以在将光学增益传递至引导束以抵消传播损耗之后提供用于旋转感测的光学信号。
[0008]在耦合环构造中，第一微型谐振器环损耗环，而光学增益被传递到充当增益环的第二微型谐振器环。
[0009]在耦合环构造中，引导束从第二微型谐振器环渐逝耦合回到第一微型谐振器环，并且从第一微型谐振器环渐逝耦合到第一直波导，以提供用于旋转感测的光学信号。
[0010]第一微型谐振器环和第二微型谐振器环可以在竖直堆叠在彼此顶部的相同物理层上或不同物理层上制成。光渐逝耦合在竖直分离的两个物理层之间。
[0011]陀螺仪可以具有第二直波导以接收来自一个或多个泵浦光源的入射泵浦光，其中泵浦光提供光学增益以抵消传播损耗。第二微型谐振器环的至少一部分可以植入铒掺杂物，所述铒掺杂物可以在特定波长的泵浦光下被激励以提供光学增益。泵浦光从至少一侧耦合到第二微型谐振器环以激励铒掺杂物。另选地，泵浦光从顶部耦合到第二微型谐振器环以激励铒掺杂物。泵浦光的波长可为980nm或1440nm
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1480nm，取决于铒掺杂物的激励的波长。可以将合适波长的泵浦光耦合到第二微型谐振器环以引起受激拉曼(Raman)散射(SRS)和/或受激布里渊(Brillouin)散射(SBS)以提供光学增益。
附图说明
[0012]通过以下给出的详细描述以及通过本公开内容的各种具体实施的附图，将更充分地理解本公开内容。请注意，图中所示尺寸仅为了进行示意性的说明，并非按比例绘制。
[0013]图1A图示集成光子光学陀螺仪传感芯片中基于波导的谐振环的示意性俯视图。
[0014]图1B示出根据本公开内容的用于构造陀螺仪的损耗环和增益环的氮化硅波导的透射电子显微照片。增益环可以在其中掺杂铒或其他光学增强的增益材料。
[0015]图2A图示根据本公开内容的实施方式的耦合环集成光子光学陀螺仪传感芯片中彼此耦合的两个基于波导的谐振环(一个损耗环和一个增益环)的示意性俯视图。
[0016]图2B图示根据本公开内容的另一个实施方式的在耦合环集成光子光学陀螺仪传感芯片中彼此耦合的两个基于波导的谐振环(一个损耗环和一个增益环)的示意图，其中从传感芯片的两端发射具有信号波长和泵浦波长的激光。
[0017]图3图示根据本公开内容的实施方式的以制成基于多层波导的集成光子光学陀螺仪为核心的概念，其中损耗环和增益环在两个不同的层中。
[0018]图4示意性地图示根据本公开内容的实施方式的从顶部集成以在与损耗环位于同一层上的增益环的一部分中局部地激励铒掺杂物的泵浦激光器的俯视图。
[0019]图5示意性地图示图4示出的构造的侧视图。
[0020]图6示意性地图示根据本公开内容的实施方式的从顶部集成以在与损耗环位于不同层上的增益环的一部分中局部地激励铒掺杂物的泵浦激光器的侧视图。
[0021]图7示意性地图示根据本公开内容的实施方式的用于改变损耗环与增益环之间的渐逝耦合量的加热器的集成。
具体实施方式
[0022]本公开内容的各方面针对紧凑的基于超低损耗氮化硅波导的角旋转感测芯片，其可以与用于光学陀螺仪应用的其他系统级集成光子部件集成。
[0023]图1A是实施方式100的示意性俯视图，示出具有输入/输出波导115和基于波导的谐振环130的基于波导的传感芯片110，输入/输出波导115和基于波导的谐振环130共同替代了FOG的纤维线圈或RFOG的纤维回路。输入/输出波导115和基于波导的谐振环130的组合由于较小的大小而有时被称为微型谐振器。集成光子前端芯片(未示出)可以与基于波导的传感芯片110耦合以构成集成光子光学陀螺仪模块，所述模块可以是惯性测量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在氮化硅(SiN)波导平台上制成的集成光子光学陀螺仪，包括：第一直波导，所述第一直波导接收来自一个或多个光源的入射光并输出出射光以耦合到光电探测器以提供用于旋转感测的光学信号；以及第一微型谐振器环，所述第一微型谐振器环邻近所述第一直波导的一部分，其中光从所述第一直波导的所述部分渐逝耦合到所述第一微型谐振器环并且作为引导束在所述第一微型谐振器环内循环时经历传播损耗，其中所述引导束从所述第一微型谐振器环渐逝耦合回到所述第一直波导的所述部分，在将所述光学增益传递至所述引导束以抵消所述传播损耗之后提供用于旋转感测的所述光信号。2.如权利要求1所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述一个或多个光源位于所述第一直波导的一端或所述第一直波导的两端。3.如权利要求1所述的集成光子光学陀螺仪，进一步包括：第二微型谐振器环，所述第二微型谐振器环邻近所述第一微型谐振器环的一部分，其中所述引导束从所述第一微型谐振器环的所述部分渐逝地耦合到所述第二微型谐振器环的一部分并经历所述光学增益以抵消所述第一微型谐振器环和所述第二微型谐振器环内的传播损耗。4.如权利要求3所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述引导束从所述第二微型谐振器环渐逝耦合回到所述第一微型谐振器环，并且从所述第一微型谐振器环渐逝耦合到所述第一直波导的所述部分，以提供用于旋转感测的所述光信号。5.如权利要求4所述的集成光子光学陀螺仪，进一步包括：第二直波导，所述第二直波导用于接收来自一个或多个泵浦光源的入射泵浦光，其中所述第二直波导的一部分邻近所述第二微型谐振器环，并且其中所述泵浦光提供所述光学增益以抵消所述传播损耗。6.如权利要求3所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述第一微谐振器环和所述第二微谐振器环的形状和大小相同。7.如权利要求3所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述第一微谐振器环的形状、大小或所述形状和所述大小两者与所述第二微谐振器环的形状、大小或所述形状和所述大小两者不同。8.如权利要求3所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述第一微型谐振器环和所述第二微型谐振器环在彼此竖直堆叠的不同物理层上制成，并且其中光在竖直分离的两个所述物理层之间渐逝耦合。9.如权利要求8所述的集成光子光学陀螺仪，其中所述第一微型谐振器环和所述第二微型谐振器环相对于彼此横向偏置。10.如权利要求3所述的光学陀螺仪，其中所述第二微型谐振器环的至少一部分植入有铒掺杂物，所述铒掺杂物可以在特定波长的泵浦光下被激励以提供所述光学增益。11.如权利要求10所述的光学陀螺仪，其中所述泵浦光从第二直波导耦合到所述第二微谐振器环，所述泵浦光从所述第二直波导一端或从两端发射。12.如权利要求10所述的光学陀螺仪，其中泵浦光源设置在所述第二微型谐振器环的所述部分的顶部，所述部分植入有所述铒掺杂物。13.如权利要求12所述的光学陀螺仪，其中镜子在所述泵浦光源的顶部上制成，以增强
泵浦光朝向所述铒掺杂物的竖直注入。14.如权利要求12所述的光学陀螺仪，其中所述第二微型谐振器环在与所述泵浦光源相邻的顶部竖直层上制成，并且所述第一微型谐振器环在所述顶部竖直层下方的底部竖直层上制成。15.如权利要求14所述的光学陀螺仪，其中加热器在所述顶部竖直层的顶部上制成，以调节所述第二微型谐振器环与所述第一微型谐振器环之间的渐逝耦合量。16.如权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马里奥，
申请(专利权)人：阿内洛光电子公司，
类型：发明
国别省市：