光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片制造技术

本发明专利技术实施例公开了一种光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片，芯片的第一种实现结构包括第一光纤

【技术实现步骤摘要】
光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片


[0001]本专利技术涉及集成光学和惯性传感
，尤其涉及一种光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片。

技术介绍

[0002]作为一种角速度传感器，光纤陀螺相比传统机械陀螺在测量精度、灵敏度和可靠性等方面具有显著的优势，被广泛应用于定位、姿态控制和绝对方向测量等方面。按照测量精度的划分，高精度的光纤陀螺主要应用在空间技术、军事应用和科学研究领域，而低成本的中低精度光纤陀螺在汽车导航、定位和姿态控制、机器人等许多民用领域有着广阔的应用场景。
[0003]光纤陀螺一般基于分离的光纤器件实现光信号的产生、调制以及探测，不同的光纤器件通过尾纤熔接形成Sagnac干涉光学回路，从而不可避免地产生如寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等一系列问题，上述情况均会不同程度的降低系统性能。另外，采用一系列分离光纤器件还会增大系统尺寸以及重量。近年来随着集成光子学的发展，研究者们提出了集成光学陀螺以解决上述问题。通过将除传感线圈外光学陀螺需要的所有有源和无源光学器件集成在同一个芯片上，构成集成光学驱动芯片。该芯片可以同传感线圈（如保偏光纤或超低损耗的氮化硅波导等）连接在一起形成干涉光学陀螺，从而大大减少了光学陀螺的尺寸、重量、功耗以及成本，可以为光学陀螺的快速普及起到重要的推动作用。
[0004]另一方面，对于干涉型光学陀螺，稳定的相位调制是实现系统中Sagnac相位差信号高灵敏度、高准确度提取的重要保证，从而要求相移器具备较高的调制响应度、调制线性度以及大调制带宽等性能特性。目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成相移器主要基于体铌酸锂波导中的电光效应实现，但是基于质子扩散工艺的传统LiNbO3波导存在一些不足：（1）波导和包层之间较低的折射率差导致较弱的光场限制，从而需要金属电极与波导保持较大的间隔，进而降低了电光调制效率；（2）对质子交换的时间、温度、交换介质的特性及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高。
[0005]氮化硅（SiN）作为一种CMOS 兼容的材料，能够用标准的CMOS工艺加工，而且具有二氧化硅包层的 SiN波导的较低折射率对比度降低了由于侧壁粗糙度、色散和对波导尺寸变化的敏感性而导致的波导损耗，SiN的光学透明窗口可覆盖近红外和可见光波长范围，使其适用于非光通信领域。因此，近年来，氮化硅平台已经成为集成光学的常见工艺平台。但是，SiN没有二阶非线性效应（从而缺少线性电光效应），三阶非线性效应较弱，且不支持电子掺杂，故无法实现高效、快速的电光调制。
[0006]上述问题可以通过在 SiN平台上的低折射率包层（例如二氧化硅 (SiO2)）上异质集成非中心对称材料薄膜来解决，以实现高二阶非线性和较高的模场限制能力，同时仍具有与CMOS加工工艺的兼容性。典型异质集成材料包括：铁电体（例如铌酸锂薄膜 (LiNbO3)）、化合物半导体（例如铝
‑
镓
‑
砷 (AlGaAs) 和铝
‑
镓
‑
氮化物 (AlGaN) 系列）、石
墨烯、聚合物等。因此，利用薄膜沉积、外延生长和晶圆键合技术，在SiN材料中无法实现或性能不足的主动器件可以通过特定的异质集成材料实现并集成在单个SiN芯片上。
[0007]近来，LiNbO3薄膜与SiN/Si光子集成平台的异质集成受到了广泛的关注和研究。异质集成的SiN/Si
‑ꢀ
LiNbO3薄膜材料系统结合了SiN/Si光子平台良好的可扩展性和 LiNbO3的出色的电光调制性能。所实现的电光调制器件（如电光相位和强度调制器）显示出了大调制带宽、高调制效率、低片上插入损耗和高线性度的优势。其性能水平能够媲美其他材料集成平台的最优水平，而且可以克服一些传统的局限。底层的SiN/Si波导不仅可以在整个芯片上实现低损耗的光路由，而且还允许将该电光调制器与全套SiN/Si光子组件进行集成，这使得所提出的 SiN/Si
‑ꢀ
LiNbO3平台非常适合新兴应用。基于异质集成薄膜电光材料的集成光子学正在成为当前学界和工业界的热门领域。

技术实现思路

[0008]本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片，以提高其稳定性和准确度，同时适用于830nm、850nm、1310nm以及1550nm等光纤陀螺可用的波段。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提出了一种光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片，所述芯片从上到下包括SiO2上包层、SiN上层、SiO2中间层、SiN下层、电光材料薄膜层、SiO2下包层、Si衬底层；所述芯片采用第一种实现结构或第二种实现结构，其中，所述芯片的第一种实现结构包括在SiN上层中实现的第一光纤
‑
SiN波导耦合器、第二光纤
‑
SiN波导耦合器、第一3dB分束器、起偏器、第二3dB分束器、第一层间垂直耦合器上波导taper、第二层间垂直耦合器上波导taper、第三层间垂直耦合器上波导taper、第四层间垂直耦合器上波导taper、第三光纤
‑
SiN波导耦合器、第四光纤
‑
SiN波导耦合器；在SiN下层中实现的第一层间垂直耦合器下波导taper、第二层间垂直耦合器下波导taper、第一相移器、第二相移器、第三层间垂直耦合器下波导taper、第四层间垂直耦合器下波导taper；外部光源通过光纤与第一光纤
‑
SiN波导耦合器一端相连；外部光电探测器通过光纤与第二光纤
‑
SiN波导耦合器一端相连；第一光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端与第二光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端分别与第一3dB分束器的两个分支相连；第一3dB分束器的基波导与起偏器的一端相连；起偏器的另一端与第二3dB分束器的基波导相连；第二3dB分束器的两个分支分别与第一、第二层间垂直耦合器上波导taper的一端相连；间隔一定厚度的SiO2中间层，第一、第二层间垂直耦合器上波导taper的正下方分别为第一、第二层间垂直耦合器下波导taper；第一、第二层间垂直耦合器下波导taper的一端分别与第一、第二相移器的一端相连；第一、第二相移器的另一端分别与第三、第四层间垂直耦合器下波导taper的一端相连；间隔一定厚度的SiO2中间层，第三、第四层间垂直耦合器下波导taper的正上方分别为第三、第四层间垂直耦合器上波导taper；第三、第四层间垂直耦合器上波导taper的一端分别与第三、第四光纤
‑
SiN波导耦合器的一端相连；第三、第四光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端分别与外部光纤环的两端相连；芯片的第二种实现结构包括在SiN上层中实现的第一光纤
‑
SiN波导耦合器、第二光纤
‑
SiN波导耦合器、第一3dB分束器、起偏器、第二3dB分束器、第一层间垂直耦合器上波
导taper、第二层间垂直耦合器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学陀螺双层SiN基集成驱动芯片，其特征在于，所述芯片从上到下包括SiO2上包层、SiN上层、SiO2中间层、SiN下层、电光材料薄膜层、SiO2下包层、Si衬底层；所述芯片采用第一种实现结构或第二种实现结构，其中，所述芯片的第一种实现结构包括在SiN上层中实现的第一光纤
‑
SiN波导耦合器、第二光纤
‑
SiN波导耦合器、第一3dB分束器、起偏器、第二3dB分束器、第一层间垂直耦合器上波导taper、第二层间垂直耦合器上波导taper、第三层间垂直耦合器上波导taper、第四层间垂直耦合器上波导taper、第三光纤
‑
SiN波导耦合器、第四光纤
‑
SiN波导耦合器；在SiN下层中实现的第一层间垂直耦合器下波导taper、第二层间垂直耦合器下波导taper、第一相移器、第二相移器、第三层间垂直耦合器下波导taper、第四层间垂直耦合器下波导taper；外部光源通过光纤与第一光纤
‑
SiN波导耦合器一端相连；外部光电探测器通过光纤与第二光纤
‑
SiN波导耦合器一端相连；第一光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端与第二光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端分别与第一3dB分束器的两个分支相连；第一3dB分束器的基波导与起偏器的一端相连；起偏器的另一端与第二3dB分束器的基波导相连；第二3dB分束器的两个分支分别与第一、第二层间垂直耦合器上波导taper的一端相连；间隔一定厚度的SiO2中间层，第一、第二层间垂直耦合器上波导taper的正下方分别为第一、第二层间垂直耦合器下波导taper；第一、第二层间垂直耦合器下波导taper的一端分别与第一、第二相移器的一端相连；第一、第二相移器的另一端分别与第三、第四层间垂直耦合器下波导taper的一端相连；间隔一定厚度的SiO2中间层，第三、第四层间垂直耦合器下波导taper的正上方分别为第三、第四层间垂直耦合器上波导taper；第三、第四层间垂直耦合器上波导taper的一端分别与第三、第四光纤
‑
SiN波导耦合器的一端相连；第三、第四光纤
‑
SiN波导耦合器的另一端分别与外部光纤环的两端相连；芯片的第二种实现结构包括在SiN上层中实现的第一光纤
‑
SiN波导耦合器、第二光纤
‑
SiN波导耦合器、第一3dB分束器、起偏器、第二3dB分束器、第一层间垂直耦合器上波导taper、第二层间垂直耦合器上波导taper；在SiN下层中实现的第一层间垂直耦合器下波导taper、第二层间垂直耦合器下波导taper、第一相移器、第二相移器、第一光纤
‑
SiN/电光材料混合波导耦合器、第二光纤
‑
SiN/电光...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕海斌，李汉舟，焦峰，
申请(专利权)人：深圳奥斯诺导航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：