一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。本发明专利技术通过设计特定的波导结构在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器


[0001]本专利技术属于集成光学芯片
，具体涉及一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器。

技术介绍

[0002]光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的敏感载体角速度的传感器，具有无运动部件、启动时间快和精度覆盖范围广等优点，在航空、航天、航海和陆地精密导航、武器精密制导及自动控制等领域得到了广泛关注和应用。为了更好地满足惯性导航系统小型化、低成本的发展需求，下一代光纤陀螺迫切需要向小型化发展。光路体积占据光纤陀螺体积的70％以上，是实现小型化面临的首要挑战。基于集成光学技术的集成光学芯片可将多个光路器件或功能集成在mm量级及以下的芯片上，大幅缩减陀螺光路体积，为光纤陀螺光路小型化提供了一种可行的技术方案。
[0003]起偏器是干涉式闭环光纤陀螺光路的关键器件之一，传统光纤陀螺的起偏器是集成在多功能集成光学调制器(MIOC)中的。MIOC以双折射晶体铌酸锂为材料，通过质子交换或钛扩散工艺制作而成，TE模式光波按照波导结构传播，TM模式光波不满足传导条件、逐渐泄露，形成高偏振消光比的线偏振光。对于中低精度光纤陀螺，起偏器的偏振消光比应优于
‑
30dB。
[0004]铌酸锂材料具有优异的电光特性，同时具有超宽的透明窗口，是实现光学器件的优异平台。MIOC器件是基于铌酸锂体材料(LN)实现，由于LN材料折射率差小，导致器件体积过大，且难以实现多器件的片上集成。铌酸锂薄膜材料(LNOI)折射率差大幅提高，是实现多器件片上集成的潜力平台，为光纤陀螺小型化提供了一种可行的技术方案。
[0005]基于LNOI实现分束/合束、相位调制、耦合等功能，但在起偏性能方面存在劣势，因此，需要设计一种基于特殊物理结构的片上起偏器。此外，如何通过简单的结构获得高偏振性能的片上LNOI起偏器是面临的另一个挑战。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中铌酸锂薄膜材料LNOI起偏性能无法满足要求的技术问题，本专利技术提供了一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，通过设计特定的波导结构在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：
[0008]一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，所述中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，所述偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。
[0009]进一步地，所述波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，所述上包层为空气层；所述芯层为LN，厚度为200nm～700nm；所述埋氧层为SiO2，厚度大于2μm；所述衬底层为Si，厚度大于700μm。
[0010]进一步地，所述输入波导与输出波导结构相同；相邻偏振波导沿波导宽度方向错位，错位尺寸小于偏振波导宽度的一半。
[0011]进一步地，所述输入波导、输出波导为直波导，所述输入波导和输出波导宽度不超过偏振波导宽度；所述输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，所述中间波导为条型波导。
[0012]进一步地，所述输入波导、输出波导为耗散波导，所述输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。
[0013]进一步地，所述输入波导和输出波导的宽度为[0.2,3.5]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°
。
[0014]进一步地，所述输入波导、输出波导包括耗散波导、和耗散波导两侧分别设置的吸收波导，所述耗散波导与中间波导的两个自由端外径对齐；所述输入波导和输出波导为脊波导，所述中间波导为条型波导。
[0015]进一步地，所述耗散波导、吸收波导宽度均小于1/3
·
W
m
，W
m
为偏振波导宽度；耗散波导和吸收波导之间间距大于4
·
W
d
和2
·
W
a
，W
a
为吸收波导宽度，W
d
为耗散波导宽度。
[0016]进一步地，所述输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w
d
∈[0.2,0.8]μm，所述输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w
a
∈[3.4,11.7]μm，所述耗散波导和吸收波导间距为D
i
∈[1.9,6.7]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°
。
[0017]进一步地，所述起偏器所在的LNOI芯片上还集成有调制器。
[0018]本专利技术与现有技术相比的有益效果：
[0019](1)基于LNOI的起偏器，通过设计特殊的波导组合实现物理起偏，省去了质子交换或钛扩散等工艺步骤，并大幅缩减器件体积，为起偏器的小体积片上集成提供了可行的技术途径；
[0020](2)现阶段技术在SOI难以实现高性能调制器，因此，基于SOI材料难以实现起偏器和调制器的单片集成；LNOI继承了LN具有的优异电光特性，可实现高性能调制器，而本专利技术所述的起偏器，在不改变LNOI材料特性的基础上，实现了起偏性能，使得起偏器和调制器在LNOI上单片集成的实现成为可能；
[0021](3)本专利技术所述的起偏器是面向光纤陀螺应用的，SOI的折射率差大，器件尺寸非常小，导致输出光模场较小，与光纤的连接存在一定的难度，需要设计专门的耦合结构；本专利技术所述的起偏器基于LNOI实现，其折射率差介于LN和SOI之间，在兼具小尺寸的优点同时，输出光模场得到有效增加，更有利于实现与光纤的低损耗连接。
[0022](4)本专利技术提出的起偏器结构简单，波导特征尺寸远大于现有制作工艺的最小线宽，器件制作工艺采用通用的半导体制作工艺，没有特殊的制作步骤，省去了质子交换和钛扩散等工艺，大幅缩减器件制备工序，制作工艺复杂度和难度降低，利于大批量、低成本制作。
附图说明
[0023]所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部
分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术具体实施例1提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器简易构型的俯视图；
[0025]图2为本专利技术具体实施例2提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器完整构型的俯视图；
[0026]图3为本专利技术具体实施例3提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器(N＝3个偏振模块串连，简易构形，输入输出同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，所述中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，所述偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。2.根据权利要求1所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，所述上包层为空气层；所述芯层为LN，厚度为200nm～700nm；所述埋氧层为SiO2，厚度大于2μm；所述衬底层为Si，厚度大于700μm。3.根据权利要求1所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导与输出波导结构相同；相邻偏振波导沿波导宽度方向错位，错位尺寸小于偏振波导宽度的一半。4.根据权利要求1或3所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导为直波导，所述输入波导和输出波导宽度不超过偏振波导宽度；所述输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，所述中间波导为条型波导。5.根据权利要求4所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导为耗散波导，所述输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。6.根据权利要求5所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导和输出波导的宽度为[0.2,3.5]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]
°
。7.根据权利要求1或3...

【专利技术属性】
技术研发人员：方圆，李豪伟，雷明，于晓之，张天其，张丽哲，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：