一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，在SOI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芯片上实现物理起偏，结构简单，体积小、易集成，满足光纤陀螺的偏振要求。足光纤陀螺的偏振要求。足光纤陀螺的偏振要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器


[0001]本专利技术属于硅基集成光学芯片
，具体涉及一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器。

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]由于集成了起偏、相位调制和分束/合束功能，且制作工艺和材料特性导致的折射率差较小，传统方案中的MIOC的体积较大、且难以实现多器件集成。因此，需要设计一种紧凑的片上起偏器，满足光纤陀螺小型化和多器件片上集成的需要。硅基集成光学芯片基于绝缘体上硅(SOI)材料实现，具有集成度高、体积小、设计灵活、批量制作等优势，为光纤陀螺小型化提供了一种可行的技术方案。但由于SOI材料不具有双折射光电效应，无法通过质子交换或钛扩散等手段改变材料特性获得起偏功能。因此，面向光纤陀螺的硅基集成芯片面临的挑战之一是如何在SOI材料上获得满足陀螺应用需求的片上起偏功能。此外，现有硅基片上起偏器的结构较为复杂，对加工工艺提出了极高的要求，制作成本较高。而光纤陀螺采用集成光学芯片的初衷之一是降低成本。因此，如何通过简单的结构获得高偏振性能的片上起偏器是光纤陀螺硅基集成芯片面临的另一个挑战。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的多功能集成光学调制器体积过大、难以集成等技术问题，本专利技术提供了一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，通过设计特定的波导结构在小尺寸芯片上实现物理起偏，结构简单，体积小、易集成，满足光纤陀螺的偏振要求。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：
[0007]一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，在SOI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。
[0008]进一步地，波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，芯层材料为硅，厚度为220nm或250nm；上包层为空气；埋氧层材料为二氧化硅，厚度大于2μm；衬底层材料为硅，厚度大于700μm。
[0009]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。
[0010]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；输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，中间波导为条型波导。
[0011]进一步地，所述输入波导、输出波导为耗散波导，输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。
[0012]进一步地，所述输入波导和输出波导的宽度为w
i
、w
o
∈[0.3,1.8]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,1.8]μm，所述偏振波导半径为R∈[1.9,7.8]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°
。
[0013]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。
[0014]进一步地，所述耗散波导、吸收波导宽度均小于13
·
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。
[0015]进一步地，所述输入波导和输出波导为脊波导，中间波导为条型波导。
[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
∈[0.3,0.7]μm，所述输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w
a
∈[2.5,6.7]μm，所述耗散波导和吸收波导间距为D
i
∈[1.5,4.7]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,1.8]μm，所述偏振波导半径为R∈[1.9,7.8]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°
。
[0017]本专利技术与现有技术相比的有益效果：
[0018](1)借助SOI高折射率差的材料特性，本专利技术提出的起偏器体积大幅缩减，体积仅为传统光纤陀螺MIOC器件的1/1000000，体积优势明显；
[0019](2)不同于传统光纤陀螺MIOC器件通过质子交换或钛扩散等手段实现起偏功能，本专利技术提出的起偏器通过设计特殊的波导组合实现物理起偏，在获得与小型MIOC相同的偏振性能的同时依然保持了高折射率差和小体积的优势；
[0020](3)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
[0021]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。
[0022]图1为本专利技术具体实施例1提供的基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器简易构型的俯视图；
[0023]图2为本专利技术具体实施例2提供的基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器完整构型的俯视图；
[0024]图3为本专利技术具体实施例3提供的基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器(N＝3个偏振模块串连，简易构形，输入输出同侧)的示意俯视图；
[0025]图4为本专利技术具体实施例4提供的基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器(N＝3个偏振模块串连，完整构形，输入输出同侧)的示意俯视图；
[0026]图5为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，其特征在于，在SOI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所述的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，其特征在于，波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，芯层材料为硅，厚度为220nm或250nm；上包层为空气；埋氧层材料为二氧化硅，厚度大于2μm；衬底层材料为硅，厚度大于700μm。3.根据权利要求1所述的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，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所述的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，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；输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，中间波导为条型波导。5.根据权利要求4所述的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导为耗散波导，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所述的光纤陀螺用片上紧凑起偏器，其特征在于，所述输入波导和输出波导的宽度为w
i
、w
o
∈[0.3,1.8]μm，所述偏振波导宽度为w
m
∈[0.5,1.8]μm，所述偏振波导半径为R∈[1.9,7.8]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]

【专利技术属性】
技术研发人员：李豪伟，雷明，张天其，于晓之，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：