光学波导及其制作方法与微光学陀螺技术

本发明专利技术公开一种光学波导及其制作方法与微光学陀螺。属光学测速领域。其中，光学波导采用硅衬底，在硅片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。该光学波导谐振腔能增加光在其内多次传播的等效长度，可用于干涉式与谐振式微光学陀螺中，在干涉式微光学陀螺中，该光学波导作为其角度敏感环，多层螺旋形波导的结构有效增加光路传播长度，提高陀螺检测精度。在谐振式微光学陀螺中，该光学波导与外部耦合器耦合连接作为光学谐振腔，有效增强Ｓａｇｎａｃ效应，使微光学陀螺测角速度更准确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测速领域，尤其涉及一种光学波导及其制作方法与微光 学陀螺。
技术介绍
微光学陀螺主要是一种角速度的探测装置，其基本原理为光学Sagnac效 应，通过探测陀螺输出产生的相位差异或者频率差值来探测外界角速度的变 化，为惯性系统的关键器件之一，有着很大的军用意义和民用意义。微光学陀螺是一种利用萨格纳克(Sagnac)效应用来探测角速度的装 置，目前的微光学陀螺主要有两种类型干涉式与谐振式，干涉式陀螺通过 使光在光学谐振腔中的敏感环中顺、逆时针传输的光在出射端发生干涉，通 过对干涉结果的测量，得到相同传播两光束直接的相位差，最终计算得到陀 螺转动的角速度。而谐振式微光学陀螺是通过信号检测系统检测光学谐振腔 中的光产生萨格纳克(Sagnac)效应后输出时的相位差，来探测角速度的。从上述介绍中可以看出，微光学陀螺中的敏感部件-光学谐振腔是决定 了微光学陀螺精度的关键部件，现有技术中是采用在硅片上制造光波导或者 微镜阵列等技术实现该光学谐振腔的，并通过使该谐振腔的结构上有所差 异，来实现干涉式或谐振式的不同工作原理，但由于光学谐振腔结构的限 制，使这种采用光波导结构或微镜阵列的光学结构光程小，用在干涉式微光 学陀螺或谐振式微光学陀螺中时，普遍存在光传播的距离短，萨格纳克 (Sagnac)效应小，使得利用这种光学谐振腔的微光学陀螺无法达到较高的 探测精度。
技术实现思路
基于上述现有技术所存在的问题，本专利技术实施方式的目的是提供一种光 学波导及其制作方法与微光学陀螺，解决现有微光学陀螺中光在光学波导传播距离短，萨格纳克(Sagnac)效应弱，检测角速度不准确的问题。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的本专利技术实施方式提供一种光学波导，该光学波导采用硅衬底，在所述硅 片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔 离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内 的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。所述多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导具体为最下层 螺旋形波导依次经通过中间各层螺旋形波导与最上层螺旋形波导连接后形成 整体的螺旋形波导。本专利技术实施方式还提供一种光学波导的制作方法，包括制备第一层螺旋形波导在硅片上生长一层緩沖层，在緩沖层上生长第 一层硅波导层，在所述硅波导层上涂光刻胶后经光刻形成螺旋形波导图形， 并根据所形成的螺旋形波导图形通过刻蚀形成螺旋形波导槽作为第 一层螺旋 形波导，之后通过刻蚀或V形槽制作工艺在形成的第一层螺旋形波导末端形 成连接用的楔形结构；制备垂直波导在上述制得的硅片结构上涂光刻胶后经光刻暴露出螺旋 形波导槽，之后在该结构上生长与螺旋形波导槽厚度相同的牺牲层，通过剥 离去除波导区外的牺牲层，在上述结构上生长隔离层，在隔离层上涂光刻胶 后经光刻形成垂直波导的截面图形，并使垂直波导截面图与波导区的楔形结 构在硅片上的投影面图相对应，根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层 中形成垂直波导通道，通过垂直波导通道利用选择性腐蚀去除垂直波导通道 对应的波导槽内的牺牲层形成螺旋形波导与垂直波导一体的中空结构；制备第二层螺旋形波导涂灌热固化胶使上述中空结构固化成型，并以 形成的热固化胶作为第二层波导层，在固化胶上涂光刻胶后经光刻形成螺旋 形波导图形，并通过刻蚀工艺形成第二层螺旋形波导及连接前一层螺旋形波导的楔形结构；若制备多层螺旋形波导，在制备的第二层螺旋形波导的末端通过刻蚀或V 形槽制作工艺在该层螺旋形波导末端形成连接用的楔形结构，并生长隔离 层，通过剥离技术去除楔形结构区的隔离层，重复上述制备第二层螺旋形波 导的步骤，在制得的各层螺旋形波导的结构上，依次形成后续各层螺旋形波 导，得到经垂直波导连通的多层螺旋形波导。所述在硅片上生长一层緩沖层具体包括利用标准半导体清洗工艺将硅片清洗干净，然后利用CVD法在硅片上生 长500nm厚的緩沖层；所述制备第一层螺旋形波导时，在上述硅片结构上生长第一层硅波导层 是通过CVD法在硅片结构上生长10微米厚的硅波导层。所述方法中，根据螺旋形波导图形刻蚀出螺旋形波导槽釆用的是RIE刻 蚀；所述根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层中形成垂直波导通道均 采用的是湿法刻蚀。所述方法中，生长隔离层是采用CVD法在形成的硅片结构上生长硅隔离层 或二氧化硅隔离层。本专利技术实施方式同时提供一种光学波导的制作方法，包括制备一层螺旋形波导在硅片上涂光敏聚合物材料并固化后作为波导层，通过光漂白在光敏聚 合物材料中形成螺旋形波导，通过RIE刻蚀或透射渐变掩模在该层螺旋形波 导末端形成连接用的楔形结构；制备垂直波导在上述形成螺旋形波导层后得到的硅片结构上，涂光敏聚合物材料形成8隔离层，并通过光漂白形成垂直波导通道，使垂直波导通道与形成的螺旋形波导的楔形结构相连；若制备多层螺旋形波导，在上述硅片结构上，重复上述制备一层螺旋形 波导与制备垂直波导的步骤，形成后续的各层螺旋形波导和连接各层螺旋形波导的垂直波导；上述各层螺旋形波导制备完成后，得到在硅片上由垂直波导连接的多层螺旋形波导的中空结构的光学波导。本专利技术实施方式还一种基于光学波导的微光学陀螺，包括光源、光电探测器、耦合器、Y波导集成光学调制器、光学波导和信号检测电路，所述光学波导采用上述权利要求3 - 7或8中任一项中所述制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导；其中，所述光源和光电探测器的输出端均通过耦合器与所述Y波导集成光学调制器连接；所述光电探测器的信号输出端通过检测信号电路与Y波导集成光学调制器的信号调制输入端连接；所述Y波导集成光学调制器的输出端与所述光学波导连接。本专利技术实施方式同时提供一种基于光学波导的微光学陀螺，包括 信号检测电路、窄线宽激光光源、Y波导集成光学调制器、两个探测器和光学波导谐振腔，所述光学波导谐振腔为由上述权利要求3 - 7或8中任一项所述制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导与外部的耦合器耦合连接组成的谐振腔；其中，所述信号检测电路的主反馈环路输出端与光源连接，次反馈环路 输出端分别与Y波导集成光学调制器的两个相位调制器连接；所述窄线宽激光 光源的输出端分别通过Y波导集成光学调制器的两个相位调制器与所述光学波 导谐振腔连接；所述光学波导谐振腔的两路输出端分别通过两个探测器与所 述信号4企测电路的输入端连接。所述信号检测电路包括信号处理电路、两路输入信号处理电^各、两路次反馈环路和主反馈环路；其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外 部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模 数转换器A/D顺次连接而成；两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别 连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对窄线宽激光光源输出光 的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟緩沖放大 器连4妄而成；主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部窄线 宽激光光源，调节窄线宽激光光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换 器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。由上述本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学波导，其特征在于，该光学波导采用硅衬底，在所述硅片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周震，于怀勇，冯丽爽，洪灵菲，王潇，张春熹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]