[发明专利]一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法

权利要求书

1.一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，包括：芯片硅基底(3)及位于其上的光源(1)、定向耦合器(2)、Y波导调制器(7)、信号探测器(5)以及功率探测器(11)；

Y波导调制器(7)为铌酸锂基质子交换型波导，波导线宽为4～6.5μm，通过BCB胶层(6)粘合在芯片硅基底(3)上；

定向耦合器(2)包括硅衬底(4)及位于硅衬底上的SiO₍₂₎包层(12)，在SiO₍₂₎包层(12)内掩埋有SiO₂:Ge芯层，SiO₂:Ge芯层包括两个90°圆弧波导(14、19)、两个半圆弧波导(15、20)、耦合区波导(16)和两个直波导(18、22)；

耦合区波导(16)由波导Ⅰ和波导Ⅱ耦合而成，波导Ⅰ的一个端口a连接第一半圆弧波导(15)的一端，第一半圆弧波导(15)的另一端连接第一90°圆弧波导(14)的一端，第一90°圆弧波导(14)的另一端作为光学芯片的光输入端口(13)，所述的光源(1)正对光输入端口(13)，波导Ⅰ的另一个端口c连接第二直波导(22)的一端，第二直波导(22)的另一端作为功率探测端口(21)，功率探测器(11)的光敏面正对功率探测端口(21)；波导Ⅱ的一个端口b连接第一直波导(18)的一端，第一直波导(18)的另一端作为光学芯片的信号探测端口(17)，信号探测器(5)的光敏面正对信号探测端口(17)，波导Ⅱ的另一个端口d连接第二半圆弧波导(20)的一端，第二半圆弧波导(20)的另一端连接第二90°圆弧波导(19)的一端，第二90°圆弧波导(19)的另一端作为耦合端口(10)，连接Y波导调制器(7)的基波导，实现定向耦合器(2)与Y波导调制器(7)的耦合；Y波导调制器(7)的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口(23)和第二尾纤耦合端口(24)，每个分支的两侧均设有金属调制电极(9)。

2.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的定向耦合器(2)为平行四边形，内角α为75±0.3°，长度为20.5～32.5mm，宽度为16～20mm，其中硅衬底(4)的厚度h₂为0.52～1mm，SiO₂包层(12)的厚度h₁为20～30μm；SiO₂:Ge芯层的横截面为矩形，其长为4～8μm，宽为4～6.5μm；所述的Y波导调制器(7)下方的BCB胶层(6)的厚度h₄为10～20μm，Y波导调制器(7)的波导厚度h₃为0.5～1mm，Y波导调制器(7)为平行四边形，内角β为80±0.5°，长为2cm，宽为3.5～3.7mm。

3.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的芯片硅基底(3)为平行四边形，长度为41～53mm,宽度为24～28mm，厚度h₆为0.52～0.67mm。

4.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的两个90°圆弧波导(14、19)和两个半圆弧波导(15、20)的曲率半径相同，为3～5mm。

5.根据权利要求1所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，其特征在于，所述的耦合区波导(16)的耦合长度h为5～10mm,耦合间距s为3.5～5μm，端口a与端口b间距w为1.5～2.5mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)按照芯片的图形设计，切割出光学芯片的芯片硅基底(3)和定向耦合器(2)中的硅衬底(4)；

2)采用PECVD在硅衬底(4)上沉积第一层SiO₂薄膜，作为缓冲层；在该层SiO₂薄膜上生长掺锗SiO₂薄膜，其厚度为耦合器波导芯层的厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO₂:Ge薄膜上形成SiO₂:Ge芯层波导图形；再在上面覆盖一层SiO₂薄膜，将SiO₂:Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到定向耦合器(2)；

3)按照Y波导调制器(7)的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂基底上制作出Y分支波导；再采用光刻工艺在Y分支波导(7)的每个分支两侧制作金属调制电极(9)；

4)对定向耦合器(2)的四个边缘以及Y波导调制器(7)的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对Y波导调制器(7)的另外两个边缘进行消光打磨；

5)采用Tresky贴片机将定向耦合器(2)的硅衬底底面直接粘合在芯片硅基底(3)上，将Y波导调制器(7)通过BCB胶层(6)粘合在芯片硅基底(3)上，通过调节旋涂BCB胶层的厚度来调整Y波导调制器(7)相对于定向耦合器(2)的SiO₂：Ge芯层波导的高度，使两者精确耦合；

6)将光源(1)粘合到芯片硅基底(3)上，使其正对光输入端口(13)；将信号探测器(5)粘合到硅基底(3)上，使信号探测器(5)的光敏面正对信号探测端口(17)；将功率探测器(11)粘合到硅基底(3)上，使功率探测器(11)的光敏面正对信号探测端口(21)，制得硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片。