[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

说明书

技术领域

本发明涉及半导体硅材料以及电光材料集成的光学芯片，尤其涉及一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法。

背景技术

随着惯性导航技术的发展，应用领域对惯性导航系统的体积、重量要求越来越高，集成化、小型化的光纤陀螺设计成为必然。传统光纤陀螺光学系统由各个分立光学器件组成，通过光纤耦合和熔接连接而成，这种形式的光纤陀螺工艺步骤繁琐，结构复杂不易安装，耦合点和熔接点的稳定性可靠性较差，并且驱动电路系统复杂，不能满足惯性系统小型集成化技术日益发展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成度高、能实现光电集成且易于封装的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明的硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片，包括芯片硅基底及位于其上的光源、定向耦合器、Y波导调制器、信号探测器以及功率探测器；

Y波导调制器为铌酸锂基质子交换型波导，波导线宽为4～6.5μm，通过苯并环丁烯(benzocyclobutence，BCB)胶层粘合在芯片硅基底上；

定向耦合器包括硅衬底及位于硅衬底上的SiO₂包层，在SiO₂包层内掩埋有SiO₂：Ge芯层，SiO₂：Ge芯层包括两个90°圆弧波导、两个半圆弧波导、耦合区波导和两个直波导；

耦合区波导由波导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的一端，第一半圆弧波导的另一端连接第一90°圆弧波导的一端，第一90°圆弧波导的另一端作为光学芯片的光输入端口，所述的光源正对光输入端口，波导Ⅰ的另一个端口c连接第二直波导的一端，第二直波导的另一端作为功率探测端口，功率探测器的光敏面正对功率探测端口；波导Ⅱ的一个端口b连接第一直波导的一端，第一直波导的另一端作为光学芯片的信号探测端口，信号探测器的光敏面正对信号探测端口，波导Ⅱ的另一个端口d连接第二半圆弧波导的一端，第二半圆弧波导的另一端连接第二90°圆弧波导的一端，第二90°圆弧波导的另一端作为耦合端口，连接Y波导调制器的基波导，实现定向耦合器与Y波导调制器的耦合；Y波导调制器的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，每个分支的两侧均设有金属调制电极。

上述技术方案中，所述的定向耦合器通常设计为平行四边形，内角α为75±0.3°，长度为20.5～32.5mm，宽度为16～20mm，其中硅衬底的厚度h₂为0.52～1mm，SiO₂包层的厚度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；其中两个90°圆弧波导和两个半圆弧波导的曲率半径相同，为3～5mm；耦合区波导的耦合长度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。

所述的Y波导调制器下方的BCB胶层的厚度h₄通常为10～20μm，Y波导调制器的波导厚度h₃为0.5～1mm，Y波导调制器通常为平行四边形，内角β为80±0.5°，长为2cm，宽为3.5～3.7μm。

所述的芯片硅基底通常设计为平行四边形，长度为41～53mm,宽度为24～28mm，厚度h₆为0.52～0.67mm。

上述光学芯片的制备方法如下：

1)按照芯片的图形设计，切割出光学芯片的芯片硅基底和定向耦合器中的硅衬底；

2)采用PECVD在硅衬底上沉积第一层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；

3)按照Y波导调制器的图形设计，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分支波导的每个分支两侧制作金属调制电极；

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