[发明专利]谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备，该谐振式陀螺仪光波导芯片包括：SOI基片，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；所述顶层硅上制作有脊形硅波导芯区，所述脊形硅波导芯区包括：依次连接的输入模斑转换器、波导和输出模斑转换器；二氧化硅层，位于所述脊形硅波导芯区上方；氮化硅层，包括氮化硅微环谐振腔，位于所述二氧化硅层上方；二氧化硅上包层，覆盖于所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片上方。本发明提供的谐振式陀螺仪光波导芯片具有高灵敏度、高可集成度、响应速度快、对加速度不敏感和制备工艺简单的效果。

技术领域

本发明涉及光学和微纳系统领域，尤其涉及一种谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法。

背景技术

惯性导航系统是一种不依赖任何外界设备，不需要与外界发生通信联系的完全自主式导航。它具有隐蔽性好，不受外界干扰，不受时间、地域、气候条件限制等诸多优点，被广泛应用于各领域的飞行器。加速度计和陀螺仪是惯性导航系统的两大关键器件。通过三轴加速度计记录系统的加速度并对时间积分的到系统的实时速度与实时位置；通过三轴陀螺仪记录系统的角速度并对时间积分可得到系统的实时姿态。惯性导航系统的性能很大程度上取决于陀螺仪的性能，陀螺仪的性能很大程度上直接影响着惯性导航系统的发展。

目前高精度的陀螺仪主要有机械陀螺、微机电陀螺以、激光陀螺以及光纤陀螺。机械陀螺和微机电陀螺由于存在敏感元件，抗冲击能力差，对加速度敏感。而传统的激光陀螺和光纤陀螺体积较大成本较高。因此，发展基于微纳光子学的集成光学陀螺有着重要的战略军事意义。借助环形谐振腔的传输特性，陀螺仪可以在很小的尺寸下实现很高的检测灵敏度，理论上灵敏度可以达到战术级惯性导航需求、体积小、价格低廉；除此之外，相较于传统的机械式“转子”陀螺，光学陀螺没有机械转动部件，因此可以抗振动、冲击、对重力加速度不敏感；并且，系统响应速度快、动态范围宽，使用便捷。但是现有的硅基集成光学陀螺普遍存在波导环形谐振腔损耗较大，检测极限灵敏度较低的问题，而目前采用的硅基集成中的氮化硅波导结构尺寸较大，并且无法制作激光器和光电探测器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种谐振式陀螺仪光波导芯片，包括：

SOI基片，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；所述顶层硅上制作有脊形硅波导芯区，所述脊形硅波导芯区包括：依次连接的输入模斑转换器、波导和输出模斑转换器；

二氧化硅层，位于所述脊形硅波导芯区上方；

氮化硅层，包括氮化硅微环谐振腔，位于所述二氧化硅层上方；

二氧化硅上包层，覆盖于所述氮化硅层、二氧化硅层以及SOI基片上方。

在一些实施例中，所述氮化硅微环谐振腔的波导芯层为高横纵比结构，所述高横纵比结构用以减小由于刻蚀导致的波导粗糙侧壁所带来的损耗。

在一些实施例中，所述波导为直波导或者弯曲波导。

在一些实施例中，所述氮化硅微环谐振腔位于所述波导形成的直线一侧，与所述脊形硅波导芯区部分重叠，以实现与所述波导的光谐振耦合。

在一些实施例中，所氮化硅微环谐振腔与所述波导通过垂直耦合进行光谐振耦合。

在一些实施例中，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器均为宽度渐变增大的波导。

在一些实施例中，所述输入模斑转换器和输出模斑转换器的窄波导端均与光纤连接，宽波导端均与所述波导连接，且宽波导端的尺寸均与所述波导的尺寸相匹配。