基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。本发明专利技术提供的集成光学芯片具有导波、起偏、分束、合束、相位调制等多种功能，通过制作成阵列式波导光路实现了三轴光纤陀螺的多个光器件的高度集成，并采用阵列式的光纤耦合结构实现了集成光学芯片的组装。采用本发明专利技术提供的方案，三轴光纤陀螺的光器件数量可以大幅减少，提升了三轴光纤陀螺系统的可靠性和总体性能、降低了制造成本和装配难度。本发明专利技术提供的集成光学芯片以退火质子交换波导为基础，因而兼具有传统铌酸锂波导器件的光学损耗低、热稳定性高、可靠性高、制备工艺成熟等显著特点，十分有利于提升集成光学组件的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件
本专利技术可应用于光纤陀螺
，尤其涉及一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。
技术介绍
惯性测量单元一般包含有三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，其中加速度计用于检测物体在载体坐标系中独立三轴的加速度信号，陀螺仪用于检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。惯性测量单元通过测量物体在三维空间中的角速度和加速度，解算出物体的姿态，因而在导航中用着十分重要的应用。光纤陀螺仪是一种具有精度高、启动时间短、环境适应性强、可靠性高、成本低等多种显著优势的传感仪表，以其为核心元件的惯性测量单元可实现对物体的速度和姿态等信息的快速和精确的测量。参考图1，所示为一个单轴的光纤陀螺仪的光路基本构造的示意性框图，包括：激光光源、光电探测器、光纤耦合器、Y波导调制器、传感光纤环。对于一套三轴光纤陀螺仪系统，现有技术一般是在单独装配好每一单轴光纤陀螺仪的光路基础上，再进行三轴系统的光路的装配。因此，在现有三轴光纤陀螺仪的技术方案及生产制造过程中，特别是涉及其中无源光纤器件和有源光电器件的光路搭建方面，存在着如下的问题。首先，在现有的三轴光纤陀螺系统中，一般总共包含有3支光纤耦合器和3支Y波导调制器，即共计6支无源或有源的光器件。此外，两支光器件之间包含有1个光纤熔接点(光纤耦合器的输出光纤和Y波导调制器的输入光纤之间的熔接点)，且每支Y波导调制器包含3个光纤耦合点(1个输入端口和2个输出端口)。由此可见，每套三轴光纤陀螺系统一共包含3个光纤熔接点以及9个Y波导光纤耦合点。在光纤陀螺仪的组装过程中，光纤熔接点和光纤耦合点是系统可靠性隐患的重点部位，这是因为：通过预热放电熔接的两根光纤存在着熔接点断裂失效的隐患，通过填充紫外胶水并进行紫外光曝光固化的光纤耦合点存在着开胶失效的隐患。熔接点数量和耦合点数量越多，则产品失效的隐患就越大。其次，较多的光器件必然导致三轴光纤陀螺系统的总体成本难以降低。而且，在三轴光纤陀螺光路系统的组装过程中，由于装配复杂程度较高，工程技术人员的操作熟练度、合格率也很大程度地影响着系统的制造成本。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种可以基于波导光路实现多组的耦合器、起偏器、分束器、合束器、相位调制器等光器件在单一晶片上的多功能集成，且具有可靠性高、稳定性好、操作简便等特点的基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片以及集成光学组件。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，包括：铌酸锂基底晶片及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构，且每一组集成光学结构分别对应于一个单轴光纤陀螺仪的光信号处理；每一组集成光学结构均包括：一组无源集成光学结构和一组有源集成光学结构；每一组无源集成光学结构为一个Y分支光波导，集成有导波、起偏、分束等多种无源光器件的功能；每一组有源集成光学结构由一个Y分支光波导及其金属电极构成，不仅集成有导波、分束、合束等多种无源光器件的功能，还具有电光相位调制的有源光器件的重要功能。所述无源集成光学结构包括二合一式的Y分支光波导，其输入端具有两个光波导端口；所述有源集成光学结构包括一分二式的Y分支光波导以及金属电极，在其输出端具有两个光波导端口；所述无源集成光学结构中的Y分支光波导的输出端与所述有源集成光学结构中的Y分支光波导输入端连通；在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的两个端口分别可用于通过光纤与激光光源和光电探测器连接，从激光光源发出的光波经由Y分支光波导两个端口的其中之一进入Y分支光波导，经过光波导的起偏后，通过无源集成光学结构的Y分支光波导进入有源集成光学结构的Y分支光波导(进行光波的分束)；从传感光纤环返回的光波经由有源集成光学结构的Y分支光波导处干涉后，干涉光波在无源集成光学结构的Y分支光波导处进行分束，经由无源集成光学结构的Y分支光波导的另一个端口进入光电探测器(进行光信号的探测)；在所述有源集成光学结构中，光波在Y分支光波导处按50:50的比例进行分束并分别进入Y分支光波导的两个分支中传输，金属电极通过线性电光效应对传输于Y分支光波导中的光波的相位进行调制，Y分支光波导的两个端口分别与传感光纤环的两端连接，形成顺时针绕行的光波和逆时针绕行的光波，顺时针绕行和逆时针绕行的两束光波在返回后，在所述有源集成光学结构中的Y分支光波导处发生干涉并形成干涉光波。其中，述铌酸锂基底晶片为X切的光学级晶片，具有线性电光效应，可用于制作以波导光路为基础的无源集成光学结构和有源集成光学结构。所述铌酸锂基底晶片的厚度不小于0.5mm，长度在10mm～80mm。其中，铌酸锂基底晶片的长度为20mm～25mm；厚度为1.0mm以获得晶片端面与光纤端面之间较好的耦合粘接强度。其中，在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L1，Y分支光波导的开口间距为D1，相邻Y分支光波导之间的间距为S1，Y分支光波导的开口角度θ1≈2tan-1(D1/2/L1)；在所述有源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L2，Y分支光波导的开口间距为D2，相邻Y分支光波导之间的间距为S2，Y分支光波导的开口角度θ2≈2tan-1(D2/2/L2)。其中，所述有源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数L2、D2、S2、θ2与无源集成光学结构中Y分支光波导的结构参数保持相同，即L1＝L2、S2＝D2＝S1＝D1且θ2＝θ1。其中，所述无源集成光学结构中Y分支光波导的开口间距为D1不小于50μm，开叉角度θ1不小于0.5°。其中，所述无源集成光学结构和所述有源集成光学结构中的光波导均采用退火质子交换制造工艺制备所得。退火质子交换工艺是本领域工程技术人员所熟悉的技术，在此不做详细描述。制作退火质子交换光波导时的氧化物薄膜掩膜或金属薄膜掩膜的开口宽度在1.0μm～10.0μm，所形成的光波导的1/e2模场直径在1.0μm～10.0μm。其中，所述金属电极由调制电极、过渡电极、电极焊盘三部分组成，其中：所述调制电极对传输于Y分支光波导中的光波进行相位调制，所述电极焊盘与封装管壳上的引线管脚或电路板通过金丝键合以实现电信号的连通，所述过渡电极用以连通调制电极与电极焊盘；所述调制电极放置于有源集成光学结构中的Y分支光波导处，放置于光波导上方的两侧，形成推挽式结构；所述电极焊盘放置于所述铌酸锂基底晶片的同一侧，或者放置于所述铌酸锂基底晶片的两侧。其中，构成所述金属电极的金属薄膜材料为铬-金双层金属薄膜或钛-金双层金属薄膜，其中铬薄膜或钛薄膜的作用为提高金薄膜与铌酸锂晶片表面之间的粘附性。铬薄膜或钛薄膜的厚度在10nm～200nm，金薄膜的厚度在0.1μm～10μm。优选的，金薄膜的厚度在0.3μm～1μm。所述铌酸锂基底晶片共包含3组无源集成光学结构和3组有源集成光学结构，其中每一组无源集成光学结构和有源集成光学结构是连通的，对应着每一个单轴光纤陀螺的角速度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，包括：/n铌酸锂基底晶片及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构，且每一组集成光学结构分别对应于一个单轴光纤陀螺仪的光信号处理；/n每一组集成光学结构均包括：一组无源集成光学结构和一组有源集成光学结构；所述无源集成光学结构包括二合一式的Y分支光波导，其输入端具有两个光波导端口；所述有源集成光学结构包括一分二式的Y分支光波导以及金属电极，在其输出端具有两个光波导端口；所述无源集成光学结构中的Y分支光波导的输出端与所述有源集成光学结构中的Y分支光波导输入端连通；/n在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的两个端口分别可用于通过光纤与激光光源和光电探测器连接，从激光光源发出的光波经由Y分支光波导两个端口的其中之一进入Y分支光波导，经过光波导的起偏后，通过无源集成光学结构的Y分支光波导进入有源集成光学结构的Y分支光波导；从传感光纤环返回的光波经由有源集成光学结构的Y分支光波导处干涉后，干涉光波在无源集成光学结构的Y分支光波导处进行分束，经由无源集成光学结构的Y分支光波导的另一个端口进入光电探测器；/n在所述有源集成光学结构中，光波在Y分支光波导处按50:50的比例进行分束并分别进入Y分支光波导的两个分支中传输，金属电极通过线性电光效应对传输于Y分支光波导中的光波的相位进行调制，Y分支光波导的两个端口分别与传感光纤环的两端连接，形成顺时针绕行的光波和逆时针绕行的光波，顺时针绕行和逆时针绕行的两束光波在返回后，在所述有源集成光学结构中的Y分支光波导处发生干涉并形成干涉光波。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，包括：
铌酸锂基底晶片及形成于该基底晶片中的三组集成光学结构，且每一组集成光学结构分别对应于一个单轴光纤陀螺仪的光信号处理；
每一组集成光学结构均包括：一组无源集成光学结构和一组有源集成光学结构；所述无源集成光学结构包括二合一式的Y分支光波导，其输入端具有两个光波导端口；所述有源集成光学结构包括一分二式的Y分支光波导以及金属电极，在其输出端具有两个光波导端口；所述无源集成光学结构中的Y分支光波导的输出端与所述有源集成光学结构中的Y分支光波导输入端连通；
在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的两个端口分别可用于通过光纤与激光光源和光电探测器连接，从激光光源发出的光波经由Y分支光波导两个端口的其中之一进入Y分支光波导，经过光波导的起偏后，通过无源集成光学结构的Y分支光波导进入有源集成光学结构的Y分支光波导；从传感光纤环返回的光波经由有源集成光学结构的Y分支光波导处干涉后，干涉光波在无源集成光学结构的Y分支光波导处进行分束，经由无源集成光学结构的Y分支光波导的另一个端口进入光电探测器；
在所述有源集成光学结构中，光波在Y分支光波导处按50:50的比例进行分束并分别进入Y分支光波导的两个分支中传输，金属电极通过线性电光效应对传输于Y分支光波导中的光波的相位进行调制，Y分支光波导的两个端口分别与传感光纤环的两端连接，形成顺时针绕行的光波和逆时针绕行的光波，顺时针绕行和逆时针绕行的两束光波在返回后，在所述有源集成光学结构中的Y分支光波导处发生干涉并形成干涉光波。


2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述铌酸锂基底晶片为X切的光学级晶片；所述铌酸锂基底晶片的厚度不小于0.5mm，长度为10mm～80mm。


3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，所述铌酸锂基底晶片的厚度为1.0mm，长度为20mm～25mm。


4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导光路的集成光学芯片，其特征在于，
在所述无源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L1，Y分支光波导的开口间距为D1，相邻Y分支光波导之间的间距为S1，Y分支光波导的开口角度θ1≈2tan-1(D1/2/L1)；
在所述有源集成光学结构中，Y分支光波导的弯曲部分长度为L2，Y分支光波导的开口间距为D2，相邻Y分支光波导之间的间距为S2，Y分支光波导的开口角度θ2≈2tan-1(D2/2/L2)。


5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏莲侠，
申请(专利权)人：天津领芯科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12