一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片制造技术

本发明专利技术涉及干涉式光纤陀螺，具体是一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片。本发明专利技术解决了传统的干涉式光纤陀螺难以实现小型化、插入损耗高、生产成本高的问题。一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片，包括SOI平台、四根弯曲波导、两个集成硅基Y波导、级联式集成硅基起偏器；第一个集成硅基Y波导作为源Y分支；第二个集成硅基Y波导作为干涉式Y分支；所述级联式集成硅基起偏器包括N个集成硅基起偏单元；第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导依次串联，且源Y分支的主直波导段的首端依次通过第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导与干涉式Y分支的主直波导段的首端连接。本发明专利技术适用于小型化干涉式光纤陀螺。本发明专利技术适用于小型化干涉式光纤陀螺。本发明专利技术适用于小型化干涉式光纤陀螺。

【技术实现步骤摘要】
一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片


[0001]本专利技术涉及干涉式光纤陀螺，具体是一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片。

技术介绍

[0002]干涉式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，其广泛应用于航空、航天、航海等领域。在传统的干涉式光纤陀螺中，由于各个光学器件（光源、光电探测器、保偏光纤环、压电陶瓷相位调制器、两个耦合器、空间滤波器、起偏器）均为分立光学器件，一方面导致干涉式光纤陀螺难以实现小型化，另一方面导致干涉式光纤陀螺存在插入损耗高、生产成本高的问题。基于此，有必要专利技术一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片，以解决传统的干涉式光纤陀螺难以实现小型化、插入损耗高、生产成本高的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决传统的干涉式光纤陀螺难以实现小型化、插入损耗高、生产成本高的问题，提供了一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片。
[0004]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片，包括SOI平台、四根弯曲波导、两个集成硅基Y波导、级联式集成硅基起偏器；四根弯曲波导、两个集成硅基Y波导、级联式集成硅基起偏器均基于SOI平台加工而成；四根弯曲波导的尾端面均与SOI平台的右端面齐平，且第三根弯曲波导的长度与第四根弯曲波导的长度不相等；所述每个集成硅基Y波导均包括主直波导段；主直波导段的尾端延伸设置有首端窄尾端宽的锥形波导段；锥形波导段的尾端延伸设置有两个过渡直波导段，且两个过渡直波导段沿主直波导段的宽度方向对称分布；两个过渡直波导段之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段的尾端各延伸设置有一个圆弧波导段，且两个圆弧波导段沿主直波导段的宽度方向对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅A，且亚波长光栅A的各个栅条的长度方向均与主直波导段的宽度方向一致；主直波导段的厚度、锥形波导段的厚度、两个过渡直波导段的厚度、两个圆弧波导段的厚度、亚波长光栅A的厚度均一致；主直波导段的宽度、锥形波导段的首端宽度、两个过渡直波导段的宽度、两个圆弧波导段的宽度均一致；锥形波导段的尾端宽度等于两个过渡直波导段的宽度与耦合狭缝的宽度之和；第一个集成硅基Y波导作为源Y分支；第二个集成硅基Y波导作为干涉式Y分支；源Y分支的第一个圆弧波导段的尾端与第一根弯曲波导的首端连接；源Y分支的第二个圆弧波导段的尾端与第二根弯曲波导的首端连接；干涉式Y分支的第一个圆弧波导段的尾端与第三根弯曲波导的首端连接；干涉式Y分支的第二个圆弧波导段的尾端与第四根弯曲波导的首端连接；
所述级联式集成硅基起偏器包括N个集成硅基起偏单元；N为正整数，且2≤N≤9；所述每个集成硅基起偏单元均包括芯层波导、亚波长光栅B、两个渐变锥形波导；芯层波导包括半圆弧波导段、分别延伸设置于半圆弧波导段两端的两个直波导段；亚波长光栅B的各个栅条均为半圆弧形栅条，且半圆弧形栅条的开口方向与半圆弧波导段的开口方向一致；亚波长光栅B的周期为固定值；亚波长光栅B的各个栅条的占空比由内向外逐渐减小；亚波长光栅B的第一个栅条平行耦合于半圆弧波导段的外侧；两个渐变锥形波导均呈首端宽尾端窄设置，且两个渐变锥形波导的首端分别与亚波长光栅B的第一个栅条的两端对接；两个渐变锥形波导分别平行耦合于两个直波导段的外侧；半圆弧波导段的厚度、两个直波导段的厚度、亚波长光栅B的厚度均一致；两个渐变锥形波导的厚度均大于亚波长光栅B的厚度；半圆弧波导段的宽度、两个直波导段的宽度均一致；两个渐变锥形波导的首端宽度均大于亚波长光栅B的第一个栅条的宽度；两个渐变锥形波导与两个直波导段的耦合间距均等于亚波长光栅B的第一个栅条与半圆弧波导段的耦合间距；第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导依次串联，且源Y分支的主直波导段的首端依次通过第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导与干涉式Y分支的主直波导段的首端连接。
[0005]使用时，本专利技术与光纤阵列、光源、光电探测器、保偏光纤环、压电陶瓷相位调制器连接形成小型化干涉式光纤陀螺，如图9所示（第一根弯曲波导的尾端面与光纤阵列的第一根光纤的首端面耦合，光纤阵列的第一根光纤的尾端与光电探测器连接。第二根弯曲波导的尾端面与光纤阵列的第二根光纤的首端面耦合，光纤阵列的第二根光纤的尾端与光源连接。第三根弯曲波导的尾端面与光纤阵列的第三根光纤的首端面耦合，光纤阵列的第三根光纤的尾端通过压电陶瓷相位调制器与保偏光纤环的一端连接。第四根弯曲波导的尾端面与光纤阵列的第四根光纤的首端面耦合，光纤阵列的第四根光纤的尾端与保偏光纤环的另一端连接）。
[0006]小型化干涉式光纤陀螺的工作过程如下：光源发出的光束先经源Y分支进行滤波（滤掉高阶模），再经级联式集成硅基起偏器进行滤波（滤掉TM模和高阶模），然后经干涉式Y分支进行分光（分光比为5:5）后形成两路光束。两路光束经保偏光纤环进行相反方向传播（第一路光束经保偏光纤环进行逆时针方向传播，第二路光束经保偏光纤环进行顺时针方向传播）后返回至干涉式Y分支进行合光，同时经干涉式Y分支进行干涉并形成Sagnac效应。Sagnac效应产生的相位差信息依次经级联式集成硅基起偏器、源Y分支进入光电探测器。
[0007]在上述工作过程中，考虑到干涉式Y分支与第三根弯曲波导的连接处、第三根弯曲波导与光纤阵列的第三根光纤的耦合处、干涉式Y分支与第四根弯曲波导的连接处、第四根弯曲波导与光纤阵列的第四根光纤的耦合处会反射形成迈克尔逊干涉效应，为了避免迈克尔逊干涉效应产生错误相位信号，需要保证第三根弯曲波导的长度L3、第四根弯曲波导的长度L4、光源的退相干长度L
dc
之间满足如下关系：|L3
‑
L4|＞L
dc
；光源的退相干长度L
dc
的计算公式为：L
dc
=(λ
·
λ)/(Δλ
FWHM
)；式中：λ为光源的中心波长，Δλ
FWHM
为光源的光谱带宽。级联式集成硅基起偏器的单模单偏振滤波特性可使得任何与输入状态不同的信号（例如，空间模式或偏振模式的差异）基本被消除。具体而言，产生错误的非互易相移机制会干扰到Sagnac相移，本专利技术可以减轻或消除光子集成芯片中的这种机制，具体阐述如下：其一，这种错误的相移信号可能由例如光子集成芯片中Y分支的轻微非互易性引起。Y分支作为一对
相对于彼此成一定角度放置的波导工作，并且可以被视为结点附近的双模波导。当来自Y分支的基波导的输入光到达Y分支的耦合区域时，倏逝波在双模波导中重叠，并且基本对称模被转换成二阶反对称模，并且模场的两个波瓣被分离，并且在两个分支波导中几乎被完美地引导。对于到达耦合区域的两个返回信号，基本模式被形成并由基波导引导，而高于波导截止的二阶反对称模被辐射到衬底中。由于对称模式和反对称模式之间存在残余差分损耗，沿不同方向传输通过结点的光会受到不同的损耗（取决于特定方向），因此由于Y分支处的轻微非互易性，在Y分支的基端口会出现寄生相移。放置在干涉式Y分支的基波导处的级联式集成硅基起偏器可以使两路光束经保偏光纤环进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片，其特征在于：包括SOI平台（5）、四根弯曲波导（6）、两个集成硅基Y波导、级联式集成硅基起偏器；四根弯曲波导（6）、两个集成硅基Y波导、级联式集成硅基起偏器均基于SOI平台（5）加工而成；四根弯曲波导（6）的尾端面均与SOI平台（5）的右端面齐平，且第三根弯曲波导（6）的长度与第四根弯曲波导（6）的长度不相等；所述每个集成硅基Y波导均包括主直波导段（101）；主直波导段（101）的尾端延伸设置有首端窄尾端宽的锥形波导段（102）；锥形波导段（102）的尾端延伸设置有两个过渡直波导段（103），且两个过渡直波导段（103）沿主直波导段（101）的宽度方向对称分布；两个过渡直波导段（103）之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段（103）的尾端各延伸设置有一个圆弧波导段（104），且两个圆弧波导段（104）沿主直波导段（101）的宽度方向对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅A，且亚波长光栅A的各个栅条（105）的长度方向均与主直波导段（101）的宽度方向一致；主直波导段（101）的厚度、锥形波导段（102）的厚度、两个过渡直波导段（103）的厚度、两个圆弧波导段（104）的厚度、亚波长光栅A的厚度均一致；主直波导段（101）的宽度、锥形波导段（102）的首端宽度、两个过渡直波导段（103）的宽度、两个圆弧波导段（104）的宽度均一致；锥形波导段（102）的尾端宽度等于两个过渡直波导段（103）的宽度与耦合狭缝的宽度之和；第一个集成硅基Y波导作为源Y分支；第二个集成硅基Y波导作为干涉式Y分支；源Y分支的第一个圆弧波导段的尾端与第一根弯曲波导（6）的首端连接；源Y分支的第二个圆弧波导段的尾端与第二根弯曲波导（6）的首端连接；干涉式Y分支的第一个圆弧波导段的尾端与第三根弯曲波导（6）的首端连接；干涉式Y分支的第二个圆弧波导段的尾端与第四根弯曲波导（6）的首端连接；所述级联式集成硅基起偏器包括N个集成硅基起偏单元；N为正整数，且2≤N≤9；所述每个集成硅基起偏单元均包括芯层波导、亚波长光栅B、两个渐变锥形波导（204）；芯层波导包括半圆弧波导段（201）、分别延伸设置于半圆弧波导段（201）两端的两个直波导段（202）；亚波长光栅B的各个栅条（203）均为半圆弧形栅条，且半圆弧形栅条的开口方向与半圆弧波导段（201）的开口方向一致；亚波长光栅B的周期为固定值；亚波长光栅B的各个栅条（203）的占空比由内向外逐渐减小；亚波长光栅B的第一个栅条（203）平行耦合于半圆弧波导段（201）的外侧；两个渐变锥形波导（204）均呈首端宽尾端窄设置，且两个渐变锥形波导（204）的首端分别与亚波长光栅B的第一个栅条（203）的两端对接；两个渐变锥形波导（204）分别平行耦合于两个直波导段（202）的外侧；半圆弧波导段（201）的厚度、两个直波导段（202）的厚度、亚波长光栅B的厚度均一致；两个渐变锥形波导（204）的厚度均大于亚波长光栅B的厚度；半圆弧波导段（201）的宽度、两个直波导段（202）的宽度均一致；两个渐变锥形波导（204）的首端宽度均大于亚波长光栅B的第一个栅条（203）的宽度；两个渐变锥形波导（204）与两个直波导段（202）的耦合间距均等于亚波长光栅B的第一个栅条（203）与半圆弧波导段（201）的耦合间距；第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导依次串联，且源Y分支的主直波导段（101）的首端依次通过第一至第N个集成硅基起偏单元的芯层波导与干涉式Y分支的主直波导段（101）的首端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于小型化干涉式光纤陀螺的光子集成芯片，其特征在于：主直波导段（101）的厚度、锥形波导段（102）的厚度、两个过渡直波导段（103）的厚度、两个圆弧波导段（104）的厚度、亚波长光栅A的厚度均为190nm~250nm；锥形波导段（102）的长度大于等于2μm；两个过渡直波导段（103）的长度均为0.95μm~1.05μm；两个圆弧波导段（104）的内径均大于5μm；亚波长光栅A的周期为100nm~300nm；亚波长光栅A的栅条（105）个数为4~6；亚波长光栅B的周期是指亚波长光栅B的相邻两个栅条（203）的内径之差；亚波长光栅B的某...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦汝，尹程玉，刘文耀，邢恩博，唐军，刘俊，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：