[发明专利]一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法。

背景技术

微光学陀螺是继机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺之后发展的新一代陀螺仪。它以光波导取代光纤作为Sagnac效应敏感元件，与光源、探测器、处理电路等集成在同一片硅片上，从而实现体积更小、可靠性更高的新一代陀螺仪。光波导的损耗越小，陀螺仪的灵敏度就越高。目前平面工艺光波导的损耗相比光纤大得多，如何降低光波导的损耗是实现高灵敏度微光学陀螺的关键问题。干涉型微光学陀螺是以螺线型光波导代替干涉型光纤陀螺的多匝光纤来实现的。与多匝光纤不同的是，螺线型光波导是平面工艺器件，因此螺线最内圈穿出螺线环时不可避免地与螺线环有多个X形交叉点。一方面，交叉角过小会导致穿过螺线环的光有一部分耦合进螺线环，产生一定的光损耗，并且对最终的干涉条纹产生一定干扰。另一方面，由于小型化的要求，螺线型光波导的半径需要尽量小，半径越小则光波导的弯曲损耗越大，尤其是最内圈穿出螺线环的路径，由于曲率半径较小且存在曲率突变的连接点，这段路径的弯曲损耗比较严重。如何设计螺线型光波导最内圈穿出螺线环的路径，使其既能避免穿过螺线环的光部分耦合进螺线环，减小交叉点损耗，又具有尽可能小的弯曲损耗，是干涉型微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片设计当中一个值得关注的问题。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片，该光波导芯片包括：衬底；二氧化硅下包层，形成于衬底的上方；二氧化硅芯区光波导，形成于二氧化硅下包层的上方；二氧化硅上包层，形成于所述二氧化硅芯区光波导的上方。

其中，所述衬底由绝缘或半绝缘材料制成，所述二氧化硅芯区光波导由掺Ge的二氧化硅制成，所述二氧化硅上包层由掺B、Ge或B、P的二氧化硅制成。

其中，所述二氧化硅下包层的厚度大于12μm。

其中，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1：在衬底上形成二氧化硅下包层；步骤2：在所述二氧化硅下包层上形成掺Ge的二氧化硅芯层；步骤3：进行光刻处理；步骤4：对于所述二氧化硅芯层进行图形化处理，得到芯区光波导结构；步骤5：在二氧化硅芯区光波导上形成掺B、Ge或B、P的二氧化硅上包层；步骤6：进行高温退火处理；步骤7：切片，并进行端面研磨和抛光，得到所述微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片。

其中，所述二氧化硅芯区光波导包括依次连接的输入直波导、第一圆弧型弯曲波导、第二圆弧型弯曲波导、阿基米德螺线型弯曲波导和输出直波导。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导的螺线环垂直交叉。

其中，所述输入直波导与阿基米德螺线型弯曲波导通过一段弯曲波导平滑连接，所述弯曲波导由第一圆弧型弯曲波导和第二圆弧型弯曲波导反向相接组成，其中，波导连接处端面的错位偏移量取决于两侧波导的曲率。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环时与螺线环垂直交叉，交叉点损耗最小，有利于提高陀螺仪的灵敏度；

(2)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环时与螺线环垂直交叉，避免了穿过螺线环的光耦合进螺线环导致对最终干涉条纹的干扰，有利于降低陀螺仪的噪声；

(3)螺线型光波导的最内圈穿出螺线环的路径为螺线型光波导起始端连接两个圆弧型弯曲波导再连接直波导最后穿出，经过计算，该路径的弯曲损耗较小，有利于提高陀螺仪的灵敏度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的一种微光学陀螺Sagnac效应光波导芯片的剖面结构示意图；

图2为图1所示光波导芯片的二氧化硅芯区光波导3的平面结构示意图；

图3为图2所示光波导芯片的二氧化硅芯区光波导3的路径方案与其他路径方案的比较示意图；