[发明专利]一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺

说明书

本发明公开了一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，包括：基底晶片、下包层、二氧化硅波导环圈、二氧化硅直波导、上包层、铌酸锂薄膜、电光移频器光学波导、电光移频器金属电极、铌酸锂直条光学波导，可将铌酸锂薄膜光学波导中经过电光移频的光波沿垂直方向耦合导入二氧化硅波导环圈中进行角速度测量，将二氧化硅波导环圈低传输损耗、低弯曲损耗的特点与铌酸锂晶体的电光移频功能相结合，既克服了基于二氧化硅波导的集成光学陀螺难以制作集成光学移频器的难题，也解决了基于铌酸锂波导的集成光学陀螺中波导环圈弯曲损耗过大、环圈半径过大的问题，提升了谐振式集成光学陀螺的集成度和实用化价值，适于实现批量生产。

技术领域

本发明涉及光学陀螺仪等导航与惯导技术领域，特别是涉及一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺。

背景技术

光学陀螺是一种利用萨格奈克效应测量旋转角速率的新型惯性仪表。光学陀螺主要有三大类:激光陀螺、光纤陀螺和集成光学陀螺。目前,激光陀螺技术已经十分成熟,并在许多惯性导航领域特别是高精度领域得到应用。但是激光陀螺需采用悬臂梁结构的振动来避免它的“闭锁”现象，因此激光陀螺并不是全固态仪表。与激光陀螺相比，光纤陀螺具有更小的体积、更轻的质量、更低的成本、没有运动部件等优点，是一种真正的全固态仪表。

然而随着导航技术的发展，一些领域对光学陀螺提出了新的技术发展要求，即光学陀螺的集成度、功耗、可靠性、体积等指标实现进一步的提升。在这个背景下，将光纤陀螺各分立元件的功能实现混合集成甚至单芯片集成，即集成光学陀螺，则成为了当前的重要技术发展方向。

目前集成光学陀螺的主要技术难点在于光学陀螺各功能元器件，如激光器、耦合器、调制器、探测器、光学波导线路(特别是光学波导环圈)等，所基于的材料有所不同，实现混合集成甚至单片集成的技术难度很大，因此当前的技术发展主要集中于实现耦合器、调制器以及光学波导线路(光学波导环圈)的单片集成，为下一步进行与激光器和探测器的混合集成甚至单片集成奠定基础。

二氧化硅是当前已知的损耗较低的几种材料之一，是制作低损耗光学波导线路的理想材料。然而，二氧化硅光学波导制作调制器、移频器等集成光学器件的难度较大，难以实现耦合器、调制器以及光学波导线路在二氧化硅材料上的单片集成。

铌酸锂具有优良的电光、声光、压电以及光学非线性等多种物理性质，可用于制作电光调制器、声光移频器、声光滤波器、声表面波滤波器以及波长转换器等多种集成光学器件，也是制作光学波导线路的理想材料。但是，铌酸锂光学波导环圈的弯曲损耗较大，而为了降低其弯曲损耗，波导环圈的尺寸往往需要很大，这又难以满足惯导领域对集成光学陀螺小型化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，以解决上述的二氧化硅材料制作集成光学移频器的难题和铌酸锂光学波导弯曲损耗过大的问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺，包括：基底晶片1、下包层2、二氧化硅波导环圈3、二氧化硅直波导4、上包层5、铌酸锂薄膜6、电光移频器光学波导7、电光移频器金属电极8、铌酸锂直条光学波导9，

所述基底晶片1为表面抛光的硅晶片，厚度在0.1mm～1mm；

所述下包层2是基底晶片1硅片的上表面经过热氧化工艺形成的致密的二氧化硅膜层，下包层2的厚度在6μm～15μm，作为二氧化硅波导环圈3和二氧化硅直波导4的下包层材料；

所述二氧化硅波导环圈3制备于下包层2的上方，采用跑道型结构，位于左侧的二氧化硅直波导4和右侧的二氧化硅直波导4中间，厚度在1μm～10μm，高度在1μm～10μm，环圈半径0.1cm～10cm，所述二氧化硅波导环圈3采用掺杂的二氧化硅材料，其折射率高于作为下包层2和上包层5的二氧化硅材料；