基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎、加工方法及工作方法

本发明涉及光学器件集成，尤其涉及基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎、加工方法及工作方法。

背景技术：

1、集成光学模块是目前光通信、传感等领域的研究热点，是未来光电磁学相关领域的主要发展方向，集成光学技术可实现分立光学器件的小型化与集成化，实现批量化生产，从而降低生产成本，掌握完整的集成光学核心技术可以使企业在市场中占据更多的份额，提高企业竞争力。

2、基于sagnac效应（萨格纳克效应）的角速度传感光学陀螺也正朝着集成化、小型化的方向发展，如何在尽量保持集成光陀螺的精度与分立器件相当的同时，大幅度减小陀螺整体尺寸，降低生产成本是集成光学陀螺研究的热门话题。然而，集成光学陀螺需要使用sld光源（超辐射发光二极管）、光探测器、光调制器等有源器件，与目前较为成熟的广泛应用于电子领域的cmos加工工艺不同的是，所用不同材料之间由于晶格常数的不匹配而具有一定的不兼容性，增加了有源器件和无源器件或不同种类的器件彼此之间高效集成的困难度，在功能器件整体性能保持相对优良的同时，集成光学陀螺芯片体积和生产成本很难进一步下降，因此，寻找能同时实现不同功能器件包括有源和无源器件的材料，以及提高不同材料工艺加工及彼此间集成的整体水平是限制集成光学发展的当务之急。

3、同时，在应用较多的波导芯层材料中，铌酸锂材料具有相对较高的电光系数和优良的线性电光效应，广泛应用于制作光调制器，随着加工工艺的进步，可以制作与包层材料折射率对比度更大的薄膜铌酸锂脊波导，这种波导结构对光场有更强的束缚能力，光的传输损耗和调制时金属电极对光的吸收损耗更小，因此促进了并不局限于铌酸锂调制器的其他铌酸锂分立光模块的发展，包括铌酸锂光分束器、光起偏器、光隔离器、光谐振腔、光探测器（基于键合工艺）、光源（基于离子扩散或键合工艺）等器件，这使得利用铌酸锂进行光互连的集成光学陀螺混合集成芯片的发展成为可能。但目前对基于铌酸锂材料应用于调制器之外的光学陀螺混合集成芯片研究仍处在发展初级阶段。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎、加工方法及工作方法，混合集成了光源，起偏器、分束器、调制器和探测器，在保证原有分立器件性能的同时，实现了器件组合整体结构的小型化。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎，包括集成布置且依次经薄膜铌酸锂脊波导进行光级联的光源、起偏器、光分束器、调制器和探测器，薄膜铌酸锂脊波导包括铌酸锂波导层以及分别包覆于铌酸锂波导层上下两侧的sio2上包层和sio2下包层，铌酸锂波导层包括soi晶圆基底层和铌酸锂薄膜。

3、优选的，薄膜铌酸锂脊波导为拉锥结构或阵列波导光栅结构；当薄膜铌酸锂脊波导为拉锥结构时，光源与薄膜铌酸锂脊波导的侧部对准；当薄膜铌酸锂脊波导为阵列波导光栅结构时，光源与薄膜铌酸锂脊波导的顶端对准；

4、铌酸锂波导层包括rib层和slab层，rib层为靠近slab层的方向逐渐变窄的锥波导，slab层为向远离rib层的方向逐渐变窄的锥波导或者三叉戟型波导。

5、优选的，光源经空间光耦合的方式与薄膜铌酸锂脊波导耦合；

6、光源为管芯材料为磷化铟、输出功率在200~300w之间、光谱宽度大于100nm、偏振消光比小于1db的sld光源，且sld光源和薄膜铌酸锂脊波导之间设置有sld光源发射的点光汇聚为平行光的聚光透镜。

7、优选的，起偏器为单级结构或者多级级联结构；

8、起偏器的输入模式为te模式混合tm模式，输出模式为te模式；

9、起偏器包括上波导和下波导，上波导包括依次设置的第一输入直波导、中间弧形波导和输出波导，输出波导包括输入端与中间弧形波导连接的第一分支输出直波导、第二分支输出直波导和总输出直波导，第一分支输出直波导的输出端和第二分支输出直波导的输出端均与总输出直波导的输入端连接；

10、下波导包括与第一输入直波导平行布置且用于耦合第一输入直波导中tm模式的第二输入直波导和用于将tm模式转化为te模式并耦合至第二分支输出直波导的耦合波导。

11、优选的，分束器包括与起偏器级联的输入端、与调制器级联的第一输出端和第二输出端以及与探测器级联的第三输出端，且第一输出端和第二输出端间距大于1.5μm；

12、分束器为双y分支分束器、1×2mmi级联分束器或定向分束器；

13、1×2mmi级联分束器包括链接波导以及分别设置于链接波导两端的输入多模波导和输出多模波导，输入多模波导的长度为输出多模波导的两倍；

14、链接波导与用于连接多模波导的薄膜铌酸锂脊波导关于多模波导的中心点对称布置。

15、优选的，调制器的信号电极设置在两个调制臂的中间，两个调制臂背离信号电极的一侧均设置有接地电极，接地电极和信号电极采用推挽结构；

16、接地电极和信号电极均为设置于铌酸锂波导层上或者sio2包层上的金属电极，且金属电极的宽度大于12µm，相邻两个金属电极之间距离大于3µm。

17、优选的，探测器与分束器的第三输出端采用空间光耦合透镜耦合或者采用顶部贴片键合耦合；

18、探测器包括由覆盖在铌酸锂波导层上的条形薄膜磷化铟层构成的光吸收层；

19、探测器为pd探测器或者pin-fet探测器，pin-fet探测器包括pin光电二极管以及依次与pin光电二极管连接的fet共源极放大器、pnp晶体管共基极放大器、npn晶体管共集电极放大器。

20、基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎的加工方法，包括以下步骤：

21、s1、利用整晶圆键合辅助离子注入剥离工艺在soi晶圆基底层上制备铌酸锂薄膜：

22、首先采用热氧化方法制备soi晶圆基底层，然后在铌酸锂整晶圆固定位置处注入氩离子，而后键合在soi晶圆上，再令氩离子注入处发生物理化学反应，剥离铌酸锂薄膜；

23、s2、向铌酸锂薄膜上转移掩膜图案；

24、s3、沉淀金属电极、sio2上包层、薄膜磷化铟层；

25、s4、设置聚光透镜和光源，再利用化学物理研磨的方式打磨表面粗糙度。

26、基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎的工作方法，包括以下步骤：

27、j1、光源发出点光，点光经过聚光透镜转化为te模式混合tm模式的平行光；

28、j2、利用起偏器将tm模式转化为te模式：

29、te模式混合tm模式的平行光耦合进入起偏器的上波导，te模式沿上波导传输至第一分支输出直波导，tm模式耦合进入下波导的第二输入直波导，并传输至耦合波导，利用耦合波导将tm模式转化为te模式，并将te模式耦合入第二分支输出直波导，与传输至第一分支输出直波导的te模式合束后输出至总输出直波导；

30、j3、te模式光信号经分束器1:1分束后经第一输出端和第二输出端输出至调制器；

31、j4、调制器的两个调制臂分别接收经第一输出端和第二输出端输出的光信号，调制后输出，并将返回的光信号利用分束器反馈至光探测器进行光电转换。

32、本发明具有以下有益效果：

33、1、实现了一种光学陀螺用光引擎芯片的混合集成，在保证原有分立器件性能的同时，实现了器件组合整体结构的小型化；

34、2、同时混合集成了光源，起偏器、分束器、调制器和探测器，具有光收发，偏振分光，光场调制等功能，且光引擎芯片的整体插入损耗为12~13db，调制器理论调制效率为0.6v·cm，单级起偏器理论偏振消光比为28db，探测器的光电响应度理论可达1.1a/w，光源的出光功率在200~300mw, 宽谱光源光谱宽度超过100nm；

35、3、与目前较为成熟的cmos工艺相兼容，具备量产的工艺基础，便于实现生产规模化，相较于分立器件而言，可大幅度降低铌酸锂基光学器件的生产和测试成本。

36、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。