一种具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的制作方法

1.本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种速率传感器，用于测量载体相对于惯性空间的运动角速率，是一种全固体惯性器件，具有测量范围大、精度高、可靠性高、寿命长等特点，广泛应用于航空、航天、兵器等领域。
3.随着对无人系统、导航等领域的研究深入，使得对小型惯性器件需求日益强烈。目前光纤陀螺多采用分立器件构成，如图1所示的光纤陀螺光路部分采用激光器、耦合器、质子交换y波导和光纤环构成。作为核心器件的y波导要求具有较高的分束比、芯片偏振消光比和较低的半波电压，由于y波导多采用体铌酸锂晶体制作，采用质子交换制作的体铌酸锂波导具有较低的折射率差，属于弱限制波导，弯曲损耗大，不适合制作耦合器，因此需要为y波导额外配置耦合器，耦合器与y波导之间、以及其他各部件之间采用光纤进行连接，因为受到光纤体积的制约，光纤陀螺的体积在小型化方面受到极大限制，难以满足需求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是现有技术中光纤陀螺的体积难以进一步小型化导致无法满足需求的技术问题，进而提供一种具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片。
5.针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.本发明提供一种具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，包括：
7.铌酸锂薄膜基体，所述铌酸锂薄膜基体上施划出四个区域，其中：
8.第一区域用于成型耦合器，所述耦合器的第一传输臂接收输入光束，并将所述输入光束分为两束输出光束后分别由两个第二传输臂输出；
9.第二区域用于成型光栅波导，所述光栅波导的第一端与一个所述第一传输臂的输出端相连，接收所述输出光束并将其中的近tm0模式光束改变为近tm1模式光束；
10.第三区域用于成型过滤功能波导，所述过滤功能波导的第一端与所述光栅波导的第二端相连，所述过滤功能波导用于滤除光栅波导输出光束中的近tm1模式光束后得到单偏振光束；
11.第四区域用于成型y波导，所述y波导的第三传输臂与所述过滤功能波导的第二端相连，所述y波导对所述过滤功能波导输出的所述单偏振光束进行分束后由两个第四传输臂传输，每一所述第四传输臂中传输的光束经光电调制后输出。
12.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第一区域中成型的所述耦合器具有两个第一传输臂、耦合段和两个第二传输臂；其中：
13.所述耦合段的长度为150-230μm；两个所述第一传输臂之间的最大间距为0.3-1.0mm；所述耦合段中两耦合波导间的间距为1-2.4μm。
14.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第二区域中成型的所述光栅波导的光栅深度为50-100nm，所述光栅波导的光栅周期为20-30μm，所述光栅波导的长度为0.3-1mm。
15.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第三区域中成型的所述过滤功能波导为锥形渐变波导，所述锥形渐变波导中宽度最大的一端与所述光栅波导的第二端相连。
16.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述锥形渐变波导包括渐变段和直波导段，所述渐变段的最大宽度为2
±
0.3μm；所述渐变段的最小宽度为0.8-1.0μm；所述渐变段的长度为100-400μm；所述直波导段的长度不小于800μm。
17.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第四区域中成型的所述y波导包括多模干涉段，所述多模干涉段连接于所述第三传输臂和两个所述第四传输臂之间；所述多模干涉段的长度为20-30μm，所述多模干涉段的宽度为6-7μm；所述多模干涉段的长度方向为光束传输方向。
18.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述y波导中的所述第四传输臂包括弯曲段和直线段，所述弯曲段的长度为150-300μm，所述直线段的长度为3-5mm；两个所述第四传输臂的直线段之间的间隔距离为200-400μm。
19.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第一区域为矩形区域，所述第一区域的长度为1.5-3.5mm，所述第一区域的宽度为6-10mm，所述第一区域的底部与所述多模干涉段的底部相平齐，所述第一区域的长度方向为光束传输方向。
20.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第四区域为矩形区域，所述第四区域的长度为5.6-6mm，所述第四区域的宽度为500-600μm，所述第四区域的长度方向为光束传输方向。
21.本发明一些实施例中的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，所述第二区域为矩形区域，所述第二区域的长度与所述光栅波导的长度相同，所述第二区域的顶部与所述第四区域的顶部相平齐，所述第二区域的底部与所述第一区域的底部相平齐；
22.所述第三区域为矩形区域，所述第三区域的长度与所述锥形渐变波导的长度相同，所述第三区域的宽度与所述第二区域的宽度相同。
23.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
24.本发明提供的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，通过在同一片铌酸锂薄膜基体上成型耦合器和y波导，实现了单片集成耦合器和y波导的芯片结构，相比于现有技术中，利用光纤连接耦合器和y波导的方案来说，本发明提供的芯片结构能进一步缩小y波导与耦合器连接结构的体积，从而能够实现光纤陀螺整体体积的进一步小型化，使光纤陀螺具有小体积、高集成度的优势，能满足小型化的需求。
附图说明
25.下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
26.图1为光纤陀螺中各元器件连接关系的原理框图；
27.图2为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的整体结构示
意图；
28.图3为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的立体结构示意图；
29.图4为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的第一区域中成型的耦合器的结构示意图；
30.图5为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的第二区域中成型的光纤波导的结构示意图；
31.图6为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的第三区域中成型的锥形渐变波导的结构示意图；
32.图7为本发明一个实施例所述具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片的第四区域中成型的y波导的结构示意图。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
37.本实施例提供一种具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，如图2和图3所示，该芯片包括铌酸锂薄膜基体100，所述铌酸锂薄膜基体100上施划出四个区域。其中，第一区域101用于成型耦合器11，所述耦合器11的第一传输臂111接收输入光束，并将所述输入光束分为两束输出光束后分别由两个第二传输臂(113,114)输出；第二区域102用于成型光栅波导12，所述光栅波导12的第一端与一个所述第一传输臂114的输出端相连，接收所述输出光束并将其中的近tm0模式光束改变为近tm1模式光束。第三区域103用于成型过滤功能波导13，所述过滤功能波导13的第一端与所述光栅波导12的第二端相连，所述过滤功能波导13用于滤除光栅波导12输出光束中的近tm1模式光束后得到单偏振光束。第四区域104用于成型y波导14，所述y波导14的第三传输臂141与所述过滤功能波导13的第二端相连，所述y波导14对所述过滤功能波导13输出的所述单偏振光束进行分束后由两个第四传输臂(142,143)传输，每一所述第四传输臂(142,143)中传输的光束经光电调制后输出。
38.本实施例中公开的y波导14与耦合器11之间的光传输路径无需额外增加光纤，耦
合器11与y波导14在同一片铌酸锂薄膜基体100上制备得到，本实施例实现了单片集成耦合器11和y波导14的芯片结构，相比于图1中所示利用光纤连接耦合器与y波导的结构来说，本实施例提供的芯片结构能进一步缩小y波导14与耦合器11连接结构的体积，从而能够实现光纤陀螺整体体积的进一步小型化，使光纤陀螺具有小体积、高集成度的优势，能满足小型化的需求。
39.参考图3所示的立体结构，铌酸锂薄膜作为一种体铌酸锂的升级材料，它具有铌酸锂薄膜基体100(即芯层铌酸锂)以及下包层二氧化硅、基底硅，以上方案中的芯片结构通过在铌酸锂薄膜基体100上进行刻蚀工艺制作得到，铌酸锂薄膜基体100(即芯层铌酸锂)与包下层二氧化硅的折射率差约为0.67，比传统质子交换的铌酸锂波导高一个数量级，具有较强的光限制能力和较小的弯曲半径(≥10μm)，使得在铌酸锂薄膜上可以同时实现耦合器11和y波导14的制作，利于整个芯片结构的小型化从而实现光纤陀螺的集成化。
40.参考图2和图3，激光器或其他光源发出的光束从本方案的铌酸锂薄膜芯片的1-1端口进入第一区域101内2
×
2形式的耦合器11后分为两束输出光束,两束输出光束分别由端口1-3和端口1-4输出。端口1-3可用于连接探测器，端口1-3的输出光束进入探测器用于监控光源输出光束的稳定性，端口1-4的输出光束进入第二区域102，通过第二区域102中的内侧壁带有光栅的光栅波导12，在特定波长下，满足相位匹配条件时，e
y11
(近tm0)模式光束会耦合为e
y12
(近tm1)模式光束，e
x11
模式光束不受影响。如图2所示，e
y12
(近tm1)模式的光束通过第三区域103，通过所述过滤功能波导13时,由于所述过滤功能波导13不再满足e
y12
(近tm1)的传播条件，则e
y12
模式光束会泄露出去，从而进入所述过滤功能波导13的仅有e
x11
(近te0)模式光束，满足光纤陀螺系统对单偏振光传输的要求。与图1所示的光路结构相似，y波导14输出的两路光束分别沿相反方向进入光纤环，在一个闭合的光纤光路中沿相反方向传播时，这两束光将产生一个正比于光纤陀螺转速的位相差，即sagnac相移，该相移又从y波导14的两端进入光路,在y波导14的合束处产生光强干涉，最后由第一区域101的1-2端口输出，在端口1-2处可放置采集光电探测器，通过采集光电探测器检测端口1-2输出的光束光强的变化从而计算出光纤陀螺的旋转角速度，实现光纤陀螺的功能。
41.如图4所示为第一区域101中耦合器11的结构示意图。耦合器11为2
×
2结构，通过合理的设计耦合间距d2和耦合长度l2，从而实现1：1分光，耦合器11的具体结构参数如下：
42.优选的所述第一区域101为矩形区域，所述第一区域101的宽度可以比用于接收输入光束的第一传输臂111的边缘宽2-3mm即可，所述第一区域101的长度可以根据用于向所述第二区域102输出光束的第二传输臂114的端部位置确定。在本实施例中，所述第一区域101的长度l1为1.5-3.5mm，所述第一区域101的宽度w为6-10mm，所述第一区域101的长度方向为光束传输方向，其中，所述第一区域101的底部与y波导14中包含的多模干涉段的底部相平齐。进一步优选地，所述第一区域101中成型的所述耦合器11具有两个第一传输臂(111,112)、耦合段和两个第二传输臂(113,114)；其中，所述耦合段的长度l2为150-230μm；两个所述第一传输臂(111,112)之间的最大间距d1为0.3-1.0mm；所述耦合段中两耦合波导(115,116)间的间距d2为1-2.4μm，在本实施例中，用于向外部探测器输出光束的第一传输臂112和第二传输臂113可以采用相同的弯曲曲线，作为一种可选的方式，弯曲半径≥10μm，在该弯曲半径条件下两个传输臂的传输损耗可以忽略，以上各部分的长度范围值可以根据实际应用场景进行选定，在满足实际需要的前提下选择范围内的任意值进行组合搭配。
43.如图5所示为所述第二区域102中所述光栅波导12中光栅的结构示意图，如前所述，通过光栅能够实现模式耦合，在特定波长下，满足相位匹配条件时，e
y11
(近tm0)模式可以耦合为e
y12
(近tm1)模式。其中，光栅深度d为50-100nm，所述光栅波导的光栅周期λ为20-30μm，所述光栅波导的长度l3为0.3-1mm。以上各部分的长度范围值可以根据实际应用场景进行选定，在满足实际需要的前提下选择范围内的任意值进行组合搭配。
44.如图6所示，以上方案中所述第三区域103中成型的所述过滤功能波导13为锥形渐变波导，所述锥形渐变波导中宽度最大的一端与所述光栅波导12的第二端相连。宽度渐变锥形波导的作用可以滤除e
y12
(近tm1)模式，因为波导宽度逐渐变窄，仅支持基模传输，因此e
y12
模式会泄露出去。进一步地，所述锥形渐变波导包括渐变段131和直波导段132，所述渐变段的最大宽度w1为2
±
0.3μm；所述渐变段的最小宽度w2为0.8-1.0μm；所述渐变段的长度l4为100-400μm；所述直波导段的长度l 5
不小于800μm。以上各部分的长度范围值可以根据实际应用场景进行选定，在满足实际需要的前提下选择范围内的任意值进行组合搭配。
45.如图7所示，在一些优选的实施方案中，所述第四区域104中成型的所述y波导14包括多模干涉段，所述多模干涉段连接于所述第三传输臂141和两个所述第四传输臂(142,143)之间，其中，所述第三传输臂141可以直接用所述锥形渐变波导中的所述直波导段实现；所述多模干涉段的长度l7为20-30μm，所述多模干涉段的宽度d3为6-7μm；所述多模干涉段的长度方向为光束传输方向。所述y波导14在光纤陀螺中起到分束、合束和加载调制信号的作用，一般在y波导14的两个第四传输臂(142,143)放置电极实现调制器的电光调制，可参考现有y波导电极设置方式实现，在本实施例以及附图未做体现。进一步地，所述y波导14中的所述第四传输臂(142,143)包括弯曲段和直线段，所述弯曲段的长度l8为150-300μm，所述弯曲段的弯曲半径≥10μm，在该弯曲半径下所述弯曲段的损耗可以忽略，所述直线段的长度l9为3-5mm；两个所述第四传输臂(142,143)的直线段之间的间隔距离d4为200-400μm。如图所示，所述第四区域104为矩形区域，所述第四区域104的长度l6为5.6-6mm，所述第四区域的宽度w3为500-600μm，所述第四区域104的长度方向为光束传输方向。以上各部分的长度范围值可以根据实际应用场景进行选定，在满足实际需要的前提下选择范围内的任意值进行组合搭配。
46.另外，在铌酸锂薄膜基体100上施划区域时，所述第二区域102为矩形区域，所述第二区域102的长度与所述光栅波导12的长度相同，所述第二区域102的顶部与所述第四区域104的顶部相平齐，所述第二区域102的底部与所述第一区域101的底部相平齐；所述第三区域103为矩形区域，所述第三区域103的长度与所述锥形渐变波导的长度相同，所述第三区域103的宽度与所述第二区域102的宽度相同。从而能够便于整个芯片结构的加工。
47.本发明以上实施例提供的具有模式选择结构的铌酸锂薄膜芯片，通过在同一片铌酸锂薄膜新材料上实现耦合器11和y波导14的集成，使本芯片结构相比传统分立器件方案，具有体积小、集成度高、可靠性高等优点，由此得到的光纤陀螺的结构也能够进一步小型化，尤其地，本技术通过在第二区域102内设计侧壁带有光栅的光栅波导12、在第三区域103内设计锥形渐变波导，能实现光束的单偏振态传输，由于上述结构可以和芯片中的耦合器和y波导一起采用相同的工艺完成制作，具体的制备工艺可以包括图形绘制、刻蚀等步骤，可采用现有的波导制备工艺实现，因此芯片结构的制备过程无需多增加繁琐的工艺。
48.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。