集成光学芯片、制备方法及光学陀螺仪与流程

本申请属于光学传感器，尤其涉及一种集成光学芯片、制备方法及光学陀螺仪。

背景技术：

1、光学陀螺仪是一种检测运动载体角速度的光学传感器，广泛运用于航天航空、自动化控制等领域。作为光学陀螺仪的核心器件，光学集成芯片将部分有源器件和无源器件进行单片集成，与传统的分立式器件相比，实现了系统的轻量化、小型化。

2、然而，集成光学芯片仍然存在集成度低、内部损耗高等问题有待改进。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种集成光学芯片、制备方法及光学陀螺仪，集成光学芯片集成有耦合器、探测器与相位调制器，有助于光学陀螺仪产品的小型化与轻量化。

2、第一方面，本申请实施例提供一种集成光学芯片，包括第一器件层与第二器件层，所述第一器件层设有相位调制器，所述相位调制器包括用于连接干涉环的第四波导，所述第二器件层设有探测单元，所述探测单元包括第一耦合器和探测器，第一耦合器包括第一波导、第二波导及第三波导，所述第一波导用于连接光源，所述第一波导与所述第三波导连接，所述第二波导与所述第三波导连接，所述第三波导与所述相位调制器连接；所述探测器与所述第二波导连接；其中，所述第二器件层包括第一子器件层与第二子器件层，所述第一子器件层的耦合损耗大于所述第二子器件层，至少部分所述探测器位于所述第一子器件层，所述第一耦合器位于所述第二子器件层，光束通过所述第一波导及所述第三波导传至相位调制器，并通过相位调制器传至干涉环，干涉环传回的测试光束通过所述第三波导及所述第二波导传至所述探测器。

3、在其中的一些实施例中，所述集成光学芯片还包括波导包层，所述第一子器件层位于所述波导包层与所述第二子器件层之间，所述第一子器件层的材料包括硅、砷化镓、磷化铟中的至少一者，所述第二子器件层的材料包括氮化硅。

4、在其中的一些实施例中，所述探测器包括有源结构与光电转换结构，所述有源结构位于所述第一子器件层，所述有源结构包括pn结或pin结，所述光电转换结构包括锗、金、银、铝、钼中的至少一者。

5、在其中的一些实施例中，沿厚度方向，所述波导包层设置于所述第一器件层与所述第二器件层之间，或者，沿厚度方向，所述第二器件层设置于所述第一器件层与所述波导包层之间，所述波导包层背离所述第二器件层的一侧设有衬底。

6、在其中的一些实施例中，所述集成光学芯片还包括设置于所述第二子器件层的第二耦合器，所述探测单元设置有n个，n个所述第一波导与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器还包括输入波导，所述输入波导用于连接光源。

7、在其中的一些实施例中，所述集成光学芯片还包括设置于所述第二子器件层的偏振分束器，所述偏振分束器用于获取te偏振光，所述偏振分束器与所述第一耦合器或所述第二耦合器连接。

8、在其中的一些实施例中，所述集成光学芯片还包括引光槽，所述引光槽连接于所述偏振分束器的tm输出端，其中，所述引光槽内设有吸光件，或者，所述引光槽的出射端为斜抛端面。

9、第二方面，本申请实施例提供一种光学陀螺仪，光学陀螺仪包括光源、干涉环及前述任一项实施例提供的集成光学芯片，所述光源与所述第一波导连接，所述干涉环与所述相位调制器连接。

10、第三方面，本申请实施例提供一种集成光学芯片制备方法，包括：

11、提供衬底，在衬底上方形成波导包层；

12、在波导包层上方形成图案化的第一介质层，第一介质层包括探测器的有源结构；

13、在第一介质层上方形成图案化的第二介质层，第二介质层包括第一耦合器、第一波导、第二波导、第三波导；

14、制备第一器件层，形成相位调制器，相位调制器与第三波导连接。

15、在其中的一些实施例中，所述集成光学芯片制备方法还包括：

16、在第二介质层的上方形成第一保护层；

17、在保护层上方设置第一遮蔽部，对第一保护层和第二介质层进行刻蚀，使探测器的有源结构暴露；

18、在有源结构上方形成光电转换结构，光电转换结构的厚度大于第二介质层的厚度；

19、在光电转换结构的上方形成第二保护层，在第二保护层上方设置第二遮蔽部，对第二保护层进行刻蚀得到接触孔，在接触孔内形成探测器电极，探测器电极与至少部分光电转换结构电连接。

20、本申请实施例的集成光学芯片集成有探测单元与相位调制器，以使集成光学芯片能够与光源及干涉环组装形成光学陀螺仪产品，提升集成度的同时有助于光学陀螺仪产品的轻量化与小型化。具体地，相位调制器设置于第一器件层，其他光学器件设置于第二器件层，以降低集成光学芯片的制备难度。第二器件层中，除探测器外的其它光学器件设置在第二子器件层以降低集成光学芯片的内部损耗，有助于光学陀螺仪产品的性能提升。

技术特征：

1.一种集成光学芯片，其特征在于，包括第一器件层与第二器件层，所述第一器件层设有相位调制器，所述相位调制器包括用于连接干涉环的第四波导，所述第二器件层设有探测单元，所述探测单元包括：

2.根据权利要求1所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片还包括波导包层，所述第一子器件层位于所述波导包层与所述第二子器件层之间，所述第一子器件层的材料包括硅、砷化镓、磷化铟中的至少一者，所述第二子器件层的材料包括氮化硅。

3.根据权利要求2所述的集成光学芯片，其特征在于，所述探测器包括有源结构与光电转换结构，所述有源结构位于所述第一子器件层，所述有源结构包括pn结或pin结，所述光电转换结构包括锗、金、银、铝、钼中的至少一者。

4.根据权利要求2所述的集成光学芯片，其特征在于，沿厚度方向，所述波导包层设置于所述第一器件层与所述第二器件层之间，或者，沿厚度方向，所述第二器件层设置于所述第一器件层与所述波导包层之间，所述波导包层背离所述第二器件层的一侧设有衬底。

5.根据权利要求1所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片还包括设置于所述第二子器件层的第二耦合器，所述探测单元设置有n个，n个所述第一波导与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器还包括输入波导，所述输入波导用于连接光源。

6.根据权利要求5所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片还包括设置于所述第二子器件层的偏振分束器，所述偏振分束器用于获取te偏振光，所述偏振分束器与所述第一耦合器或所述第二耦合器连接。

7.根据权利要求6所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片还包括引光槽，所述引光槽连接于所述偏振分束器的tm输出端，其中，所述引光槽内设有吸光件，或者，所述引光槽的出射端为斜抛端面。

8.一种光学陀螺仪，其特征在于，包括：

9.一种集成光学芯片制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的集成光学芯片制备方法，其特征在于，所述集成光学芯片制备方法还包括：

技术总结
本申请公开了一种集成光学芯片、制备方法及光学陀螺仪，集成光学芯片包括第一器件层与第二器件层，第一器件层设有相位调制器，相位调制器包括用于连接干涉环的第四波导，第二器件层设有探测单元，探测单元包括第一耦合器和探测器，第一耦合器包括第一波导、第二波导及第三波导，第一波导用于连接光源，第一波导与第三波导连接，第二波导与第三波导连接，第三波导与相位调制器连接；探测器与第二波导连接；其中，第二器件层包括第一子器件层与第二子器件层，第一子器件层的耦合损耗大于第二子器件层，至少部分探测器位于第一子器件层，第一耦合器位于第二子器件层。

技术研发人员：许文渊,任卓恒,于海鹏
受保护的技术使用者：安徽省自行科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/20