光学波导及其制作方法与微光学陀螺的制作方法

专利名称：光学波导及其制作方法与微光学陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测速领域，尤其涉及一种光学波导及其制作方法与微光 学陀螺。
背景技术：
微光学陀螺主要是一种角速度的探测装置，其基本原理为光学Sagnac效 应，通过探测陀螺输出产生的相位差异或者频率差值来探测外界角速度的变 化，为惯性系统的关键器件之一，有着很大的军用意义和民用意义。
微光学陀螺是一种利用萨格纳克(Sagnac)效应用来探测角速度的装 置，目前的微光学陀螺主要有两种类型干涉式与谐振式，干涉式陀螺通过 使光在光学谐振腔中的敏感环中顺、逆时针传输的光在出射端发生干涉，通 过对干涉结果的测量，得到相同传播两光束直接的相位差，最终计算得到陀 螺转动的角速度。而谐振式微光学陀螺是通过信号检测系统检测光学谐振腔 中的光产生萨格纳克(Sagnac)效应后输出时的相位差，来探测角速度的。
从上述介绍中可以看出，微光学陀螺中的敏感部件-光学谐振腔是决定 了微光学陀螺精度的关键部件，现有技术中是采用在硅片上制造光波导或者 微镜阵列等技术实现该光学谐振腔的，并通过使该谐振腔的结构上有所差 异，来实现干涉式或谐振式的不同工作原理，但由于光学谐振腔结构的限 制，使这种采用光波导结构或微镜阵列的光学结构光程小，用在干涉式微光 学陀螺或谐振式微光学陀螺中时，普遍存在光传播的距离短，萨格纳克 (Sagnac)效应小，使得利用这种光学谐振腔的微光学陀螺无法达到较高的 探测精度。

发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式的目的是提供一种光 学波导及其制作方法与微光学陀螺，解决现有微光学陀螺中光在光学波导传
播距离短，萨格纳克(Sagnac)效应弱，检测角速度不准确的问题。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明实施方式提供一种光学波导，该光学波导采用硅衬底，在所述硅 片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔 离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内 的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。
所述多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导具体为最下层 螺旋形波导依次经通过中间各层螺旋形波导与最上层螺旋形波导连接后形成 整体的螺旋形波导。
本发明实施方式还提供一种光学波导的制作方法，包括
制备第一层螺旋形波导在硅片上生长一层緩沖层，在緩沖层上生长第 一层硅波导层，在所述硅波导层上涂光刻胶后经光刻形成螺旋形波导图形， 并根据所形成的螺旋形波导图形通过刻蚀形成螺旋形波导槽作为第 一层螺旋 形波导，之后通过刻蚀或V形槽制作工艺在形成的第一层螺旋形波导末端形 成连接用的楔形结构；
制备垂直波导在上述制得的硅片结构上涂光刻胶后经光刻暴露出螺旋 形波导槽，之后在该结构上生长与螺旋形波导槽厚度相同的牺牲层，通过剥 离去除波导区外的牺牲层，在上述结构上生长隔离层，在隔离层上涂光刻胶 后经光刻形成垂直波导的截面图形，并使垂直波导截面图与波导区的楔形结 构在硅片上的投影面图相对应，根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层 中形成垂直波导通道，通过垂直波导通道利用选择性腐蚀去除垂直波导通道 对应的波导槽内的牺牲层形成螺旋形波导与垂直波导一体的中空结构；制备第二层螺旋形波导涂灌热固化胶使上述中空结构固化成型，并以 形成的热固化胶作为第二层波导层，在固化胶上涂光刻胶后经光刻形成螺旋 形波导图形，并通过刻蚀工艺形成第二层螺旋形波导及连接前一层螺旋形波
导的楔形结构；
若制备多层螺旋形波导，在制备的第二层螺旋形波导的末端通过刻蚀或V 形槽制作工艺在该层螺旋形波导末端形成连接用的楔形结构，并生长隔离 层，通过剥离技术去除楔形结构区的隔离层，重复上述制备第二层螺旋形波 导的步骤，在制得的各层螺旋形波导的结构上，依次形成后续各层螺旋形波 导，得到经垂直波导连通的多层螺旋形波导。
所述在硅片上生长一层緩沖层具体包括
利用标准半导体清洗工艺将硅片清洗干净，然后利用CVD法在硅片上生 长500nm厚的緩沖层；
所述制备第一层螺旋形波导时，在上述硅片结构上生长第一层硅波导层 是通过CVD法在硅片结构上生长10微米厚的硅波导层。
所述方法中，根据螺旋形波导图形刻蚀出螺旋形波导槽釆用的是RIE刻 蚀；所述根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层中形成垂直波导通道均 采用的是湿法刻蚀。
所述方法中，生长隔离层是采用CVD法在形成的硅片结构上生长硅隔离层 或二氧化硅隔离层。
本发明实施方式同时提供一种光学波导的制作方法，包括
制备一层螺旋形波导
在硅片上涂光敏聚合物材料并固化后作为波导层，通过光漂白在光敏聚 合物材料中形成螺旋形波导，通过RIE刻蚀或透射渐变掩模在该层螺旋形波 导末端形成连接用的楔形结构；
制备垂直波导
在上述形成螺旋形波导层后得到的硅片结构上，涂光敏聚合物材料形成
8隔离层，并通过光漂白形成垂直波导通道，使垂直波导通道与形成的螺旋形
波导的楔形结构相连；
若制备多层螺旋形波导，在上述硅片结构上，重复上述制备一层螺旋形 波导与制备垂直波导的步骤，形成后续的各层螺旋形波导和连接各层螺旋形
波导的垂直波导；
上述各层螺旋形波导制备完成后，得到在硅片上由垂直波导连接的多层
螺旋形波导的中空结构的光学波导。
本发明实施方式还一种基于光学波导的微光学陀螺，包括
光源、光电探测器、耦合器、Y波导集成光学调制器、光学波导和信号检
测电路，所述光学波导采用上述权利要求3 - 7或8中任一项中所述制作方法制
得的具有多层螺旋形波导的光学波导；
其中，所述光源和光电探测器的输出端均通过耦合器与所述Y波导集成光
学调制器连接；所述光电探测器的信号输出端通过检测信号电路与Y波导集成
光学调制器的信号调制输入端连接；所述Y波导集成光学调制器的输出端与所
述光学波导连接。
本发明实施方式同时提供一种基于光学波导的微光学陀螺，包括 信号检测电路、窄线宽激光光源、Y波导集成光学调制器、两个探测器和
光学波导谐振腔，所述光学波导谐振腔为由上述权利要求3 - 7或8中任一项所
述制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导与外部的耦合器耦合连接
组成的谐振腔；
其中，所述信号检测电路的主反馈环路输出端与光源连接，次反馈环路 输出端分别与Y波导集成光学调制器的两个相位调制器连接；所述窄线宽激光 光源的输出端分别通过Y波导集成光学调制器的两个相位调制器与所述光学波 导谐振腔连接；所述光学波导谐振腔的两路输出端分别通过两个探测器与所 述信号4企测电路的输入端连接。
所述信号检测电路包括信号处理电路、两路输入信号处理电^各、两路次反馈环路和主反馈环
路；
其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外 部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号
转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模 数转换器A/D顺次连接而成；
两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别 连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对窄线宽激光光源输出光 的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟緩沖放大 器连4妄而成；
主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部窄线 宽激光光源，调节窄线宽激光光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换 器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式通过 在光学波导内的硅片上设置多层螺旋形波导，并将多层螺旋形波导通过设在 各层螺旋形波导之间的隔离层内的垂直波导连接起来，形成整体的螺旋形波 导，这种整体的螺旋形波导可以增加光在其内多次传播的等效长度，有效增 强了萨格纳克(Sagnac)效应。该多层螺旋形波导可以作为光学波导用于干 涉式与谐振式微光学陀螺中，用在干涉式微光学陀螺中时，具有多层螺旋形 波导的该光学波导作为其角度敏感环，有效的增加了光路传播的长度，提高 陀螺检测的精度。用在谐振式陀螺方案中时，该光学波导通过外部耦合器耦 合连接实现光学谐振腔，使微光学陀螺检测角速度的结果更准确。


图l为本发明实施例一的光学波导的螺旋形波导的结构示意图2为本发明实施例 一 的光学波导的螺旋形波导的立体结构示意图；图3为本发明实施例一的光学波导的多层螺旋形波导的截面结构示意图； 图4为本发明实施例二的制作光学波导的各层螺旋形波导的加工工艺示意
图5为本发明实施例三的制作光学波导的各层螺旋形波导的加工工艺示意
图6为本发明实施例中楔形结构加工工艺示意图7为本发明实施例中各层螺旋形波导的层与层之间 一种连接结构示意
图8为本发明实施例中各层螺旋形波导的层与层之间另 一种连接结构示意
图9为本发明实施例四的基于光学波导的干涉式微光学陀螺结构示意图； 图10为本发明实施例五的基于光学波导的谐振式微光学陀螺结构示意图。
具体实施例方式
本发明实施方式提供一种光学波导及其制作方法与微光学陀螺，其中， 光学波导采用硅村底，在所述硅片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导 中的各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设 在两层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接 后形成整体的螺旋形波导。这种整体的螺旋形波导可以增加光在其内多次传 播的等效长度，将具有该多层螺旋形波导的光学波导用在微光学陀螺中时， 通过在光学波导内的多层螺旋形波导中增加光多次传播的等效长度，有效增 强了萨格纳克(Sagnac)效应，使微光学陀螺检测角速度的结果更准确。
为便于对本发明实施方式的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明 作进一步说明。
实施例一本实施例提供一种光学波导，用于微光学陀螺中作为产生效应的关键部
件，该光学波导的结构具体为光学波导采用硅衬底，在所述硅片上设有多
层螺旋形波导，各层螺旋形波导分布的形状如图l所示，多层螺旋形波导中的 各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两 层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形
成整体的螺旋形波导，形成整体的螺旋形波导具体为最下层螺旋形波导依 次经通过中间各层螺旋形波导与最上层螺旋形波导连接后形成整体的螺旋形 波导。形成的具有多层螺旋形波导的硅片的截面结构如图3所示，最下层为硅 片村底l,硅片衬底1上依次是緩冲层2、硅波导层3， 4为隔离层，5为螺旋形 波导，6为连接垂直波导和螺旋形波导的楔形结构，图中示出了两层螺旋形波 导。这种整体的螺旋形波导可以增加光在其内多次传播的等效长度，将具有 该多层螺旋形波导的光学波导用在微光学陀螺中时，通过在光学波导谐振腔 内的多层螺旋形波导中增加光多次传播的等效长度，有效增强了萨格纳克 (Sagnac)效应，使微光学陀螺检测角速度的结果更准确。 实施例二
本实施例提供一种光学波导的制作方法，可以用于制备实施例一中所述 的光学波导，该方法具体按下述步骤进行，包括
以硅片为基底，先利用标准半导体清洗工艺将硅片清洗干净，在硅片上 生长一层緩沖层， 一般利用CVD法在硅片上生长500nm厚的緩沖层；
制备第一层螺旋形波导在上述硅片结构上生长第一层硅波导层(可以 是利用CVD法在硅片上生长的緩冲层上生长10微米厚的硅波导层作为第一层 硅波导层)，在所述第一层硅波导层上涂正光刻胶后利用阴版经光刻形成螺 旋形波导图形，并根据所形成的螺旋形波导图形通过刻蚀形成螺旋形波导 槽，之后通过刻蚀或V形槽制作工艺在该层螺旋形波导槽末端形成连接用的 楔形结构；
制备垂直波导在上述制得的硅片结构上涂光刻胶后经光刻暴露出螺旋形波导槽，之后在该结构上生长与螺旋形波导槽厚度相同的牺牲层，通过剥 离去除波导区外的牺牲层后，在该结构上生长隔离层(可以采用CVD法在形 成的硅片结构上生长硅层或二氧化硅层作为隔离层)，在隔离层上涂光刻胶 后经光刻形成垂直波导的截面图形，并使垂直波导截面图与波导区的楔形结 构在硅片上的投影面图相对应，根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层 中形成垂直波导通道，通过垂直波导通道利用选择性腐蚀去除垂直波导通道 对应的波导槽内的牺牲层形成螺旋形波导与垂直波导一体的中空结构；
制备第二层螺旋形波导涂灌热固化胶使上述中空结构固化成型，并以 形成的热固化胶作为第二层波导层，在固化胶上涂光刻胶后经光刻形成螺旋 形波导图形，并通过刻蚀工艺形成第二层螺旋形波导及连接前一层螺旋形波 导的楔形结构；
若制备多层螺旋形波导，在制备的第二层螺旋形波导的末端通过刻蚀或V 形槽制作工艺在该层螺旋形波导末端形成连接用的楔形结构，并生长隔离 层，通过剥离技术去除楔形结构区的隔离层，重复上述制备第二层螺旋形波 导的步骤，在制得的各层螺旋形波导的结构上，依次形成后续各层螺旋形波 导，得到经垂直波导连通的多层螺旋形波导。
上述方法中，根据螺旋形波导图形刻蚀出螺旋形波导槽采用的是RIE刻蚀 工艺；根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层中形成垂直波导通道均采 用的是湿法刻蚀工艺。
参照图4的工艺过程示意图，下面结合实际中制备本发明实施例的光学波 导的过程，对上述制作光学波导的方法作进一步说明，具体包括下述步骤
首先说明的是在图4工艺图的各步骤中不同层的图示，与下述标号标出的 图样对应，具体为401-硅片；402 -緩冲层；403 -第一层波导层；404 -牺牲层；405 -隔离层；406 -热固化胶；
首先利用标准半导体清洗工艺将一块作为基底硅片清洗干净；
步骤41,利用CVD法在上述清洗后的硅片上生长500nm厚的缓冲层和10微米厚的硅波导层；
步骤42，在硅波导层上涂光刻胶，经光刻工艺形成第一层螺旋形波导图 形，利用RIE刻蚀出第一层螺旋形波导槽，波导槽高度6微米；
步骤43,在步骤42的基础上，通过可控自推移动态掩膜湿法刻蚀技术或 V形槽制作工艺在该层螺旋形波导槽末端形成楔形波导槽(若利用V形槽制作 工艺，掩模窗口图形的一边需平行或垂直[110]晶向)；
步骤44，在步骤43得到的结构上涂光刻胶，经光刻工艺暴露出螺旋形波 导，并利用CVD法在得到的结构上生长牺牲层，牺牲层的厚度波导槽厚度相 同，并利用剥离技术将波导区以外的牺牲层去除干净；
步骤45，利用CVD法生长20微米厚的硅Si层或二氧化硅Si02层作为隔
离层；
步骤46，在隔离层上涂光刻胶，经光刻工艺形成垂直波导的截面图形， 利用湿法刻蚀工艺在隔离层中形成垂直波导通道，并暴露出第 一层螺旋形波 导中的牺牲层；
步骤47,穿过垂直波导通道利用选择性腐蚀工艺去除第一层螺旋形波导 中的牺牲层，形成下层螺旋形波导和垂直波导通道；
步骤48,在步骤47得到的结构上涂热固化胶并固化成型，同时形成第二 层热固化胶波导层；
步骤49,在固化胶上涂光刻胶，经光刻工艺形成上层螺旋形波导图形， 利用RIE刻蚀出上层脊形螺旋形波导结构，并通过可控自推移动态掩膜湿法 刻蚀技术或V形槽制作工艺形成该层螺旋形波导与垂直波导连接部分的楔形 结构，使该层螺旋形波导通过垂直波导与前一层螺旋形波导连接，形成具有 两层螺旋形波导结构的光学波导。
可以看出，上述给出的是制备两层螺旋形波导的光学波导，若制备多层 螺旋形波导，在第二层的热固化胶波导层上形成的螺旋形波导的末端也应形 成楔形结构，并重复上述步骤44 - 49形成后续的各层螺旋形波导。需要说明
14的是，若制备多层螺旋形波导，在重复进行步骤44时，是在步骤49形成的结 构上进行步骤44 - 49的制备过程。
本实施采用热固化胶作为波导材料，制作成本低、工艺制作更为筒便灵 活，且可根据不同使用需求灵活选择波导材料。其它加工工艺基于现有的工 艺方法，适合大批量生产，易于推广应用。
实施例三
本实施例提供另 一 种光学波导的制作方法，可以用于制备实施例 一 中所 述的光学波导，该方法具体按下述步骤进行，包括 制备一层螺旋形波导
在硅片上涂光敏聚合物材料并固化后作为波导层，通过光漂白在光敏聚 合物材料中形成螺旋形波导层，通过RIE刻蚀或透射渐变掩模在该层螺旋形 波导末端形成连接用的楔形结构；
制备垂直波导
在上述形成螺旋形波导层后得到的硅片结构上，涂光敏聚合物材料形成 隔离层，并通过光漂白形成垂直波导通道，使垂直波导通道与形成的螺旋形 波导的楔形结构相连；
在上述硅片结构上，重复上述制备一层螺旋形波导与制备垂直波导的步 骤，形成后续的各层螺旋形波导和连接各层螺旋形波导的垂直波导，得到在 硅片上由垂直波导连接的多层螺旋形波导的中空结构的光学波导。
参照图5的示意，下面结合实际中制备光学波导的过程，对上述制作光学 波导的方法作进一步说明，具体包括下述步骤
首先说明的是在图5工艺图的各步骤中不同层的图示，与下述标号标出的 图样对应，具体为501-非波导层；502 -波导层；
首先利用标准半导体清洗工艺将一块作为基底的硅片清洗干净；
步骤51，在硅片上涂光敏聚合物材料(如P腦A/DR1),烘烤后固化；
步骤52，利用光漂白技术在固化后的光敏聚合物材料形成第一层的上层螺旋形波导，
步骤53,利用透射渐变掩^t在该层螺旋形波导末端形成楔形结构；
步骤54,在步骤53得到的硅片结构上涂光敏聚合物材料形成隔离层，并 利用光漂白技术形成垂直形波导通道，并保证垂直形波导通道与下面的第一 层螺旋形波导楔形结构相连；
步骤55,在步骤54得到的结构上涂光敏聚合物材料作为上波导层，利用 RIE刻蚀形成与垂直波导对应的楔形槽；
步骤56,在步骤55之后，利用光漂白技术形成上层螺旋形波导，使该层 螺旋形波导通过垂直波导与前一层螺旋形波导连接，得到具有两层螺旋形波 导结构的光学波导。
可以看出，上述给出的是制备两层螺旋形波导的光学波导，若制备具有 多层螺旋形波导的光学波导，可以在制备第 一层螺旋形波导和它上面的垂直 波导后，重复进行上述步骤51-55形成后续的各层螺旋形波导，需要说明的 是，对后续各层螺旋形波导的制备，在进行步骤51时，均是在前一形成的硅 片结构上涂光敏聚合物材料作为上波导层，如形成第二层螺旋形波导时， 是在已形成第 一层螺旋形波导的硅片结构上涂光敏聚合物材料作为第二波导 层，依次类推，后续各层的制备均是在前一形成螺旋形波导的硅片结构基础 上进行的；
直接最后形成通过垂直波导通道连接的多层螺旋形波导，得到具有多层 螺旋形波导的光学波导。
本实施方案采用光敏聚合物材料及光漂白技术形成螺旋形光波导，避免 了繁瑣的刻蚀步骤，工艺更为简单灵活，工艺过程更易控制，更易实现平面 化。适合大批量生产，易于推广应用。
上述实施例二、三中加工各层螺旋形波导的楔形结构的工艺如图6所示， 最后形成的楔形结构如图7-8所示，这种楔形结构在上、下层波导的连接处 可以起到反射镜的作用，保证了两层波导连接后其内光的正常传播。实施例四
本实施例提供一种基于光学波导的微光学陀螺，主要是利用实施例二或 实施例三任一项中的制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导作为关
键部件，形成的干涉式微光学陀螺，如图9所示，具体包括
光源、光电探测器、耦合器、Y波导集成光学调制器、光学波导和信号氺全
测电路，所述光学波导为上述实施例二或实施例三中任一项中所述制作方法
制得的具有多层螺旋形波导的光学波导；
其中，所述光源和光电探测器的输出端均通过耦合器与所述Y波导集成光
学调制器连接；所述光电探测器的信号输出端通过检测信号电路与Y波导集成
光学调制器的信号调制输入端连接；所述Y波导集成光学调制器的输出端与所
述光学波导连接。 实施例五
本实施例提供一种基于光学波导的微光学陀螺，主要是利用实施例二或 实施例三任一项中的制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导作为关 键部件，形成谐振式微光学陀螺，如图10所示，具体包括
信号检测电路、窄线宽激光光源、Y波导集成光学调制器、两个探测器和 光学波导谐振腔，所述光学波导谐振腔为上述实施例二或实施例三中任一项 中所述制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导与外部的耦合器耦合 连接组成的谐振腔；
其中，所述信号检测电路的主反馈环路输出端与光源连接，次反馈环路 输出端分别与Y波导集成光学调制器的两个相位调制器连接；所述窄线宽激光 光源的输出端分别通过Y波导集成光学调制器的两个相位调制器与所述光学波 导谐振腔连接；所述光学波导谐振腔的两路输出端分别通过两个探测器与所 述信号^r测电路的输入端连接。
上述微光学陀螺中的信号检测电路具体包括信号处理电路、两路输入 信号处理电路、两路次反馈环^各和主反馈环^各；其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外 部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号
转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模 数转换器A/D顺次连接而成；
两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别 连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对窄线宽激光光源输出光 的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟緩冲放大 器连接而成；
主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部窄线 宽激光光源，调节窄线宽激光光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换 器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
上述的谐振式微光学陀螺中，信号检测电路占有非常重要的地位，其检 测精度的大小直接影响陀螺的精度。实际中，信号检测分为开环检测和闭环 检测，相比较而言，闭环系统灵敏度高，动态范围大，因此本实施例中的谐 振式微光学陀螺的信号检测电路采用的是闭环检测。考虑到模拟调制技术的 成熟性，在电路实现上，相位调制器的控制信号采用模拟调制技术。
具体工作时，本实施例中的微光学陀螺从激光器输出的光(频率为f0)被 分成两束，这两束光经过相位调制器PM1、 PM2调制后分别进入具有多层螺旋 形波导的光学波导谐振腔内，主反馈环路作用于光源的PZT频率调节电路以调 节光源出射光产生移频，使经过相位调制器PM1的光频f 0 + f 1与光学波导谐振 腔逆时针(CCW)的谐振频率一致；次反馈环路作用于相位调制器PM2对光信 号进行调制，使经过相位调制器PM2的光频fO + f2 (f2为由反馈信号决定的相 位调制器PM2调制输出频率)与光学波导谐振腔的顺时针(CW)谐振频率一 致。反馈回路的工作过程为由作为信号处理电路的FPGA产生一频率为土f的 三角波，分别作用于相位调制器PM1和PM2对光源发出的光进行调制。探测器 PD1接收谐振腔的CCW反射光束，其输出经信号检测电路中一路输入信号处理电路的前置放大电路、滤波器后，将信号调制解调、模拟放大后，经过主底 馈回路的电压变换电路和PZT频率调节电路处理后对光源(一般为激光器)进 行调制，使作为光源的激光器输出光频率f 0 ± f + fl锁定到光学波导谐振腔的
CCW谐振频率。探测器PD2接收光学波导谐振腔的CW反射光束，其输出经信号 检测电路中另一路输入信号处理电路的前置放大电路、滤波器，进行信号调 制解调、模拟放大后，控制PM2产生移频f2,使光频率fO土f+『2锁定到光学 波导谐振腔的CW谐振频率。而频率f2和频率fl之差就是Sagnac效应引起的谐 振频率差，由此可以得出光学波导谐振腔的转动角速度。
综上所述，本发明实施例中通过在光学波导谐振腔内的硅片上设置多层 螺旋形波导，并将多层螺旋形波导通过设在各层螺旋形波导之间的隔离层内 的垂直波导连接起来，形成整体的螺旋形波导，这种整体的螺旋形波导可以 增加光在其内多次传播的等效长度，将具有该多层螺旋形波导的光学波导谐 振腔用在微光学陀螺中时，通过在光学波导谐振腔内的多层螺旋形波导中增 加光多次传播的等效长度，有效增强了萨格纳克(Sagnac)效应，使微光学 陀螺检测角速度的结果更准确。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，也不因各实施例的先后次序对本发明造成任何限制，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权 利要求的保护范围为准。
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权利要求
1、一种光学波导，其特征在于，该光学波导采用硅衬底，在所述硅片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。
2、 根据权利要求l所述的光学波导，其特征在于，所述多层螺旋形波导 依次连接后形成整体的螺旋形波导具体为最下层螺旋形波导依次经通过中 间各层螺旋形波导与最上层螺旋形波导连接后形成整体的螺旋形波导。
3、 一种光学波导的制作方法，其特征在于，包括制备第一层螺旋形波导在硅片上生长一层緩沖层，在緩冲层上生长第 一层硅波导层，在所述硅波导层上涂光刻胶后经光刻形成螺旋形波导图形， 并根据所形成的螺旋形波导图形通过刻蚀形成螺旋形波导槽作为第 一层螺旋 形波导，之后通过刻蚀或V形槽制作工艺在形成的第一层螺旋形波导末端形 成连接用的楔形结构；制备垂直波导在上述制得的硅片结构上涂光刻胶后经光刻暴露出螺旋 形波导槽，之后在该结构上生长与螺旋形波导槽厚度相同的牺牲层，通过剥 离去除波导区外的牺牲层，在上述结构上生长隔离层，在隔离层上涂光刻胶 后经光刻形成垂直波导的截面图形，并使垂直波导截面图与波导区的楔形结 构在硅片上的投影面图相对应，根据垂直波导的截面图形通过刻蚀在隔离层 中形成垂直波导通道，通过垂直波导通道利用选择性腐蚀去除垂直波导通道 对应的波导槽内的牺牲层形成螺旋形波导与垂直波导一体的中空结构；制备第二层螺旋形波导涂灌热固化胶使上述中空结构固化成型，并以 形成的热固化胶作为第二层波导层，在固化胶上涂光刻胶后经光刻形成螺旋 形波导图形，并通过刻蚀工艺形成第二层螺旋形波导及连接前一层螺旋形波 导的楔形结构；若制备多层螺旋形波导，在制备的第二层螺旋形波导的末端通过刻蚀或V 形槽制作工艺在该层螺旋形波导末端形成连接用的楔形结构，并生长隔离 层，通过剥离技术去除楔形结构区的隔离层，重复上述制备第二层螺旋形波 导的步骤，在制得的各层螺旋形波导的结构上，依次形成后续各层螺旋形波 导，得到经垂直波导连通的多层螺旋形波导。
4、 根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述在硅片上生长一 层缓冲层具体包括利用标准半导体清洗工艺将硅片清洗干净，然后利用CVD法在硅片上生 长500nm厚的緩冲层；所述制备第一层螺旋形波导时，在上述硅片结构上生长第一层硅波导层 是通过CVD法在硅片结构上生长10微米厚的硅波导层。
5、 根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述方法中，根据螺 旋形波导图形刻蚀出螺旋形波导槽采用的是RIE刻蚀；所述根据垂直波导的截 面图形通过刻蚀在隔离层中形成垂直波导通道均采用的是湿法刻蚀。
6、 根据权利要求l所述的制作方法，其特征在于，所述方法中，生长隔 离层是采用CVD法在形成的硅片结构上生长硅隔离层或二氧化硅隔离层。
7、 一种光学波导的制作方法，其特征在于，包括 制备一层螺旋形波导在硅片上涂光敏聚合物材料并固化后作为波导层，通过光漂白在光敏聚 合物材料中形成螺旋形波导，通过RIE刻蚀或透射渐变掩模在该层螺旋形波 导末端形成连接用的楔形结构；制备垂直波导在上述形成螺旋形波导层后得到的硅片结构上，涂光敏聚合物材料形成 隔离层，并通过光漂白形成垂直波导通道，使垂直波导通道与形成的螺旋形 波导的楔形结构相连；若制备多层螺旋形波导，在上述硅片结构上，重复上述制备一层螺旋形波导与制备垂直波导的步骤，形成后续的各层螺旋形波导和连接各层螺旋形波导的垂直波导；上述各层螺旋形波导制备完成后，得到在硅片上由垂直波导连接的多层 螺旋形波导的中空结构的光学波导。
8、 一种基于光学波导的微光学陀螺，其特征在于，包括光源、光电探测器、耦合器、Y波导集成光学调制器、光学波导和信号检 测电路，所述光学波导釆用上述权利要求3 - 7或8中任一项中所述制作方法制 得的具有多层螺旋形波导的光学波导；其中，所述光源和光电探测器的输出端均通过耦合器与所述Y波导集成光 学调制器连接；所述光电探测器的信号输出端通过检测信号电路与Y波导集成 光学调制器的信号调制输入端连接；所述Y波导集成光学调制器的输出端与所 述光学波导连接。
9、 一种基于光学波导的微光学陀螺，其特征在于，包括 信号检测电路、窄线宽激光光源、Y波导集成光学调制器、两个探测器和光学波导谐振腔，所述光学波导谐振腔为由上述权利要求3 - 7或8中任一项所 述制作方法制得的具有多层螺旋形波导的光学波导与外部的耦合器耦合连接 组成的谐振腔；其中，所述信号检测电路的主反馈环路输出端与光源连接，次反馈环路 输出端分别与Y波导集成光学调制器的两个相位调制器连接；所述窄线宽激光 光源的输出端分别通过Y波导集成光学调制器的两个相位调制器与所述光学波 导谐振腔连接；所述光学波导谐振腔的两路输出端分别通过两个探测器与所 述信号4全测电路的输入端连接。
10、 根据权利要求9所述的微光学陀螺，其特征在于，所述信号检测电路 包括信号处理电路、两路输入信号处理电路、两路次反馈环3各和主反馈环路；其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外 部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模 数转换器A/D顺次连^t姿而成；两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别 连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对窄线宽激光光源输出光 的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟緩沖放大 器连4妄而成；主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部窄线 宽激光光源，调节窄线宽激光光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换 器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
全文摘要
本发明公开一种光学波导及其制作方法与微光学陀螺。属光学测速领域。其中，光学波导采用硅衬底，在硅片上设有多层螺旋形波导，多层螺旋形波导中的各层螺旋形波导之间设有隔离层，相邻两层螺旋形波导的连接端通过设在两层螺旋形波导之间隔离层内的垂直波导连接，多层螺旋形波导依次连接后形成整体的螺旋形波导。该光学波导谐振腔能增加光在其内多次传播的等效长度，可用于干涉式与谐振式微光学陀螺中，在干涉式微光学陀螺中，该光学波导作为其角度敏感环，多层螺旋形波导的结构有效增加光路传播长度，提高陀螺检测精度。在谐振式微光学陀螺中，该光学波导与外部耦合器耦合连接作为光学谐振腔，有效增强Sagnac效应，使微光学陀螺测角速度更准确。
文档编号G02B6/10GK101477225SQ20091007717
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者于怀勇, 冯丽爽, 震 周, 张春熹, 洪灵菲, 潇 王 申请人:北京航空航天大学