一种芯片式三维磁场传感器的制作方法

本发明属于集成光学和磁场传感领域，尤其涉及一种芯片式三维磁场传感器。

背景技术：

磁场传感器在日常交通、地球物理、军事国防以及生物医疗等众多领域都发挥着重要作用。例如，飞机采用磁场传感器实现高可靠的无接触信息交换，才得以保证飞行的高度安全；各种钢铁、稀有金属和有色金属等矿场资源都可以通过磁场传感器进行定位，从而大大降低探矿成本；通过检测领海的地磁场分布，对比原始地磁场数据可以推断出附近是否有核潜艇，以保障国家安全；高灵敏度磁场传感器甚至可以对人的心脑电波进行扫描并绘制心脑电磁图谱，以辅助医疗诊断等等。

经过人们的不断探索，大量不同种类的磁场传感器被研发出来并投入使用。纵观所有磁场传感器，霍尔器件和磁阻传感器的磁场灵敏度都比较低，线圈传感器、磁通门、质子磁力仪、光泵和超导量子干涉仪的磁场灵敏度都较高，在10-9t以上。在高灵敏度磁场传感器中，线圈传感器有一定的局限性，只能测量变化率较高的动态变化磁场，而不能测量直流磁场或者变化率低的磁场。磁通门和质子磁力仪的耗能十分严重，且其频率受自身原理的限制，不能适应高频率的发展趋势。光泵则尺寸更大，更昂贵，耗能更多(几瓦)，且维护不便。超导量子干涉仪的灵敏度最高为10-15t，但需要低温苛刻的环境，只能应用于实验室里。随着科技的不断发展，人们急切需要开发出更加优异的磁场传感器，比如灵敏度更高、频率更高、耗能更低，稳定性更高、体积更小等。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种三轴单片集成、集成度高、尺寸小、制备工艺简单、易于封装的芯片式三维磁场传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括光源、输入直波导、偏振分束波导、1:1功率分束器、三个1:2型y波导、三个2:1型y波导、三个输出直波导、三个磁光波导和三个光电探测器；三个1:2型y波导分别为第一2:1型y波导、第二2:1型y波导和第三2:1型y波导，三个2:1型y波导分别为第一2:1型y波导、第二2:1型y波导和第三2:1型y波导，三个输出直波导分别为第一输出直波导、第二输出直波导和第三输出直波导，三个磁光波导分别为第一磁光波导、第二磁光波导和第三磁光波导，三个光电探测器分别为第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；

输入直波导与偏振分束波导的输入端口相连，偏振分束波导的一个输出端口依次经第一1:2型y波导、第一2:1型y波导、第一输出直波导连接至第一光电探测器作为一个传感轴，第一1:2型y波导的两个输出端口分别经第一磁光波导和第一直波导连接至第一2:1型y波导的两个输入端口；偏振分束波导的另一个输出端口与1:1功率分束器的输入端口相连，1:1功率分束器的一个输出端口依次经第二1:2型y波导、第二2:1型y波导、第二输出直波导连接至第二光电探测器作为一个传感轴，第二1:2型y波导的两个输出端口分别经第二磁光波导和第二直波导连接至第二2:1型y波导的两个输入端口；1:1功率分束器的另一个输出端口依次经第三1:2型y波导、第三2:1型y波导、第三输出直波导连接至第三光电探测器作为一个传感轴，第三1:2型y波导的两个输出端口分别经第三磁光波导和第三调制电极连接至第三2:1型y波导的两个输入端口；第一直波导的两侧设有第一调制电极，第二直波导的两侧设有第二调制电极，第三直波导的两侧设有第三调制电极。

光源输出宽谱消偏光至输入直波导，经偏振分束波导分为te偏振光和tm偏振光，且te偏振光和tm偏振光均沿水平方向传播；te偏振光经第一1:2型y波导分为等功率的两束te偏振光，其中一束te偏振光依次经第一1:2型y波导上分支、第一磁光波导、第一2:1型y波导上分支后与另一束依次经第一1:2型y波导下分支、第一直波导、第一2:1型y波导下分支的te偏振光在第一2:1型y波导的单端口汇合，之后耦合进第一光电探测器；

tm偏振光经1:1功率分束器分成等功率的两束分别沿水平方向和竖直方向传播的tm偏振光；沿水平方向传播的tm偏振光经第二1:2型y波导分为等功率的两束tm偏振光，其中一束tm偏振光依次经第二1:2型y波导上分支、第二磁光波导、第二2:1型y波导上分支后与另一束依次经第二1:2型y波导下分支、第二直波导、第二2:1型y波导下分支的tm偏振光在第二2:1型y波导的单端口汇合，之后耦合进第二光电探测器；沿竖直方向传播的tm偏振光经第三1:2型y波导分为等功率的两束tm偏振光，其中一束tm偏振光依次经第三1:2型y波导左分支、第三直波导、第三2:1型y波导左分支后与另一束依次经第三1:2型y波导右分支、第三磁光波导、第三2:1型y波导右分支的tm偏振光在第三2:1型y波导的单端口汇合，之后耦合进第三光电探测器。

所述的输入直波导、偏振分束波导、1:1功率分束器、第一1:2型y波导、第一直波导、第一2:1型y波导、第一输出直波导、第二1:2型y波导、第二直波导、第二2:1型y波导、第二输出直波导、第三1:2型y波导、第三直波导、第三2:1型y波导、第三输出直波导均为脊波导，集成于铌酸锂单晶薄膜层表面，铌酸锂单晶薄膜层位于二氧化硅缓冲层表面，二氧化硅缓冲层位于硅衬底表面，二氧化硅缓冲层位于铌酸锂单晶薄膜层和硅衬底之间。

所述第一调制电极、第二调制电极、第三调制电极形成于铌酸锂单晶薄膜层表面。

所述的第一磁光波导、第二磁光波导和第三磁光波导均由上包层、下包层和位于上下包层之间的芯层组成；芯层和上下包层设置空气的包层；第一磁光波导的芯层主要由磁光材料与铌酸锂材料键合形成，第一磁光波导的上包层和下包层均由二氧化硅材料制成；第二磁光波导和第三磁光波导的芯层均由铌酸锂材料制成，第二磁光波导和第三磁光波导的上包层均由磁光材料制成、下包层均由二氧化硅材料制成。

所述的第一磁光波导、第二磁光波导和第三磁光波导分别传感三维坐标轴中三个不同方向的磁场强度，第一磁光波导传感x方向的磁场强度、第二磁光波导传感z方向的磁场强度、第三磁光波导传感y方向的磁场强度。

所述的光源采用sld光源或ase光源，三个传感轴的光路分别采用马赫曾德干涉仪的对称结构，两干涉臂等长。

本发明的有益效果：

1)本发明的光源采用宽谱光源，三个传感轴的光路分别采用马赫曾德干涉仪的对称结构，两干涉臂等长，检测由磁场引起的两干涉臂的相位差，不受光源光强波动的影响，有效避免光学系统中寄生效应引起的误差，光学噪声小。

2)本发明的三维磁场传感器三轴单片集成，器件集成度高、尺寸小、制作工艺简单、易于封装、适于批量生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是脊波导的截面示意图；

图3是第一磁光波导的截面示意图；

图4是第二磁光波导的截面示意图；

图5是第三磁光波导的截面示意图。

图中：1、光源，2、输入直波导，3、偏振分束波导，4、1:1功率分束器，5、第一1:2型y波导，6、第一磁光波导，7、第一直波导，8、第一调制电极，9、第一2:1型y波导，10、第一输出直波导，11、第一光电探测器，12、第二1:2型y波导，13、第二磁光波导，14、第二直波导，15、第二调制电极，16、第二2:1型y波导，17、第二输出直波导，18、第二光电探测器，19、第三1:2型y波导，20、第三磁光波导，21、第三直波导，22、第三调制电极，23、第三2:1型y波导，24、第三输出直波导，25、第三光电探测器，26、铌酸锂单晶薄膜层，27、二氧化硅缓冲层，28、硅衬底，29、磁光材料，30、空气、31、铌酸锂，32、二氧化硅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括光源1、输入直波导2、偏振分束波导3、1:1功率分束器4、三个1:2型y波导、三个2:1型y波导、三个输出直波导、三个磁光波导和三个光电探测器；输入直波导2与偏振分束波导3的输入端口相连，偏振分束波导3的一个输出端口依次经第一1:2型y波导5、第一2:1型y波导9、第一输出直波导10连接至第一光电探测器11，第一1:2型y波导5的两个输出端口分别经第一磁光波导6和第一直波导7连接至第一2:1型y波导9的两个输入端口；偏振分束波导3的另一个输出端口与1:1功率分束器4的输入端口相连，1:1功率分束器4的一个输出端口依次经第二1:2型y波导12、第二2:1型y波导16、第二输出直波导17连接至第二光电探测器18，第二1:2型y波导12的两个输出端口分别经第二磁光波导13和第二直波导14连接至第二2:1型y波导16的两个输入端口；1:1功率分束器4的另一个输出端口依次经第三1:2型y波导19、第三2:1型y波导23、第三输出直波导24连接至第三光电探测器25，第三1:2型y波导19的两个输出端口分别经第三磁光波导20和第三调制电极22连接至第三2:1型y波导23的两个输入端口；第一直波导7的两侧设有第一调制电极8，第二直波导14的两侧设有第二调制电极15，第三直波导21的两侧设有第三调制电极22。

光源1输出宽谱消偏光至输入直波导2，经偏振分束波导3分为te偏振光和tm偏振光，且te偏振光和tm偏振光均沿水平方向传播；te偏振光经第一1:2型y波导5分为等功率的两束te偏振光，其中一束te偏振光依次经第一1:2型y波导5上分支、第一磁光波导6、第一2:1型y波导9上分支后与另一束依次经第一1:2型y波导5下分支、第一直波导7、第一2:1型y波导9下分支的te偏振光在第一2:1型y波导9的单端口汇合，之后耦合进第一光电探测器11；tm偏振光经1:1功率分束器4分成等功率的两束分别沿正y方向传播和沿负z方向传播的tm偏振光；沿正y方向传播的tm偏振光经第二1:2型y波导12分为等功率的两束tm偏振光，其中一束tm偏振光依次经第二1:2型y波导12上分支、第二磁光波导13、第二2:1型y波导16上分支后与另一束依次经第二1:2型y波导12下分支、第二直波导14、第二2:1型y波导16下分支的tm偏振光在第二2:1型y波导16的单端口汇合，之后耦合进第二光电探测器18；沿负z方向传播的tm偏振光经第三1:2型y波导19分为等功率的两束tm偏振光，其中一束tm偏振光依次经第三1:2型y波导19左分支、第三直波导21、第三2:1型y波导23左分支后与另一束依次经第三1:2型y波导19右分支、第三磁光波导20、第三2:1型y波导23右分支的tm偏振光在第三2:1型y波导23的单端口汇合，之后耦合进第三光电探测器25。

如图2所示，输入直波导2、偏振分束波导3、1:1功率分束器4、第一1:2型y波导5、第一直波导7、第一2:1型y波导9、第一输出直波导10、第二1:2型y波导12、第二直波导14、第二2:1型y波导16、第二输出直波导17、第三1:2型y波导19、第三直波导21、第三2:1型y波导23、第三输出直波导24均为脊波导，集成于铌酸锂单晶薄膜层26表面，铌酸锂单晶薄膜层26位于二氧化硅缓冲层27上表面，二氧化硅缓冲层27位于硅衬底28上表面，硅衬底28位于最底层。其中，硅衬底厚度为0.2～1毫米；二氧化硅缓冲层厚度为1～10微米，铌酸锂单晶薄膜厚度0.2～2微米。

第一调制电极8、第二调制电极15、第三调制电极22形成于铌酸锂单晶薄膜层26上表面。

如图3、图4、图5所示，第一磁光波导6、第二磁光波导13、第三磁光波导20分别沿图3、图4、图5坐标方向布置，且第一磁光波导6、第二磁光波导13、第三磁光波导20分别对x、z、y方向的磁场敏感。第一磁光波导6、第二磁光波导13和第三磁光波导20均由上包层、下包层和位于上下包层之间的芯层组成，且上下包层与芯层的位置关系；芯层和上下包层设置空气30的包层；第一磁光波导6的芯层主要由磁光材料29与铌酸锂31材料键合形成，第一磁光波导6的上包层和下包层均由二氧化硅32材料制成；第二磁光波导13和第三磁光波导20的芯层均由铌酸锂26材料制成，第二磁光波导13和第三磁光波导20的上包层均由磁光材料29制成、下包层均由二氧化硅27材料制成，其中第二磁光波导13沿y方向，第三磁光波导20沿z方向。由第一磁光波导6传感x方向的磁场强度、第二磁光波导13传感z方向的磁场强度、第三磁光波导20传感y方向的磁场强度。

实施例：

本实例输入的宽谱消偏光光源采用ase光源，输出功率为5毫瓦，中心波长为1550纳米，3db半高谱宽40纳米。硅衬底28厚度为0.5毫米、二氧化硅缓冲层27厚度为2微米、铌酸锂单晶薄膜26厚度为0.6微米。磁光材料29选用掺铈钇铁石榴石(ce:yig)，ce:yig的法拉第旋转角取θf＝7.0×10^-3μm，磁光系数f1＝-8.63×10^-8(a/m)，饱和磁化强度ms达到95.5ka/m，有效折射率nce:yig＝2.22。

输入直波导、偏振分束波导、1:1功率分束器、第一1:2型y波导、第一直波导、第一2:1型y波导、第一输出直波导、第二1:2型y波导、第二直波导、第二2:1型y波导、第二输出直波导、第三1:2型y波导、第三直波导、第三2:1型y波导、第三输出直波导均为脊波导，波导宽度为0.8微米，脊高0.3微米。第一调制电极、第二调制电极、第三调制电极的电极长度为10毫米，电极与脊波导的间距为2微米。第一磁光波导、第二磁光波导、第三磁光波导的长度均为10mm。由第一磁光波导传感x方向的磁场强度、第二磁光波导传感z方向的磁场强度、第三磁光波导传感y方向的磁场强度。