混合集成光纤陀螺光学芯片的制作方法

本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种混合集成光纤陀螺光学芯片。

背景技术：

在飞机船只导航、导弹制导、卫星定向、大地测量学、天文望远镜观察跟踪、汽车gps系统辅助导航、汽车自动驾驶等军用和民用诸多应用中，需要使用小型、高可靠性、廉价的惯性测量器件。光纤陀螺是一种利用sagnac效应敏感旋转或旋转角速率的全固态惯性仪表，具有质量轻、耗电省、成本低、寿命长、加速度不敏感、体积小、无运动部件以及偏置稳定性好和刻度因子误差小等优点，比激光陀螺或其他机电式陀螺有着更好的应用前景。

然而现有光纤陀螺系统存在一定的技术缺陷：由一些分立元件构成，各自封装，系统体积大；光纤熔接点多，易于出现故障，系统环境适应性和可靠性较差；成本高，不利于工程化生产:每个分立元件都要与器件尾纤耦合,工序多且复杂、耦合效率低、系统重复性难以保证。为了满足空间应用等领域对体积、质量、功耗等更加严格的要求，对小型集成化光学陀螺的研究已成为必然趋势。

目前先进的干涉型光纤陀螺光路系统主要包括超辐射发光二极管、光纤耦合器、铌酸锂多功能集成光学y波导调制器、光纤环、光电探测器，主要依赖于铌酸锂多功能集成光学调制器芯片，用于实现惯性测量系统要求的相位调制和光分束器功能，但是由于铌酸锂波导弯曲损耗较大，倾斜角度通常在3°～5°之间，尺寸较大，且制作工艺与半导体工艺的兼容性以及其与半导体光子器件的可集成成性方面也较差，成本也较高，限制了光纤陀螺的进一步集成化和小型化。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种小型化、集成度高、可靠性高和低成本的混合集成光纤陀螺光学芯片。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种混合集成光纤陀螺光学芯片，所述混合集成光纤陀螺光学芯片100包括：基底1、光源2、硅基3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4及信号探测器5；

所述光源2、硅基3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4以及光电探测器5混合集成在基底1上；

所述铌酸锂y分支相位调制器4为铌酸锂基质子交换型波导；

所述硅基3db耦合器3基于硅基二氧化硅光波导制作技术，衬底材料为硅，波导包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅；

所述硅基3db耦合器3包括相互连通的一个y分支波导3-3、第一90°圆弧波导3-4、第二90°圆弧波导3-5、锥形波导3-1、第一直波导3-2和第二直波导3-6，y分支3-3的一个分支与锥形波导3-1的窄端相连，锥形波导3-1的宽端作为光学芯片的光输入端口，所述光源2正对光输入端口，y分支3-3的另一个分支与第一直波导3-2相连作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器5的光敏面正对信号输出端口；y分支波导3-3的基波导连接两个反向连接的第一90°圆弧3-4和第二90°圆弧3-5，第二个90°圆弧3-5另一端连接第二直波导3-6的一端，第二直波导3-6的另一端面作为光传输端口，与铌酸锂y分支相位调制器4的基波导端面通过波导耦合工艺拼接固定；铌酸锂y分支相位调制器4的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口6和第二尾纤端口7，每个分支的两侧均设有金属调制电极8。

其中，所述硅基3db耦合器3中，芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，优选0.75％～1.5％。

其中，所述3db耦合器3芯片为平行四边形，内角α为75±0.5°，长度为12～20mm，宽度为7～14mm，其中硅衬底的厚度为0.52～1mm，sio2包层的厚度为10～30μm；sio2：ge芯层的横截面为矩形，其长为：3～7μm，宽为3～6.5μm；

所述铌酸锂y分支相位调制器4的衬底厚度为0.5～0.98mm，比硅衬底稍薄，波导芯层横截面为矩形，长4～7μm，宽为3～5μm，铌酸锂y分支相位调制器4为平行四边形，内角β为80±0.5°，长度为1.5～2cm，宽度为2～3mm。

其中，所述基底1采用硅、aln或其他高导热材料，所述基底为矩形，长度为35～43mm，宽度为10～20mm，厚度为0.52～1mm。

其中，所述第一90°弯曲波导3-4和第一90°弯曲波导3-5的曲率半径相同，为2.5～5mm。

其中，所述锥形波导3-1的宽端波导芯层横截面为矩形，其长为：6～12μm，宽为4～6.5μm，锥形波导长度为：500～1000μm。

其中，所述3db耦合器3的第一直波导端面1和所述的铌酸锂y分支调制器4基波导端面优选紫外胶进行拼接固定。

其中，所述光源2由超辐射发光二极管sld芯片9和sld载体10组成，其中sld芯片9倒扣在sld载体10之上，sld载体10为sld芯片9提供机械支撑和电学互连。

其中，所述sld载体10为平行四边形，内角γ为6±0.3°，长：2mm，宽：1mm：高度为3db耦合器硅衬底的厚度和sio2包层的厚度之和，误差控制在-3μm以内；所述的sld载体10上制作相应金属图形结构，作为引线焊盘，同时在sld与3db耦合器锥形波导3-1进行有源对准耦合时，至少能为sld芯片提供一端电学连接。

其中，所述光电探测器4由光电二极管芯片11和探测器载体12组成，其中光电二极管芯片11为面入射型ingaas光电二极管，置于探测器载体12之上，通过将载体垂直放置可将光电二极管芯片11垂直放置，使光电二极管芯片11光敏面正对3db耦合器第一直波导端口3-2，探测器载体12同时提供机械支撑、电学互连以及操作便利性。

(三)有益效果

本发明针对小型化、光电高度集成光纤陀螺设计的混合集成光纤陀螺芯片，采用全导波结构的混合集成光路，将光纤陀螺光学系统中除光纤环以外的其它光学器件包括光源，信号探测器、3db耦合器以及y波导调制器集成在同一基片上，

利用硅基二氧化硅光波导尺寸小、耦合效率高、弯曲损耗较小、传输损耗低、易集成、成本低的特点，通过在硅基3db耦合器中的第一y分支波导基波导上集成两个90°圆弧波导将其与铌酸锂y波导调制器的第二y分支基波导错开一定距离相互连通，满足互易性要求并且避免了第一y分支波导衬底辐射光对第二y分支波导的影响，此外硅基二氧化硅光波导与铌酸锂波导模场匹配度高，具有插入损耗低的优势；

通过设计sld载体和探测器载体，可以将光源和探测器集成，提高了光学陀螺光学系统的集成度，使光纤陀螺整体结构更加紧凑，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。此外，利用高导热材料作为芯片的基底，可以采用tec对芯片进行整体温控，有利于光源稳定输出和光路耦合结构稳定性，提高陀螺的温度适应性。

本发明的光学芯片满足光纤陀螺小型化、集成化、高可靠性和互易性的要求，相较于传统光纤陀螺中光学器件相互独立且驱动电路系统分离而言，本发明的光学芯片集成度高，制备工艺成熟，便于封装。

附图说明

图1是混合集成光纤陀螺光学芯片的整体结构示意图。

图2是混合集成光纤陀螺光学芯片中硅基3db耦合器的结构示意图。

图3是混合集成光纤陀螺光学芯片中铌酸锂y波导调制器的结构示意图。

图4是基于混合集成光纤陀螺光学芯片的光纤陀螺光路系统结构示意图。

图中主要标记说明：基底1、光源2、硅基3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4、信号探测器5、第一尾纤耦合端口6和第二尾纤端口7、金属调制电极8、sld芯片9，sld载体10、光电二极管芯片11、探测器载体12、光纤环13。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明提供一种混合集成光纤陀螺光学芯片，如图1-图4所示，所述混合集成光纤陀螺光学芯片100包括：基底1、光源2、硅基3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4及信号探测器5；

所述光源2、硅基3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4以及光电探测器5混合集成在基底1上；

所述铌酸锂y分支相位调制器4为铌酸锂基质子交换型波导；

所述硅基3db耦合器3基于硅基二氧化硅光波导制作技术，衬底材料为硅，波导包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅；

所述硅基3db耦合器3包括相互连通的一个y分支波导3-3、第一90°圆弧波导3-4、第二90°圆弧波导3-5、锥形波导3-1、第一直波导3-2和第二直波导3-6，y分支3-3的一个分支与锥形波导3-1的窄端相连，锥形波导3-1的宽端作为光学芯片的光输入端口，所述光源2正对光输入端口，y分支3-3的另一个分支与第一直波导3-2相连作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器5的光敏面正对信号输出端口；y分支波导3-3的基波导连接两个反向连接的第一90°圆弧3-4和第二90°圆弧3-5，第二个90°圆弧3-5另一端连接第二直波导3-6的一端，第二直波导3-6的另一端面作为光传输端口，与铌酸锂y分支相位调制器4的基波导端面通过波导耦合工艺拼接固定；铌酸锂y分支相位调制器4的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口6和第二尾纤端口7，每个分支的两侧均设有金属调制电极8。

其中，所述硅基3db耦合器3中，芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，优选0.75％～1.5％。

其中，所述3db耦合器3芯片为平行四边形，内角α为75±0.5°，长度为12～20mm，宽度为7～14mm，其中硅衬底的厚度为0.52～1mm，sio2包层的厚度为10～30μm；sio2：ge芯层的横截面为矩形，其长为：3～7μm，宽为3～6.5μm；

所述铌酸锂y分支相位调制器4的衬底厚度为0.5～0.98mm，比硅衬底稍薄，波导芯层横截面为矩形，长4～7μm，宽为3～5μm，铌酸锂y分支相位调制器4为平行四边形，内角β为80±0.5°，长度为1.5～2cm，宽度为2～3mm。

其中，所述基底1采用硅、aln或其他高导热材料，所述基底为矩形，长度为35～43mm，宽度为10～20mm，厚度为0.52～1mm。

其中，所述第一90°弯曲波导3-4和第一90°弯曲波导3-5的曲率半径相同，为2.5～5mm。

其中，所述锥形波导3-1的宽端波导芯层横截面为矩形，其长为：6～12μm，宽为4～6.5μm，锥形波导长度为：500～1000μm。

其中，所述3db耦合器3的第一直波导端面1和所述的铌酸锂y分支调制器4基波导端面优选紫外胶进行拼接固定。

其中，所述光源2由超辐射发光二极管sld芯片9和sld载体10组成，其中sld芯片9倒扣在sld载体10之上，sld载体10为sld芯片9提供机械支撑和电学互连，优选热导率较高、绝缘性好和热膨胀系数匹配较好的aln陶瓷或带绝缘层的硅材料。

其中，所述sld载体10为平行四边形，内角γ为6±0.3°，长：2mm，宽：1mm：高度为3db耦合器硅衬底的厚度和sio2包层的厚度之和，误差控制在-3μm以内；所述的sld载体10上制作相应金属图形结构，作为引线焊盘，同时在sld与3db耦合器锥形波导3-1进行有源对准耦合时，至少能为sld芯片提供一端电学连接。

其中，所述光电探测器4由光电二极管芯片11和探测器载体12组成，其中光电二极管芯片11为面入射型ingaas光电二极管，置于探测器载体12之上，通过将载体垂直放置可将光电二极管芯片11垂直放置，使光电二极管芯片11光敏面正对3db耦合器第一直波导端口3-2，探测器载体12同时提供机械支撑、电学互连以及操作便利性等作用，优选热导率较高、绝缘性好和热膨胀系数匹配好的aln陶瓷材料。

此外，本发明还提供一种用于制备上述混合集成光纤陀螺光学芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：按照上述芯片尺寸设计、切割出基底1、铌酸锂y分支相位调制器4的基底和3db耦合3的硅衬底；

步骤2：采用pecvd法和icp刻蚀相结合，在硅衬底上沉积一层sio2薄膜，作为缓冲层；在该sio2薄膜上生长掺锗sio2薄膜，其厚度为波导芯层的厚度；经光刻、刻蚀工艺在sio2：ge薄膜上形成芯层波导图形；再在上面沉积一层sio2薄膜，进行退火得到3db耦合器；

步骤3：按照上述铌酸锂y分支相位调制器4的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂基底上制作y分支波导；再采用光刻工艺在y分支波导的每个分支的两侧制作调制电极8；

步骤4：对3db耦合器3的以及y波导调制器4的波导输入输出端口进行抛光打磨；对y波导调制器的另两个侧边进行金属化，消除热释电和杂散光影响；

步骤5：将3db耦合器第二直波导端3-6与铌酸锂y波导调制器的直波导端4-1通过波导耦合工艺固定，优选紫外胶进行固定；

步骤6：采用贴片机将拼接好的3db耦合器3和铌酸锂y波导调制器4粘合在基底上，优选导热性好和导电性好的导电银浆作为粘合剂；

步骤7：按照上述sld载体10的图形设计，加工sld载体10，之后在sld载体10正面制作金属引线图形，金属图形厚度0.5～1μm，采用贴片机将sld载体10背面粘合在基底上的光源区；

步骤8：采用精密调整架的机械臂将sld芯片9倒扣在sld载体10上，优选导电银浆作为粘合剂，厚度为1～3μm，实现电耦合和粗对准，再结合探针台对sld载体10引线区加电，使sld工作，通过有源对准方法精细调节sld载体10与3db耦合器3输入波导对准，最后进行加温固化导电胶；

步骤9：按照上述探测器载体12的说明，加工探测器载体12，在探测器载体正面制作金属引线图形，金属图形厚度约0.5～1μm，然后采用精密贴片机将光电二极管芯片11精确定位并粘合到探测器载体12上，保证光敏面的中心距探测器载体下边缘的距离为3db耦合器硅衬底的厚度和sio2包层的厚度之和，误差控制在±10μm内；

步骤10：采用精密调整架将探测器载体12垂直粘合在基底1上，粘合剂优选导热性好的，通过有源对准方法，使信号探测器5的光敏面与3db耦合器3的信号探测波导端面对准，之后进行加温固化，制得混合集成光纤陀螺光学芯片。

下面描述具体实施例。

实施例1

本实施例参照图1-3，本发明的混合集成光纤陀螺光学芯片100基底1、光源2、3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4及信号探测器5；所述的光源2、3db耦合器3、铌酸锂y分支相位调制器4以及光电探测器5混合集成在基底1上；

铌酸锂y分支相位调制器4为铌酸锂基质子交换型波导，当以传输波长1310nm为例，单模波导宽度通常为5.5～6μm；

硅基3db耦合器3基于成熟的硅基二氧化硅光波导制作技术，通常采用离子增强化学气相沉积pecvd技术进行sio2下包层和芯层薄膜生长，再利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀icp技术形成硅基3db耦合器图形，而后再利用pecvd技术沉积上包层，并经退火，制备出低损耗的硅基3db耦合器；

参照图2，硅基3db耦合器3包括相互连通的一个y分支波导3-3、第一90°圆弧波导3-4、第二90°圆弧波导3-5，锥形波导3-1、第一直波导3-2、第二直波导3-6。y分支波导3-3的一个分支与锥形波导3-1的窄端相连，锥形波导3-1的宽端作为光学芯片的光输入端口，所述光源2正对光输入端口；y分支波导3-3的另一个分支与第一直波导3-2相连作为光学芯片的信号输出端口，信号探测器的光敏面正对信号输出端口；y分支波导3-3的基波导连接两个反向连接的第一90°圆弧3-4、第二个90°圆弧3-5，第二个90°圆弧3-5另一端连接第二直波导3-6的一端，第二直波导3-6的另一端面作为光传输端口，与铌酸锂y分支相位调制器4的基波导4-1端面通过波导耦合工艺拼接固定；铌酸锂y分支相位调制器4的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口6和第二尾纤端口7，每个分支的两侧均设有金属调制电极8。

硅基3db耦合器3的衬底材料为硅，波导上、下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，通过调节ge的含量，可得到合适的芯层折射率，芯层折射率与包层折射率差，优选0.75％～1.5％；sio2：ge芯层的横截面通常为矩形，其长为：3～7μm，宽为～6.5μm；sio2包层的厚度通常为10-30μm，可有效防止光从包层泄露出去；

为了消除界面间存在的背向反射，同时考虑光传输折射定律，通常采用端面倾角方式抛光芯片端面，其中硅基3db耦合器3设计为平行四边形，内角α为75±0.5°，长度为12～20mm，宽度为7～14mm，其中硅衬底的厚度通常为0.52～1mm；其中两个90°弯曲波导的曲率半径相同，通常为2.5～5mm，由于硅基3db耦合器圆弧波导的最小弯曲半径与芯层折射率与包层折射率差相关，通常情况下，折射率差为0.75％时，最小弯曲半径为5mm，折射率差为1.5％时，最小弯曲半径为2.5mm。

所述的铌酸锂y分支相位调制器4的衬底厚度为0.5～0.98mm，比硅衬底稍薄，波导芯层横截面为矩形，长4～7μm，宽为3～5μm，铌酸锂y分支相位调制器4为平行四边形，内角β为80±0.5°，长度为1.5～2cm，宽度为2～3mm。

所述的基底1采用硅、aln或其他高导热材料，所述基底为矩形，长度为35～43mm，宽度为10～20mm，厚度为0.52～1mm。

所述的锥形波导3-1的宽端波导芯层横截面为矩形，其长为：6～12μm，宽为4～6.5μm，锥形波导长度为：500～1000μm。

所述的硅基3db耦合器3的直波导3-6端面和所述的铌酸锂y分支调制器4基波导4-1端面优选紫外胶进行拼接固定。

相比于其他光源，sld具有超宽光谱、低相干性、低纹波、高功率和小型化，易集成和低成本等优点，所述光源2优选超辐射发光二极管，但是由于硅基上包层厚度通常为10～30μm，sld芯片9通常采用ingaasp量子阱材料，其上包层通常为2～3μm厚，传统微电子工艺中的倒装对准法不适用，且sld芯片9厚通常仅有100μm，可利用sld载体10为sld提供机械支撑、电学互连同时，还能实现与硅基3db耦合器3光输入波导的粗对准，此外，sld载体10优选热导率较高、绝缘性好和热膨胀系数匹配较好的aln陶瓷或带绝缘层的硅材料，目的是能将sld产生的热量快速导出。

所述sld载体10为平行四边形，内角γ为6±0.5°，长：2mm，宽：1mm，高为3db耦合器3硅衬底的厚度和sio2包层的厚度之和，误差控制在-3μm以内，实现与硅基3db耦合器3光输入波导的粗对准；所述的sld载体10上制作相应金属图形结构，作为引线焊盘，同时在sld2与3db耦合器3的锥形波导3-1进行高精度有源对准耦合时，至少能为sld芯片9提供一端电学连接。

所述的信号探测器4由光电二极管芯片11和探测器载体12组成，其中光电二极管芯片11为面入射型ingaas光电二极管，置于探测器载体12之上，通过将载体垂直放置可将光电二极管芯片垂直放置，使光电二极管芯片11光敏面正对3db耦合器第一直波导3-2端口，探测器载体上制作金属图形结构，用于光电二极管芯片与前置放大器之间引线互连，探测器载体12同时提供机械支撑、电学互连以及操作便利性等作用，出于散热和电学考虑，探测器载体优选热导率较高、绝缘性好和热膨胀系数匹配好的aln陶瓷材料。

所述混合集成光纤陀螺光学芯片100的制备方法，其步骤如下：

步骤1：按照上述芯片尺寸设计，切割出基底1、铌酸锂y分支相位调制器4基底和3db耦合器3的硅衬底；

步骤2：采用pecvd法和icp刻蚀相结合，在硅衬底上沉积一层sio2薄膜，作为缓冲层；在该sio2薄膜上生长掺锗sio2薄膜，其厚度为波导芯层的厚度；经光刻、刻蚀工艺在sio2：ge薄膜上形成芯层波导图形；再在上面沉积一层sio2薄膜，进行退火得到3db耦合器3；

步骤3：按照铌酸锂y分支相位调制器4的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂基底上制作y分支波导；再采用光刻工艺在y分支波导的每个分支的两侧制作调制电极8；

步骤4：对硅基3db耦合器3的以及铌酸锂y波导调制器4的波导输入输出端口进行抛光打磨；对y波导调制器的另两个侧边进行金属化，消除热释电和杂散光影响；

步骤5：将硅基3db耦合器直波导端3-6与铌酸锂y波导调制器的直波导端4-1通过有源对准波导耦合工艺固定，并用紫外胶进行粘接固定，有源对准过程：光从3db耦合器直波导端3-6进入铌酸锂y波导调制器的基波导，传输光由光接收元件接受，3db耦合器直波导3-6与铌酸锂y波导调制器的直波导4-1在x方向和y方向对准，最大化光强输出；

步骤6：采用贴片机将拼接好的硅基3db耦合器3和铌酸锂y波导调制器4粘合在基底1上，优选紫外胶作为粘合剂；

步骤7：按照sld载体10的图形设计，加工sld载体10，之后在sld载体10正面制作金属引线图形，金属图形厚度0.5～1μm，采用贴片机将sld载体10背面粘合在基底1上的光源区；

步骤8：采用精密调整架的机械臂将sld芯片9倒扣在sld载体10上，优选导电银浆作为粘合剂，厚度为1～3μm，实现电耦合和粗对准，再结合探针台对sld载体10引线区加电，使sld工作，通过有源对准方法精细调节sld与3db耦合器输入波导对准，最后进行加温固化导电胶；

步骤9：按照上述探测器载体12的设计，加工探测器载体12，在探测器载体正面制作金属引线图形，金属图形厚度约0.5～1μm，然后采用精密贴片机将光电二极管芯片11精确定位并粘合到探测器载体12上，保证光敏面的中心距探测器载体下边缘的距离为3db耦合器硅衬底的厚度和sio2包层的厚度之和，误差控制在±10μm内；

步骤10：采用精密调整架将探测器载体12垂直粘合在基底1上，粘合剂优选导热性好的，通过有源对准方法，使信号探测器5的光敏面与3db耦合器3的信号探测波导端面对准，之后进行加温固化，制得混合集成光纤陀螺光学芯片。

参见图4，本发明的硅基-ln混合集成光学芯片100光纤陀螺系统200中，光源2发出的光由光输入端3-1进入硅基芯片3db耦合器3，经y分支、两个反向连接的第一90°圆弧3-4、第一90°圆弧3-5、第二直波导3-6进入铌酸锂y波导调制器4，进入lny波导调制器4的光波分别从第一尾纤耦合端口4-2、第二尾纤端口4-3进入光纤环13并且以相反方向传播，返回光波则由硅基3db耦合器3的第一直波导3-2，到达信号探测器5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。