CN101770086A - 基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。光由单模波导输入经3dB耦合器的输入波导接入3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导、左S形弯曲波导接左相位调制器，另一路经3dB耦合器的右输出波导、右S形弯曲波导接右相位调制器。深腐蚀波导结构指波导的上限制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。深腐蚀波导结构可以加强波导对光的限制，从而提高相位调制器的调制效率。采用MMI作为3dB耦合器，不仅可以降低耦合器引入的传输损耗，而且可以使器件结构更加紧凑，降低了器件的总尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺用集成光学芯片，特别是涉及一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。
背景技术
光纤陀螺用多功能集成光学芯片是集成光学干涉型光纤陀螺(I-FOG)***的核心器件之一。现在国内外商业化的光纤陀螺用集成芯片多是基于LiNbO3材料的集成光学器件，LiNbO3材料具有优良的光传输特性和线性电光效应，可以制成性能较好的集成光学器件；而且价格便宜、微细加工技术相对简单，故基于LiNbO3材料的器件性价比较高。但LiNbO3材料在应用中也存在以下几个问题：
1、材料的温度系数较大。当光通过LiNbO3材料时，由于环境温度的变化，会影响器件的光学传输特性，从而产生温漂效应。因此，为了保证器件在宽温度范围内的工作稳定性，必须采取温度补偿措施，但这会使得***控制电路比较复杂；
2、材料的抗辐射能力较差，限制了其在某些辐射较强的环境下的应用；
3、材料具有较强的压电特性，限制了器件在某些应用场合的使用；
4、不能用于制作光源、探测器和光放大器等有源器件，限制了其在光电子单片集成方面的应用。
发明内容
鉴于上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。与LiNbO3材料相比，GaAs材料的温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：
光由单模波导输入经3dB耦合器的输入波导接入3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导、左S形弯曲波导接左相位调制器，另一路经3dB耦合器的右输出波导、右S形弯曲波导接右相位调制器。
所述的单模波导从上至下依次为GaAs材料的上限制层、GaAs芯层、Ga1-xAlxAs下限制层、n+-GaAs芯片衬底和下电极；所述的单模波导采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。
所述的左相位调制器和右相位调制器是基于GaAs材料的电光效应实现相位调制功能，从上至下依次为上电极、GaAs材料的上限制层、GaAs芯层、Ga1-xAlxAs下限制层、n+-GaAs芯片衬底和下电极。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电极、上限制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。
所述的上电极和下电极为金属电极。
所述的3dB耦合器采用MMI耦合器。
本发明具有的有益效果是：
与LiNbO3材料相比，GaAs材料的温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小。基于GaAs材料的集成光学芯片有望实现与激光器、探测器、半导体光放大器(SOA)等其它有源器件的单片集成。因此在某些环境条件恶劣、或者集成度要求较高的场合，如航天、军事等领域，GaAs材料具有明显的优势。
深腐蚀波导结构可以加强波导对光的限制，从而提高相位调制器的调制效率；采用MMI作为3dB耦合器，不仅可以降低耦合器引入的传输损耗，而且可以使器件结构更加紧凑；相位调制器的上电极同时作为集成光学芯片所需要的极化器，从而不用集成额外的极化器，这进一步降低了器件的总尺寸。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A′剖面示意图。
图3是图1的B-B′剖面示意图。
图中：1、上电极，2、上限制层，3、芯层，4、下限制层，5、芯片衬底，6、单模波导，7、3dB耦合器的输入波导，8、3dB耦合器，9、3dB耦合器的右输出波导，10、3dB耦合器的左输出波导，11、左S形弯曲波导，12、右S形弯曲波导，13、右相位调制器，14、左相位调制器，15、下电极
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：
参照图1所示，光由单模波导6输入经3dB耦合器的输入波导7接入3dB耦合器8的输入端，3dB耦合器8的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导10、左S形弯曲波导11接左相位调制器14，另一路经3dB耦合器的右输出波导9、右S形弯曲波导12接右相位调制器13。
所述的单模波导6从上至下依次为GaAs材料的上限制层2、GaAs芯层3、Ga1-xAlxAs下限制层4、n+-GaAs芯片衬底5和下电极15；所述的单模波导6采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。
所述的左相位调制器14和右相位调制器13是基于GaAs材料的电光效应实现相位调制功能，从上至下依次为上电极2、GaAs材料的上限制层2、GaAs芯层3、Ga1-xAlxAs下限制层4、n+-GaAs芯片衬底5和下电极15。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电极1、上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。
所述的上电极1和下电极15为金属电极。
所述的3dB耦合器8采用MMI耦合器。
参照图1所示，本发明通过将3dB耦合器8、右相位调制器13及左相位调制器14集成在同一芯片上，实现了光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。
参照图2所示，本发明采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。深腐蚀波导对光场有强烈限制，可以提高电光重叠因子，从而提高相位调制器的调制效率。
参照图3所示，左相位调制器14和右相位调制器13的厚度为a的上电极1直接覆盖在波导上。由于金属覆盖的波导对TM光强烈吸收，对TE光吸收很小，故左相位调制器14和右相位调制器13可同时实现极化器的功能。
以下为本发明的实施例，但本发明的实施并不仅限于这些实施例：
实施例1：
参见图3所示，芯片衬底5采用掺杂浓度为4×1018的n+-GaAs，下限制层4为非掺杂的Ga0.93Al0.07As，其厚度为3um，芯层3为非掺杂的GaAs，其厚度c＝1um，上限制层2为非掺杂的Ga0.79Al0.21As，其厚度b＝0.45um。输入单模波导6的腐蚀深度为b+c+d＝1.75um，输入单模波导6的宽度为4um。上电极1为厚度为a＝0.15um的Al膜，下电极15为金锗镍合金。
未加调制电压时，由于左相位调制器14和右相位调制器13同时可作为极化器，TE光及微量TM光通过左相位调制器14和右相位调制器13输出，且两束输出光之间无相位差。当施加电压在左相位调制器14或右相位调制器13，或者同时施加极性相反的电压在左相位调制器14和右相位调制器13上，则两束输出光之间会产生相位差。
实施例2：
参见图3所示，芯片衬底5采用掺杂浓度为4×1018的n+-GaAs，下限制层4为掺杂浓度为1×1017的Ga0.93Al0.07As，其厚度为3um，芯层3为非掺杂的GaAs，其厚度c＝1um，上限制层2为非掺杂的Ga0.79Al0.21As，其厚度b＝0.45um。输入单模波导6的腐蚀深度为b+c+d＝1.75um，输入单模波导6的宽度为4um。上电极1为厚度为a＝0.15um的Al膜，下电极15为金锗镍合金。
未加调制电压时，由于左相位调制器14和右相位调制器13同时可作为极化器，TE光及微量TM光通过左相位调制器14和右相位调制器13输出，且两束输出光之间无相位差。当施加电压在左相位调制器14或右相位调制器13，或者同时施加极性相反的电压在左相位调制器14和右相位调制器13上，则两束输出光之间会产生相位差。
Claims (5)
1.一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于：光由单模波导(6)输入经3dB耦合器的输入波导(7)接入3dB耦合器(8)的输入端，3dB耦合器(8)的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导(10)、左S形弯曲波导(11)接左相位调制器(14)，另一路经3dB耦合器的右输出波导(9)、右S形弯曲波导(12)接右相位调制器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于：所述的单模波导(6)从上至下依次为GaAs材料的上限制层(2)、GaAs芯层(3)、Ga1-xAlxAs下限制层(4)、n+-GaAs芯片衬底(5)和下电极(15)；所述的单模波导(6)采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层(2)和芯层(3)两侧被全部腐蚀，下限制层(4)与芯层(3)相连接处的两侧被部分腐蚀。
3.根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于：所述的左相位调制器(14)和右相位调制器(13)是基于GaAs材料的电光效应实现相位调制功能，从上至下依次为上电极(2)、GaAs材料的上限制层(2)、GaAs芯层(3)、Ga1-xAlxAs下限制层(4)、n+-GaAs芯片衬底(5)和下电极(15)。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电极(1)、上限制层(2)和芯层(3)两侧被全部腐蚀，下限制层(4)与芯层(3)相连接处的两侧被部分腐蚀。
4.根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于：所述的上电极(1)和下电极(15)为金属电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于：所述的3dB耦合器(8)采用MMI耦合器。
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|---|---|---|---|---|
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| CN105068189A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-11-18 | 中国科学院半导体研究所 | InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片 |
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- 2010-01-08 CN CN201010039596A patent/CN101770086A/zh active Pending
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