CN112833873A - 光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺，其中，光子集成芯片，通过光子线路结构可以将波导耦合器、起偏器、模式滤波器、相位调制器等多种光电器件功能在薄膜基板上进行高密度集成，并通过将该光子集成芯片的四个端口放置于芯片同一侧的结构以降低非对称模式和偏振滤波形成的基底辐射模式光波导致的偏振串扰或寄生相位误差，减小其对光纤陀螺***性能造成的误差影响。其中，干涉型光纤陀螺，通过在光子集成芯片的四个端口分别放置光纤并将其与光源、光电探测器以及光纤环的两个端口分别连接，构成干涉型光纤陀螺的光路结构。

Description

光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺

技术领域

本发明可应用于光纤陀螺仪等惯性传感技术领域，尤其涉及一种光子集成芯片以及干涉型光纤陀螺。

背景技术

惯性技术是各类运动物体进行惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定等的核心技术，其中陀螺仪作为惯性测量***的核心部件，用于测量运动物体的角位移和角速度，对惯性***的性能有着关键的作用。基于Sagnac效应的闭环干涉型光纤陀螺凭借其无运动部件、动态范围大、灵敏度高、抗电磁干扰、结构灵活等特点，以及与光通信器件兼容性强因而可实现批量生产的优势，在近年来得到了快速的发展和广泛的工程应用。

参考图1A，所示为干涉型光纤陀螺的光路基本结构，其主体是一个Sagnac干涉仪，由光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导调制器和光纤环构成了一个具有互异性的光路结构。其中，Y波导调制器具有偏振滤波、光波模式滤波、光波分束、相位调制和光波合束等多种功能，对干涉型光纤陀螺的偏振互异性、单模互异性、分/合束器互异性有着十分重要的影响，也是闭环信号处理中重要的反馈控制元件。光纤耦合器用于将光源所产生的激光光束引入Y波导调制器中，以及将经Y波导调制器产生的干涉光波引入光电探测器进行探测。

光纤耦合器作为一种无源光器件，其功能主要是在于光波的导波、分束和合束。同样的功能也可以通过采用光波导制备技术在光学晶体上制作具有耦合器结构的光波导─即波导耦合器─来实现。例如，Y分支结构的波导耦合器也可实现光波的导波、分束和合束等无源光器件功能。Y波导调制器是由Y分支结构的波导耦合器及调制电极组成的有源光器件，其光学结构也是一个具有Y分支结构的波导耦合器。

参考图1B和图1C，为进一步提升干涉型光纤陀螺光路结构的集成度，现有技术人员采用了在同一光学晶体上制作两个Y分支结构的波导耦合器且其中一个波导耦合器部分还制作有调制电极，构成了具有两个输入端口和两个输出端口的双Y波导调制器。其中，一个波导耦合器及其调制电极构成了该双Y波导调制器中的调制器部分(即有源光器件部分，图1B中所示B部分)，另一个波导耦合器构成了该双Y波导调制器中的耦合器部分(即无源光器件部分，图1B中所示A部分)。

然而，采用上述现有技术制备的双Y波导调制器以及基于此的干涉型光纤陀螺存在着如下问题，对光纤陀螺***的体积、传感精度、可靠性、制造成本等方面会产生不利影响：

第一，采用双Y波导调制器的结构虽然提升了器件功能的集成度，但由于光波在第一个Y分支处会形成分光，导致其中一部分的光波会形成非对称模式辐射进入基底晶片中并有一部分光波经过基底晶片底部或侧壁的反射重新耦合进入第二个Y分支，形成寄生相位误差，对光纤陀螺的精度造成影响；

第二，由于应用于光纤陀螺的Y波导采用的是具有起偏特性的质子交换波导，而且干涉型光纤陀螺常使用的是低偏型光源，因而入射进Y波导的光波能量会有一部分以辐射模式存在于基底晶片中，经过基底晶片底部或侧壁的反射也会重新耦合进入Y波导调制器的输出端口并以偏振串扰噪声的形式存在于光纤陀螺***中，对光纤陀螺的精度造成影响；

第三，Y波导调制器较大的尺寸是光纤陀螺仪小型化的主要限制因素之一，而在现有技术中Y波导调制器的小型化一般是采用缩短弯曲波导部分的长度来实现，这一方面会导致Y波导调制器弯曲损耗的增加，另一方面也会导致半波电压的增加，进一步地导致光纤陀螺***驱动功耗的增加以及信号处理难度的增加。

发明内容

针对上述问题，本发明第一目的在于提出一种光子集成芯片，通过光子线路结构可以将波导耦合器、起偏器、模式滤波器、相位调制器等多种功能的光电器件在铌酸锂薄膜基板上进行高密度集成，缩小光子集成芯片的尺寸，并进一步地通过将该光子集成芯片的四个光波导端口放置于芯片同一侧的结构以减小非对称模式和偏振滤波形成的基底辐射模式光波形成的寄生相位误差或偏振串扰，降低其对光纤陀螺***造成的误差影响。

基于光子集成芯片，本发明的第二目的在于提出一种干涉型光纤陀螺，通过在光子集成芯片的四个端口分别放置光纤并将其与激光光源、光电探测器以及光纤环的两个端口分别连接，构成干涉型光纤陀螺的光路结构。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种光子集成芯片，其特征在于，包括：基底晶片、下包层以及薄膜基板、光子线路、调制电极分支一、调制电极分支二，

所述基底晶片用于为薄膜基板提供机械支撑；

所述薄膜基板放置于下包层的上方，是制备光子线路的晶体材料载体；

所述下包层放置于基底晶片与薄膜基板之间；

所述光子线路形成于薄膜基板中，是光波的导波通道；

所述光子线路包括如下组成部分：第一端口、第二端口、第一Y分支耦合器、第一圆弧、直条、第二圆弧、第二Y分支耦合器、第三端口、第四端口、起偏器，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口设置在芯片的同一侧；

其中，第一端口和第二端口是第一Y分支耦合器的光纤连接端口，所述第一端口用于通过光纤与激光光源连接，第二端口用于通过光纤与光电探测器连接，或者，所述第二端口用于通过光纤与激光光源连接，第一端口用于通过光纤与光电探测器连接；

其中，第三端口和第四端口是第二Y分支耦合器的光纤连接端口，分别通过光纤与光纤环的两个端口连接；

其中，第一Y分支耦合器通过第一圆弧与直条的一端连接，第二Y分支耦合器通过第二圆弧与直条的另一端连接；

所述第二Y分支耦合器处放置有调制电极分支一和调制电极分支二，所述调制电极分支一和调制电极分支二用于对传输于光子线路中的光波进行相位调制。

优选地，所述薄膜基板的组成材料为光学级的同组分铌酸锂或者钽酸锂，或者是掺杂的或者是近化学计量比的铌酸锂或钽酸锂，所述薄膜基板的晶体切向为X切或Z切，厚度在0.1μm～10μm。

优选地，所述薄膜基板的上表面沉积一层非金属薄膜材料，作为上包层。

优选地，所述光子集成芯片Y分支耦合器的输入和输出端口设置侧的相对应一侧端面B设置有用于减少基底辐射模式光波在光子集成芯片端面B发生反射的结构。

优选地，所述用于减少基底辐射模式光波在光子集成芯片端面B发生反射的结构，采用如下结构之一：

第一种：所述端面B为粗糙化面，以增加基底辐射模式光波在端面B的折射或透射；

第二种：所述端面B沉积一层金属薄膜或折射率高于薄膜基板构成材料的介质薄膜；

第三种：所述端面B涂敷有吸光材料，作为光吸收层，实现将基底辐射模式光波吸收的目的。

优选地，所述光子线路包括形成于光子线路中，用于对传输于光子线路中的光波进行偏振滤波以获得单一偏振态的光波的起偏器。

优选地，所述起偏器的构成方式采用如下之一：

第一种：在起偏器部分的光子线路中进行质子交换或退火质子交换，以实现该区域寻常光和异常光折射率的变大或变小，以达到其中一个偏振态光波由于无法满足导波条件而以辐射模式泄露至起偏器区域之外，实现偏振滤波；

第二种：在起偏器部分的光子线路的上表面沉积一层薄膜，实现对传输于光子线路中的具有正交偏振态的光波的其中一个偏振态进行吸收，实现对光子线路中的光波的偏振滤波；

第三种：起偏器部分的光子线路可以由多个微小圆弧构成，利用不同偏振模式光波的弯曲损耗不同，使其中一个偏振模式光波由于更大的弯曲损耗而泄露至起偏器区域之外，实现偏振滤波。

优选地，所述起偏器结构的形成位置采用如下位置之一：

第一种：起偏器结构形成于第一Y分支耦合器中与激光光源相连的Y分支臂中；

第二种：起偏器结构形成于第一Y分支耦合器中；

第三种：起偏器结构形成于第二Y分支耦合器中；

第四种：起偏器结构形成于直条中；

第五种：对光子线路全部结构进行质子交换，或者在光子线路全部结构的上方沉积一层可实现光吸收功能的薄膜，使光子线路全部具有起偏功能。

优选地，所述调制电极分支一和调制电极分支二对称地放置于第二Y分支耦合器处的光子线路的两臂之间以及两臂外侧，形成推挽式电极结构。

为实现本发明的第二目的，本发明还提供了一种干涉型光纤陀螺，其光路结构部分包括：如上述的光子集成芯片，还包括：光纤模块一、光纤模块二、光纤模块三、光纤模块四、输入光纤一、输入光纤二、输出光纤一、输出光纤二、激光光源、光电探测器、光纤环，

其中，光纤模块一、光纤模块二、光纤模块三、光纤模块四分别放置于光子集成芯片的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；

所述输入光纤一放置于光纤模块一中并与激光光源或光电探测器连接，所述输入光纤二放置于光纤模块二中并相应地与光电探测器或激光光源连接；

所述输出光纤一和输出光纤二分别放置于光纤模块三和光纤模块四中，并分别与光纤环的两个端口连接。

优选地，与光子集成芯片中的端口的连接方式，采用胶水进行粘接、固化的方式，或者采用透镜光纤进行焊接、固定的方式。

与现有技术相比，采用本发明所提出的光子集成芯片及基于此的干涉型光纤陀螺，具有如下有益效果：

1、通过在薄膜基板中制备具有高折射率差特性的光子线路，有利于缩小弯曲光波导结构的弯曲半径并保持低损耗，可实现小尺寸圆弧结构以及大角度的Y分支结构的制备，非常有益于缩小光子集成芯片的尺寸并进一步地有益于缩小光纤陀螺***的总体尺寸；

2、圆弧结构的设置实现了将两个Y分支耦合器的输入或输出端口设置在光子集成芯片的同一侧，而非现有Y波导调制器或双Y波导调制器中输入端口和输出端口分置于芯片两侧的结构，有利于降低非对称模式和偏振滤波形成的基底辐射模式光波在所引起的寄生相位误差或偏振串扰，有利于减小其对光纤陀螺***性能造成的影响；

3、基于光子线路结构得到的电光调制器具有电极间距小、电光调制效率高等特点，可以显著地降低光纤陀螺***中相位调制所需施加的驱动电压，因此可以通过缩短调制电极长度实现光子集成芯片小型化的目的，并且不会导致半波电压的大幅增加，避免了光纤陀螺***功耗的增大或信号处理难度的增加；

4、本发明所提出的光子集成芯片结构可依托目前成熟的CMOS制程工艺进行制备，有利于实现光子集成芯片以及基于此的光纤陀螺的自动化、低成本、批量化的规模生产。

附图说明

图1A：现有技术中干涉型光纤陀螺的光路部分组成结构示意图；

图1B：现有技术中双Y波导调制器的第一种构成方式以及基于此的光纤陀螺光路结构的示意图；

图1C：现有技术中双Y波导调制器的第二种构成方式以及基于此的光纤陀螺光路结构的示意图；

图2A：双Y波导调制器第一种构成方式中基底辐射模式的示意图；

图2B：双Y波导调制器第二种构成方式中基底辐射模式的示意图；；

图2C：现有技术中偏振滤波形成基底辐射模式的光波传播路线示意图；

图3：本发明所提供的光子集成芯片的俯视结构示意图；

图4A～图4C：光子集成芯片中起偏器放置方式示意图；

图5：光子集成芯片中第二Y分支耦合器部分的横截面结构示意图；

图6：本发明提供的干涉型光纤陀螺的光路结构示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：1、基底晶片；2、下薄层；3、薄膜基板；401、第一端口；402、第二端口；403、第一Y分支耦合器；404、第一圆弧；405、直条；406、第二圆弧；407、第二Y分支耦合器；408、第三端口；409、第四端口；410、起偏器；411、光吸收层；5、上包层；601、调制电极分支一；602、调制电极分支二；7、传输于光子线路中的光波模式分布；701、光纤模块一；702、光纤模块二；703、光纤模块三；704、光纤模块四；801、输入光纤一；802、输入光纤二；811、输出光纤一；812、输出光纤二；901、激光光源；902、光电探测器；903、光纤环；904、直条波导；905、连接光纤。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

首先参考图1B、图1C、图2A和图2B，所示为现有技术中采用波导耦合器和Y波导调制器单片集成的双Y波导调制器的两种结构方案，其中图1B、图2A所示为两个Y分支耦合器通过一根直条波导904相连接，图1C、图2B所示为两个相对独立的Y分支耦合器且通过一段连接光纤905将两个结构相连接。

图1B、图2A所示出的双Y波导调制器结构通过一段直条波导将两个Y分支耦合器相连，这种结构与光纤陀螺仪所需的最小互易结构非常类似。如本领域技术人员所熟知的，当输入光从Y分支耦合器的其中一个端口输入时，其中一半的光波会以非对称光波模式的形式辐射进入基底晶片中。图2A中的虚线及箭头所示意的是基底辐射模式光波的传播路线。对于图2A所示出的双Y波导调制器结构，作为空间模式滤波器的直条波导904在互异性所需的模式抑制方面的作用是较为有限的。辐射进入基底的光波的一部分会重新耦合进入第二个Y分支耦合器中，使得Y分支耦合器的两个波导臂之间产生寄生的相位误差，对光纤陀螺的传感精度造成影响。

图1C、图2B所示出的双Y波导调制器结构将两个Y分支耦合器呈并行排列的结构，使用连接光纤905将两个Y分支耦合器的直条波导904进行连接，同时使用连接光纤905作为空间模式滤波器将辐射进入基底的光波进行滤波，以消除两个Y分支耦合器之间的非互异性干涉光信号的耦合。这种方式虽然可以一定程度地减少***噪声，但第二个Y分支耦合器的光波在合束后的非互易干涉光信号仍然会有存在着向第一个Y分支耦合器耦合的部分，因而光电探测器仍然会接收到非互易干涉光信号，如图2B中的虚线及箭头所示。并且，这种方式也增加了两个光纤模块，降低了该集成调制器的可靠性。

此外，图2C所示出的是光纤陀螺仪中使用的Y波导调制器中由于偏振模式滤波而形成的基底辐射模式的示意图。由于光波导是采用质子交换工艺制备得到的，且质子交换波导具有起偏特性，因此入射进质子交换光波导中的正交偏振模式光波中的其中一个偏振模式会被滤波，并以基底辐射模式的形式辐射入基底晶片中。图2C中的虚线及箭头所示出的是基底辐射模式光波的传播路线示意。基底辐射模式的光波经过基底晶片的底部的反射后，其中一部分光波会重新耦合进入输出光纤中并形成偏振串扰，对光纤陀螺的传感精度造成影响。

因此，如果可以将两个Y分支耦合器的端口放置于基底晶片的同一侧且通过光波导而非连接光纤实现连接，则十分有利于降低基底辐射模式光波以及非互异性干涉光信号等噪声因素对干涉型光纤陀螺的传感精度的影响，并且有利于提升光纤陀螺仪***的可靠性。这便是本发明的研究课题。

以下结合具体的实施例对本发明所提供的光子集成芯片及基于此的干涉型光纤陀螺进行说明。

如图3、图4A～图4C、图5所示，本实施例提供的一种光子集成芯片，包括：基底晶片1、下包层2、薄膜基板3、光子线路、上包层5、调制电极分支一601、调制电极分支二602，

基底晶片1用于为薄膜基板3提供机械支撑，其构成材料可以是铌酸锂、钽酸锂、硅、石英等晶体。例如，可以采用硅作为基底晶片1的构成材料，以利用硅基CMOS集成电路与铌酸锂基多功能集成光电器件的单片混合集成。或者，可以采用石英作为基底晶片1的构成材料，以利用石英稳定的热学性能，减少由于基底晶体的热膨胀或热传导而引起的薄膜基板的晶体材料的折射率变化。或者，也可以选择与薄膜基板3相同晶体切向的铌酸锂或钽酸锂晶体作为基底晶片1的构成材料。基底晶片1的厚度在0.2mm～2mm，优选为1mm。

下包层2放置于基底晶片1与薄膜基板3之间，一方面可以起到增加二者之间的键合强度的作用，另一方面也对传输于光子线路中的光波提供空间束缚的作用。构成下包层2的材料可以是氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氮化硅等非金属材料中的任一种，也可以是苯并环丁烯(BCB)聚合物材料。下包层2的厚度不小于光子线路中传输的光波的波长。例如，对于传输的波长为0.85μm光波，下包层2的厚度需不小于0.85μm；或者，对于传输的波长为1.31μm光波，下包层2的厚度需不小于1.31μm。优选的，下包层2的厚度不小于2μm。

薄膜基板3放置于下包层2的上方，是制备光子线路的晶体材料载体。薄膜基板3的组成材料为具有Pockels线性电光效应的晶体，例如铌酸锂或钽酸锂晶体。为了降低光子线路的传输损耗，构成薄膜基板3的铌酸锂或钽酸锂一般选择光学级同组分的晶体材料。为了进一步地提升光子线路的抗光损伤能力，薄膜基板3还可以选择掺杂有镁、锌等金属的掺杂铌酸锂晶体或钽酸锂晶体，或者是近化学计量比的铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。优选的，本发明采用光学级的同组分铌酸锂晶体。薄膜基板3的晶体切向为X切或Z切，厚度在0.1μm～10μm。为减少铌酸锂或钽酸锂晶体的热释电等静电因素对光纤陀螺总体性能的影响，薄膜基板3的晶体切向优选采用X切。

光子线路形成于薄膜基板3中，是光波的导波通道，即光波导结构。光子线路可实现光波的导波、分束、合束等无源光器件功能，并通过金属电极可对传输于其中的光波的相位进行调制。与现有技术中基于铌酸锂或钽酸锂块状体材料晶体制作的光学波导相比，在铌酸锂或钽酸锂薄膜基板中制备得到的光学波导有着更高的折射率差，可以制备出弯曲半径不大于100μm的光学波导，因此可以在薄膜基板中实现直条、Y分支、圆弧、圆环等多种形状的光学波导结构的制备和互连，即构成光子线路。

在薄膜基板3中，为得到光子线路的光波导结构，可以在薄膜基板3的上表面采用离子刻蚀、化学腐蚀、介质膜沉积等微加工手段，以形成有效折射率的局域增大。当然也可以包括现有技术中钛扩散、质子交换等工艺方法，在薄膜基板3中的局域区域进行离子掺杂以实现有效折射率的增大。

进一步的，可以在薄膜基板3的上表面沉积一层非金属薄膜材料，如二氧化硅、氧化钛、五氧化二钽、氮化硅等，作为上包层5。上包层5可以降低光子线路的折射率差，一方面可以减少光波导结构中高阶光波模式的形成，另一方面可以增大光波导模式的模斑尺寸，减少光子线路与光纤之间的耦合损耗。

参考图3，所示出的是光子线路芯片的俯视结构示意图。光子线路包括如下组成部分：第一端口401、第二端口402、第一Y分支耦合器403、第一圆弧404、直条405、第二圆弧406、第二Y分支耦合器407、第三端口408、第四端口409、起偏器410。

其中，第一端口401和第二端口402是第一Y分支耦合器403的光纤连接端口，其中第一端口401(或者第二端口402)可用于通过光纤与激光光源连接，第二端口402(或者第一端口401)可用于通过光纤与光电探测器连接。

其中，第三端口408和第四端口409是第二Y分支耦合器407的光纤连接端口，分别通过光纤与光纤环的两个端口连接。

其中，第一Y分支耦合器403通过第一圆弧404与直条405的其中一端连接，第二Y分支耦合器407通过第二圆弧406与直条405的另外一端连接。

激光光源所产生的光波从第一端口401进入第一Y分支耦合器403，先后依次通过第一圆弧404、直条405、第二圆弧406后，经过第二Y分支耦合器407的分束得到两束光波，分别通过第三端口408和第四端口409进入光纤环。

当光纤陀螺仪随运动物体转动时，在光纤环中沿顺时针方向和逆时针方向传输的光波的相位发生了相应的改变，携带有不同相位信息的光波再次回到第三端口408和第四端口409后，进入第二Y分支耦合器407并通过其电光调制作用对光波的相位进行调制，再经过第二Y分支耦合器407的合束作用实现光波的干涉。干涉光波经过反向光路，即依次通过第二圆弧406、直条405、第一圆弧404后，再经过第一Y分支耦合器403的分束，其中一部分光波通过第二端口402抵达光电探测器并对其光强进行探测。

对比图2A、图2B所示出的现有双Y波导调制器芯片中的光波导结构以及图3所示出的本发明所提供的光子集成芯片中的光子线路结构可以看出，光子集成芯片的一个显著特征在于，通过圆弧404和406的连接将两个Y分支耦合器403和407的输入或输出端口均设置在芯片的同一侧。形成于薄膜基板3中的光子线路依靠较大的折射率差(0.2～0.7)可以在小弯曲的半径下保持低弯曲损耗，因而可以实现不大于100μm的超小弯曲半径的圆弧结构的制备。

在现有技术中，由于Y分支耦合器的波导结构主要采用退火质子交换方式制备获得，其折射率差约在0.01，难以制作低弯曲损耗、小半径的弧形结构，因而无法实现将两个Y分支耦合器的输入或输出端口设置在芯片的同一侧。

同样的，Y分支耦合器中的Y分支部分也是由弯曲结构构成，如圆弧形、sine函数曲线形、cosine函数曲线形等。光子线路的高折射率差特性也有益于实现Y分支部分开口角度的增大同时保持低弯曲损耗，有利于降低光子集成芯片的整体尺寸。

如图3中的虚线及箭头所示，从第一端口401进入第一Y分支耦合器403的光波，其中非对称模式所形成的基底辐射模式光波会传输至光子集成芯片中与四个端口所在端面(端面A)相对的另一个端面(端面B)，也即基底辐射光波的传输方向是与第二Y分支耦合器407的两个端口成相反方向的。而在现有技术中，基底辐射光波的传输方向是朝着第二Y分支耦合器的两个端口的，因此较为容易通过重新耦合进入第二Y分支耦合器中，形成寄生的相位误差。本发明所提出的结构可以有效地减少基底辐射模式光波重新耦合进入第二Y分支耦合器407中，减少寄生相位误差的产生。

还可以采用如下方式以减少基底辐射模式光波在光子集成芯片的端面B处所发生的反射，以进一步地减少基底辐射模式光波向第二Y分支耦合器407中的耦合：

例如，将光子集成芯片的端面B进行研磨或打磨处理以使之粗糙化，增加基底辐射模式光波在端面B的折射或透射，通过折射或透射将辐射模式光波耦合至光子集成芯片之外；

或者，在光子集成芯片的端面B沉积一层金属薄膜或折射率高于薄膜基板3构成材料的介质薄膜或具有增透功能的多层介质薄膜，减少基底辐射模式光波的反射；

或者，在端面B涂敷有吸光材料，作为光吸收层411，实现将基底辐射模式光波吸收的目的。

需要说明的是，上述方式仅是实现减少基底辐射模式光波反射的各种可行方式中的其中几种，并不构成对本发明的限制，其他为实现减少端面光波反射目的而采取的方式也在本发明的保护限定范围内。

为满足光纤陀螺的偏振互异性要求，起偏器410用于对传输于光子线路中的光波进行偏振滤波以获得单一偏振态的光波。起偏器410形成于光子线路中，属于光子线路的一部分，起到了对传输于光子线路中的光波进行偏振滤波的作用，其构成方式可以采用如下几种可行的方式。

例如，在起偏器410部分的光子线路中可以进行质子交换或退火质子交换，以实现该区域寻常光和异常光折射率的变大或变小，以达到其中一个偏振态光波由于无法满足导波条件而以辐射模式泄露至起偏器410区域之外，实现偏振滤波；

或者，可以在起偏器410部分的光子线路的上表面沉积一层薄膜，比如铝、钛、铬、金等金属薄膜，或者是非晶硅等折射率高于薄膜基板3的折射率的非金属薄膜，以实现对传输于光子线路中的具有正交偏振态的光波的其中一个偏振态进行吸收，实现对传输于光子线路中的光波的偏振滤波；

或者，起偏器410部分的光子线路可以由多个微小圆弧构成，利用不同偏振模式光波的不同弯曲损耗，使其中一个偏振模式光波由于更大的弯曲损耗而泄露至起偏器410区域之外，实现偏振滤波。

本发明优选采用在起偏器410部分的光子线路的上表面沉积一层薄膜以实现偏振滤波，减少被过滤的偏振模式光波在光子线路或薄膜基板中的存在，降低其在第二Y分支耦合器407处形成的偏振串扰，减少对光纤陀螺***性能的影响。

图4A～图4C所示为起偏器410的放置位置的几个实施方案的示例图，其中图4A所示出的是起偏器410放置于第一Y分支耦合器401与激光光源相连接的那个Y分支一臂中的示例，图4B所示出的是起偏器410放置于直条405处的示例，图4C所示出的是起偏器410同时放置于上述两处的示例。也可以，在光子线路全部结构中，均设置成具有起偏功能的结构，以实现对偏振串扰最大程度的抑制。例如，在光子线路全部结构的上方沉积一层可实现光吸收功能的薄膜或者对光子线路全部结构进行质子交换。

本发明给出的实施例所采用的是起偏器410放置于第一Y分支耦合器401与激光光源相连接的那个Y分支一臂中。此设置方式仅是实施方式的其中一种的示例，不构成对本发明实施方式的限定，采用前述起偏器410的放置位置都是可以达到本发明的起偏功能。

参考图3，图中所示出的第二Y分支耦合器407处放置有调制电极，分别为调制电极分支一601和调制电极分支二602，用于通过构成薄膜基板的电光晶体材料所具有的电光效应对传输于光子线路中的光波进行相位调制。调制电极分支一601和调制电极分支二602对称地放置于第二Y分支耦合器407处的光子线路的两臂之间以及两臂外侧，形成推挽式电极结构。调制电极由金属薄膜组成，其构成材料可以是铬/金或钛/金双层金属薄膜，也可以是钛/铂/金等多层金属薄膜，其中金属铬或金属钛是作为过渡层以提高薄膜基板3与金薄膜之间的粘附性。

为了对本发明所提供的光子集成芯片的横截面结构进行描述，图5选取了第二Y分支耦合器407部分的横截面结构进行说明。其中，调制电极分支一601放置于光子线路的两臂之间，调制电极分支二602相对于光子线路对称地放置于光子线路的两臂外侧，因此形成于调制电极分支一601和分支二602之间的电场可通过电光效应对传输于光子线路中的光波7的相位进行调制。调制电极分支一601和调制电极分支二602之间的电极间距G不小于2μm。构成调制电极分支一601和调制电极分支二602的金属薄膜的总厚度H不小于100nm。

图6为本发明所提出的一种基于上述的光子集成芯片的干涉型光纤陀螺的光路结构示意图，包括：前述光子集成芯片、光纤模块一701、光纤模块二702、光纤模块三703、光纤模块四704、输入光纤一801、输入光纤二802、输出光纤一811、输出光纤二812、激光光源901、光电探测器902、光纤环903。

其中，光纤模块一701、光纤模块二702、光纤模块三703、光纤模块四704分别放置于第一端口401、第二端口402、第三端口408、第四端口409；

进一步的，光纤模块一701通过输入光纤一801与激光光源901(或光电探测器902)连接，光纤模块二702通过输入光纤二802与光电探测器902(或激光光源901)连接；

进一步的，光纤模块三703和光纤模块四704分别通过输出光纤一811和输出光纤二812与光纤环903的两个端口连接；

进一步的，输入光纤一801、输入光纤二802、输出光纤一811、输出光纤二812是在850nm、1310nm或1550nm等工作波长下保持单模传输状态的保偏光纤或非保偏光纤。

其中，光纤801、802、811、812与光子集成芯片中的端口401、402、403、404的连接方式，可以是采用UV胶水进行粘接、固化的方式，也可以是采用锥形透镜光纤进行焊接、固化的方式。作为示例，图6所示出的是采用UV固化胶水进行光纤与光子集成芯片中的端口进行连接。

前述光纤模块由预先制作有沟槽或圆形通孔的晶体块构成，沟槽可以制作于晶体块的表面且呈方形、V形或半圆形等形状，圆形通孔可以制作于晶体块的中心。光纤放置于晶体块中的沟槽或圆形通孔中，在光纤与沟槽或通孔的空隙中填充满胶水并充分固化，然后将光纤的端面及晶体块的端面进行精密研磨抛光。将抛光后的光纤与光子集成芯片中的端口进行精密对准，然后在光子集成芯片的端面与晶体块端面之间填充UV胶水并使用紫外灯曝光照射进行充分固化，完成光纤与光子集成芯片的端口之间的连接。

需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。

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

Claims (11)

1.一种光子集成芯片，其特征在于，包括：基底晶片、下包层以及薄膜基板、光子线路、调制电极分支一、调制电极分支二，

所述基底晶片用于为薄膜基板提供机械支撑；

所述薄膜基板放置于下包层的上方，是制备光子线路的晶体材料载体；

所述下包层放置于基底晶片与薄膜基板之间；

所述光子线路形成于薄膜基板中，是光波的导波通道；

所述光子线路包括如下组成部分：第一端口、第二端口、第一Y分支耦合器、第一圆弧、直条、第二圆弧、第二Y分支耦合器、第三端口、第四端口、起偏器，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口设置在芯片的同一侧；

其中，第一端口和第二端口是第一Y分支耦合器的光纤连接端口，所述第一端口用于通过光纤与激光光源连接，第二端口用于通过光纤与光电探测器连接，或者，所述第二端口用于通过光纤与激光光源连接，第一端口用于通过光纤与光电探测器连接；

其中，第三端口和第四端口是第二Y分支耦合器的光纤连接端口，分别通过光纤与光纤环的两个端口连接；

其中，第一Y分支耦合器通过第一圆弧与直条的一端连接，第二Y分支耦合器通过第二圆弧与直条的另一端连接；

所述第二Y分支耦合器处放置有调制电极分支一和调制电极分支二，所述调制电极分支一和调制电极分支二用于对传输于光子线路中的光波进行相位调制。

2.根据权利要求1所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述薄膜基板的组成材料为光学级同组分的铌酸锂或者钽酸锂，或者是掺杂的或者是近化学计量比的铌酸锂或钽酸锂，所述薄膜基板的晶体切向为X切或Z切，厚度在0.1μm～10μm。

3.根据权利要求1所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述薄膜基板的上表面沉积一层非金属薄膜材料，作为上包层。

4.根据权利要求1所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述光子集成芯片Y分支耦合器的输入和输出端口设置侧的相对应一侧端面B设置有用于减少基底辐射模式光波在光子集成芯片端面B发生反射的结构。

5.根据权利要求4所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述用于减少基底辐射模式光波在光子集成芯片端面B发生反射的结构，采用如下结构之一：

第一种：所述端面B为粗糙化面，以增加基底辐射模式光波在端面B的折射或透射；

第二种：所述端面B沉积一层金属薄膜或折射率高于薄膜基板构成材料的介质薄膜；

第三种：所述端面B涂敷有吸光材料，作为光吸收层，实现将基底辐射模式光波吸收的目的。

6.根据权利要求1所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述光子线路包括形成于光子线路中，用于对传输于光子线路中的光波进行偏振滤波以获得单一偏振态的光波的起偏器。

7.根据权利要求6所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述起偏器的构成方式采用如下之一：

第一种：在起偏器部分的光子线路中进行质子交换，以实现该区域寻常光和异常光折射率的变大或变小，以达到其中一个偏振态光波由于无法满足导波条件而以辐射模式泄露至起偏器区域之外，实现偏振滤波；

第二种：在起偏器部分的光子线路的上表面沉积一层薄膜，实现对传输于光子线路中的具有正交偏振态的光波的其中一个偏振态进行吸收，实现对光子线路中的光波的偏振滤波；

第三种：起偏器部分的光子线路可以由多个微小圆弧构成，利用不同偏振模式光波的弯曲损耗不同，使其中一个偏振模式光波由于更大的弯曲损耗而泄露至起偏器区域之外，实现偏振滤波。

8.根据权利要求6所述的一种光子集成芯片，其特征在于，

所述起偏器结构的形成位置，采用如下位置之一：

第一种：起偏器结构形成于第一Y分支耦合器中与激光光源相连的Y分支臂中；

第二种：起偏器结构形成于第一Y分支耦合器中；

第三种：起偏器结构形成于第二Y分支耦合器中；

第四种：起偏器结构形成于直条中；

第五种：对光子线路全部结构进行质子交换，或者在光子线路全部结构的上方沉积一层可实现光吸收功能的薄膜，使光子线路全部具有起偏功能。

9.根据权利要求1所述的一种光子集成芯片，其特征在于，所述调制电极分支一和调制电极分支二对称地放置于第二Y分支耦合器处的光子线路的两臂之间以及两臂外侧，形成推挽式电极结构。

10.一种干涉型光纤陀螺，其特征在于，其光路结构部分包括：如权利要求1至权利要求9中任一项所述的光子集成芯片，还包括：光纤模块一、光纤模块二、光纤模块三、光纤模块四、输入光纤一、输入光纤二、输出光纤一、输出光纤二、激光光源、光电探测器、光纤环，

其中，光纤模块一、光纤模块二、光纤模块三、光纤模块四分别放置于光子集成芯片的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；

所述输入光纤一放置于光纤模块一中并与激光光源或光电探测器连接，所述输入光纤二放置于光纤模块二中并相应地与光电探测器或激光光源连接；

所述输出光纤一和输出光纤二分别放置于光纤模块三和光纤模块四中，并分别与光纤环的两个端口连接。

11.根据权利要求10所述的一种干涉型光纤陀螺，其特征在于，输入光纤或输出光纤与光子集成芯片中的各端口的连接方式，采用胶水进行粘接、固化的方式，或者采用透镜光纤进行焊接、固定的方式。

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