CN112965270A - 采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双y分支光波导调制器 - Google Patents

采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双y分支光波导调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，包括双Y分支光波导相位调制器芯片，所述双Y分支光波导相位调制器芯片包括衬底,所述衬底上依次设有二氧化硅层、光波导层和保护层，所述保护层上设有调制电极；所述光波导层包括铌酸锂薄膜层和双Y分支光波导结构的铌酸锂脊形光波导，连接两个Y分支光波导的过渡光波导为曲线波导。本发明中，过渡光波导采用曲线结构，有效消除了辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题；另外，本发明通过改变铌酸锂薄膜光波导芯片的结构，增大了铌酸锂脊形光波导与保护层的折射率差，进而增强了对光的束缚能力，使光波导的弯曲半径大大减小，实现了双Y分支光波导调制器的小型化。

Description

采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器
技术领域
本发明涉及光波导相位调制器领域，特别涉及一种采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器。
背景技术
光纤陀螺仪是一种基于萨格奈克相移效应的角速度传感仪表，具有全固态结构、小体积、抗电磁干扰、高精度及长寿命等一系列优点。如图1所示，光纤陀螺仪由低相干光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、保偏光纤环和光电探测器以及信号处理电路组成，各光学元件以尾纤熔接的方式相连接形成闭合光路，电路部分采用全数字闭环检测方案。当保偏光纤环相对惯性空间以角速率Ω转动时，其中分别沿正反两个方向传输的两列光波经历的不同的光程而产生萨格奈克相位差Фs，信号处理电路在Y波导相位调制器上引入一个调制信号抵消光纤环旋转引起的萨格奈克相位差Фs，通过检测该调制信号即可获得***相对于惯性空间转动的角速率信息。
为提高光纤陀螺的光路集成度和简化光路装调工艺，业界提出了采用双Y分支光波导相位调制器替代原光路中的光纤耦合器和Y波导相位调制器组合的方案。如图2所示，双Y分支光波导相位调制器芯片以铌酸锂晶片为衬底，通过微电子图形工艺和退化质子交换光波导制备工艺在晶片表面形成近光源端的Y分支光波导、近保偏光纤环端的Y分支光波导、连接两Y分支光波导的基波导和调制电极。
然而，双Y分支光波导相位调制器应用于光纤陀螺时，输入光在第一个Y分支上被近似3dB分光，其中一半的光功率沿中间基波导传播到达第二个Y分支；另一半光功率形成一个非对称模式，辐射进入铌酸锂衬底，并在第二个分支上重新耦合(如图2中的虚线所示)，使两个臂之间产生一个寄生相位差。该相位差对温度非常敏感，在光路中形成串扰和噪声，影响光纤陀螺的零偏稳定性。
现有双Y分支光波导相位调制器主要采用扩散型光波导技术(质子交换工艺/钛扩散工艺)制作双Y分支光波导，由于波导层与基底层的折射率差△n小，一般只有0.01～0.04，对光的束缚能力较弱，导致铌酸锂扩散型光波导的弯曲半径较大(弯曲半径过小会导致波导损耗急剧变大)。同时，由于铌酸锂扩散型光波导的弯曲半径较大，导致芯片整体占用的空间尺寸极大增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种能够消除光路串扰和噪声，且芯片体积小的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器。
本发明的技术方案如下：
一种采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，包括双Y分支光波导相位调制器芯片，所述双Y分支光波导相位调制器芯片一侧的端面为输入端面，另一侧的端面为输出端面；所述双Y分支光波导相位调制器芯片包括衬底,所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂薄膜材料制成的光波导层，在所述光波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂薄膜材料的折射率，所述保护层上设有调制电极；
所述光波导层包括铌酸锂薄膜层和设置在铌酸锂薄膜层上的铌酸锂脊形光波导，所述铌酸锂脊形光波导形成双Y分支光波导结构，所述双Y分支光波导结构包括第一Y分支光波导、过渡光波导和第二Y分支光波导，所述第一Y分支光波导的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片的输入端面上，分别用于连接低相干光源和光电探测器；所述第一Y分支光波导的合束端通过过渡光波导与第二Y分支光波导的合束端连接，所述第二Y分支光波导的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片的输出端面上，分别用于连接保偏光纤环的两尾纤端；所述过渡光波导为曲线波导；所述调制电极用于对第二Y分支光波导两个分支光路的光信号进行相位调制。
进一步的，所述衬底为石英衬底、硅衬底或铌酸锂衬底。
进一步的，所述铌酸锂薄膜层与铌酸锂脊形光波导的总厚度为300～900nm，所述铌酸锂脊形光波导的厚度为150～450nm。
进一步的，所述光波导层的制作方法为先在二氧化硅层上设置一层厚度为300～900nm的铌酸锂薄膜材料，然后对部分区域的铌酸锂薄膜材料向下刻蚀150～450nm，铌酸锂薄膜材料的上部经刻蚀后剩余的部分形成双Y分支结构的铌酸锂脊形光波导，铌酸锂薄膜材料的下部未被刻蚀，形成铌酸锂薄膜层。
进一步的，所述铌酸锂薄膜材料与保护层材料的折射率差为0.1～1.2。
进一步的，所述调制电极为推挽调制电极。
进一步的，所述过渡光波导的最小弯曲半径大于或等于10μm。
进一步的，所述过渡光波导采用费马螺线结构。
有益效果：本发明中，过渡光波导采用曲线结构，使两个Y分支波导中传输的光信号形成的辐射光只会辐射到波导外部环境中，而不会重新耦合进入另一Y分支光波导中，从而有效消除了辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题。另外，本发明改变了在铌酸锂衬底上采用扩散型光波导技术制作Y分支光波导的传统做法，通过二氧化硅层将衬底和光波导层键合在一起，从而使衬底和光波导层相互隔开，并通过刻蚀的方式制作铌酸锂脊形光波导，增大了铌酸锂脊形光波导与保护层的折射率差，进而增强了对光的束缚能力，使光波导的弯曲半径大大减小，进而使光波导的双Y结构以及过渡波导区域的尺寸大大减小，实现了双Y分支光波导调制器的小型化。
附图说明
图1为现有技术中光纤陀螺仪的结构示意图；
图2为现有的双Y分支光波导相位调制器芯片的结构示意图；
图3为本发明采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器的一个优选实施例的结构示意图；
图4为第一Y分支光波导处的剖面示意图。
图5为第二Y分支光波导处的剖面示意图。
图中：1.衬底，2.二氧化硅层，3.铌酸锂薄膜层，4.保护层，5.调制电极，10.双Y分支光波导相位调制器芯片，11.输入端面，12.输出端面，31.第一Y分支光波导，32.第二Y分支光波导，33.过渡光波导。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图3、图4和图5所示，本发明采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器的一个优选实施例包括双Y分支光波导相位调制器芯片10，所述双Y分支光波导相位调制器芯片10一侧的端面为输入端面11，另一侧的端面为输出端面12。所述双Y分支光波导相位调制器芯片10包括衬底1,所述衬底1上设有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2上设有铌酸锂薄膜材料制成的光波导层，由于衬底1和光波导层通过二氧化硅层2隔离，所述衬底1优选为采用硅衬底；当然，所述衬底1也可采用石英衬底或铌酸锂衬底。
所述光波导层的制作方法为先在二氧化硅层2上设置一层厚度为300～900nm的铌酸锂薄膜材料，铌酸锂薄膜材料的厚度优选为500nm；然后对部分区域的铌酸锂薄膜材料向下刻蚀150～450nm，刻蚀厚度优选为铌酸锂薄膜材料厚度的一半。铌酸锂薄膜材料的上部经刻蚀后剩余的部分形成双Y分支结构的铌酸锂脊形光波导，铌酸锂薄膜材料的下部未被刻蚀，形成铌酸锂薄膜层3。所述铌酸锂脊形光波导的截面优选为矩形，但由于刻蚀工艺的精度限制，难以使铌酸锂脊形光波导的截面为严格的矩形，只需满足单膜传输要求即可。所述铌酸锂脊形光波导形成双Y分支光波导结构，所述双Y分支光波导结构包括第一Y分支光波导31、过渡光波导33和第二Y分支光波导32。所述第一Y分支光波导31的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片10的输入端面11上，分别用于与低相干光源和光电探测器连接，优选为对所述双Y分支光波导相位调制器芯片10的输入端面11进行研磨抛光，以便于第一Y分支光波导31的两个分支端分别与低相干光源和光电探测器的对应端(或与对应端连接的尾纤)精密连接形成光路。所述第一Y分支光波导31的合束端通过过渡光波导33与第二Y分支光波导32的合束端连接，所述第二Y分支光波导32的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片10的输出端面12上，分别用于连接保偏光纤环的两尾纤端；优选为对所述双Y分支光波导相位调制器芯片10的输出端面12进行研磨抛光，以便于与保偏光纤环的两尾纤端精密连接形成光路。
在所述光波导层上设置有保护层4，所述铌酸锂薄膜材料与保护层材料的折射率差为0.1～1.2,优选为0.7。所述保护层4用于保护光波导层防止物理损伤，并防止脊型光波导的物理损伤以及折射率高于或接近铌酸锂折射率的其他物质覆盖在铌酸锂脊形光波导的表面，从而破坏或改变铌酸锂脊形光波导的限光结构，导致正常传输光辐射出光波导，使光波导损耗增大，所述保护层4可采用二氧化硅氧化层，当然，也可采用其他满足折射率要求的材料。由于铌酸锂脊形光波导为刻蚀形成，使得铌酸锂脊形光波导与保护层4的折射率差可达到0.1～1.2，相比于扩散形成的光波导结构，光波导与邻近介质的折射率差大幅增加，从而极大地增强了铌酸锂脊形光波导对光的束缚能力，当铌酸锂薄膜材料与保护层材料的折射率差为1.2时，所述过渡光波导33的最小弯曲半径为10μm即可满足光波导的损耗要求，因此，所述过渡光波导33可以采用任意满足上述弯曲半径要求的曲线结构，优选为采用费马螺线结构。所述保护层4上设有调制电极5，所述调制电极5用于对第二Y分支光波导32两个分支光路的光信号进行相位调制，优选为采用推挽调制电极。
本实施例中，由于过渡光波导33为曲线结构，光信号在第一Y分支光波导31或第二Y分支光波导32中传输时，其辐射光只会辐射到波导外部环境中，而不会重新耦合进入另一Y分支光波导中，从而有效消除了辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题。同时，本实施例中采用在铌酸锂薄膜材料上刻蚀出脊型光波导的方法制作双Y分支光波导，增大了铌酸锂脊形光波导与保护层4的折射率差，增强了光波导对光的束缚能力，光波导的弯曲半径最小可达到10μm，相比现有技术大大减小(现有“扩散型”双Y分支光波导相位调制器芯片10结构对光波导最小弯曲半径的要求为厘米级)，从而能够大大减小双Y分支光波导相位调制器芯片10的体积；进而使光波导的双Y结构以及过渡波导区域的尺寸大大减小，实现双Y分支光波导相位调制器的小型化。
采用本实施例的光波导相位调制器制作光纤陀螺仪时，只需将第一Y分支光波导31的两个分支端分别连接低相干光源和光电探测器，将光电探测器连接信号处理电路，将调制电极5与信号处理电路电连接，将第二Y分支光波导32的两个分支端分别连接保偏光纤环的两尾纤端即可，从而也能够实现光纤陀螺仪的小型化。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，包括双Y分支光波导相位调制器芯片，其特征在于，所述双Y分支光波导相位调制器芯片一侧的端面为输入端面，另一侧的端面为输出端面；所述双Y分支光波导相位调制器芯片包括衬底,所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂薄膜材料制成的光波导层，在所述光波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂薄膜材料的折射率，所述保护层上设有调制电极；
所述光波导层包括铌酸锂薄膜层和设置在铌酸锂薄膜层上的铌酸锂脊形光波导，所述铌酸锂脊形光波导形成双Y分支光波导结构，所述双Y分支光波导结构包括第一Y分支光波导、过渡光波导和第二Y分支光波导，所述第一Y分支光波导的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片的输入端面上，分别用于连接低相干光源和光电探测器；所述第一Y分支光波导的合束端通过过渡光波导与第二Y分支光波导的合束端连接，所述第二Y分支光波导的两个分支端位于双Y分支光波导相位调制器芯片的输出端面上，分别用于连接保偏光纤环的两尾纤端；所述过渡光波导为曲线波导；所述调制电极用于对第二Y分支光波导两个分支光路的光信号进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述衬底为石英衬底、硅衬底或铌酸锂衬底。
3.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜层与铌酸锂脊形光波导的总厚度为300～900nm，所述铌酸锂脊形光波导的厚度为150～450nm。
4.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述光波导层的制作方法为先在二氧化硅层上设置一层厚度为300～900nm的铌酸锂薄膜材料，然后对部分区域的铌酸锂薄膜材料向下刻蚀150～450nm，铌酸锂薄膜材料的上部经刻蚀后剩余的部分形成双Y分支结构的铌酸锂脊形光波导，铌酸锂薄膜材料的下部未被刻蚀，形成铌酸锂薄膜层。
5.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜材料与保护层材料的折射率差为0.1～1.2。
6.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述调制电极为推挽调制电极。
7.根据权利要求1所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述过渡光波导的最小弯曲半径大于或等于10μm。
8.根据权利要求7所述的采用曲线光波导连接的铌酸锂薄膜双Y分支光波导调制器，其特征在于，所述过渡光波导采用费马螺线结构。
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