CN114397729B - 基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，包括第一光纤‑波导模式转换器、第二光纤‑波导模式转换器、第一3dB耦合器、连续曲率弯曲波导起偏器、第二3dB耦合器、第三光纤‑波导模式转换器、第四光纤‑波导模式转换器。本发明在保证开环光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高开环光纤陀螺的多项性能，实现开环光纤陀螺的更小型化、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片。
背景技术
由于可以精确测量角位移，高灵敏度的陀螺仪在一系列领域中，如航空导航、机器人、无人汽车驾驶以及地理测绘等，发挥着至关重要的作用，低廉紧凑的陀螺仪更是受到市场的广泛需求。基于Sagnac效应的光学陀螺由于其高灵敏度受到了广泛的关注，已经发展成为了一项多用途的成熟技术。相比传统基于角动量守恒的机械陀螺，光学陀螺没有运动模块，因此不受重力、冲击和振动的影响，从而也意味着不需要任何特殊的万向悬挂架或者封装手段。
随着用于通信领域的低损耗单模光纤以及各种光纤器件的快速发展，将其应用在光学陀螺中就催生了全光纤的光学陀螺（FOG）。作为光学陀螺的典型代表，光纤陀螺目前已经发展成为具有高灵敏度、高稳定性、可信赖的成熟技术手段，具有比最先进的微机电陀螺更好的性能表现，而且具有更低的成本、功耗以及尺寸。典型的光纤光学陀螺主要包括三种组成部分：被动传感光纤线圈、有源无源器件（如光源、相位调制器、光电探测器和耦合器）以及读出电路。为了不断完善被动传感部分，近年来研究者们开展了大量的相关研究，发明了一系列新型光纤，如具有极低非线性和热效应的空心光纤以及高偏振消光比光纤。另外，更加复杂的光纤缠绕技术不断被开发出来以消除由热梯度和振动带来的非互易噪声和漂移。进一步的发展还包括采用更薄的包层或者多芯光纤，从而显著减少传感光纤线圈的尺寸，但依然保持较高的灵敏度。
然而，目前大部分光纤陀螺采用分离的光学器件来实现光信号的产生、调制以及探测，而这些分离的光学器件通常通过尾纤相互连接在一起，从而形成Sagnac干涉光学回路。尽管采用分离器件提供了可以选择不同器件的自由度，但同样导致了一系列的问题，如寄生反射、连接点处增加的***损耗以及对环境敏感的偏振失配等，上述情况均会不同程度的降低***性能。尽管通过采用如模式和偏振滤光器件可以尽可能的减少上述效应的影响，但是额外增加了封装成本。另外，采用一系列分离光学器件还会增大***尺寸以及重量。
为了避免上述采用分离器件引入的寄生反射、连接点处增加的***损耗以及对环境敏感的偏振失配等，近年来，随着集成光子学的发展，研究者们提出了集成光学陀螺。通过将除传感线圈外光学陀螺需要的所有有源和无源光学器件进行集成，即构成集成光学驱动（IOD）芯片，该驱动芯片可以同传感线圈，如被动光纤或超低损耗的氮化硅波导，连接在一起形成干涉光学陀螺。这样以来，该集成驱动芯片大大减少了光学陀螺的尺寸、重量、功耗以及制作成本，从而将为光学陀螺的普及起到重要的推动作用。
目前在光纤陀螺***中得到广泛应用的集成光学芯片是基于铌酸锂（LiNbO3）材料的集成芯片。其在同一个芯片上，集成了 Y型分束器、起偏器和相位调制器，主要用于不同精度下的闭环光纤陀螺中，从而实现干涉相位的闭环反馈，降低了器件漂移的影响，精度较高。另一方面，在实际应用中，基于铌酸锂材料的集成芯片也存在一些不足：（1）铌酸锂光波导制作方法为质子交换法，对质子交换的时间、温度、交换介质的特性及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高；（2）材料的热光系数较大；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，从而产生温度漂移效应。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，使得***控制电路比较复杂。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，以提高其稳定性、可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，包括第一光纤-波导模式转换器、第二光纤-波导模式转换器、第一3dB耦合器、连续曲率弯曲波导起偏器、第二3dB耦合器、第三光纤-波导模式转换器、第四光纤-波导模式转换器，
第一光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的一个分支相连；第二光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的另一个分支相连；第一3dB耦合器的基波导与连续曲率弯曲波导起偏器的一端相连；连续曲率弯曲波导起偏器的另一端与第二3dB耦合器的基波导相连；第二3dB耦合器的一个分支与第三光纤-波导模式转换器一端相连，第二3dB耦合器的另一个分支与第四光纤-波导模式转换器一端相连；第三光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环一端相连；第四光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环另一端相连。
进一步地，所述光纤-波导模式转换器均采用inversed taper结构实现与输入保偏光纤的模场直径匹配，工作波长范围为800-900nm。
进一步地，所述第一3dB耦合器和第二3dB耦合器采用1×2MMI耦合器或Y型分束器实现，工作波长范围为800-900nm。
进一步地，所述连续曲率弯曲波导起偏器由具有大纵横比的曲率连续分布的弯曲波导组成。
进一步地，弯曲SiN波导满足：弯曲SiN波导高度<80nm，弯曲SiN波导宽高纵横比>25，弯曲SiN波导部分最小弯曲半径取值范围为[300um, 900um]，总的弯曲SiN波导长度＞3πRmin，其中Rmin为所述最小弯曲半径。
本发明的有益效果为：
1、由于SiN波导在800-900nm波长区域具有高的透射特性，使得基于SiN光学集成芯片的光纤陀螺在短波长区域具有更大的标度因子。
2、在SiN波导中可以实现较大的双折射，而具有高双折射的波导可以提供较好的相位误差抑制。
3、基于连续曲率的弯曲波导结构实现的起偏器设计，可以在保证准TE0模式很小的传播损耗下实现准TE0/TM0两个模式间很高的消光比（>50dB），从而可以很好的抑制光纤陀螺中与偏振有关的相位误差。
4、提升了开环光纤陀螺的温度稳定性及可靠性，实现开环光纤陀螺的小型化。由于SiN材料的热光系数较小，从而使得环境温度的变化对器件的光学传输特性影响较小，进而一定程度上抑制了温度漂移效应，提高了陀螺的温度稳定性。另外，通过集成光波导和器件，避免了采用分离器件引入的寄生反射、连接点处增加的***损耗以及对环境敏感的偏振失配等，进一步提高了***的可靠性，并且减小了体积，适合小型化开环光纤陀螺的集成，也使得开环光纤陀螺的成本进一步降低。
附图说明
图1（a）是本发明实施例的光纤-波导模式转换器的俯视图，（b）是光纤-波导模式转换器的横截面图。
图2是本发明实施例的Y型分束器的结构示意图。
图3是本发明实施例的连续曲率弯曲波导起偏器的俯视结构示意图。
图4是本发明实施例的连续曲率弯曲波导起偏器的曲率随弯曲波导长度的变化分布图。
图5是本发明实施例的基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片的结构示意图。
附图标号说明
第一光纤-波导模式转换器1-1，第二光纤-波导模式转换器1-2，第一3dB耦合器2，连续曲率弯曲波导起偏器3，第二3dB耦合器4，第三光纤-波导模式转换器5-1，第四光纤-波导模式转换器5-2，标号6的箭头方向为外部光源输出的光的方向，标号7的箭头方向为输出到外部光纤环的光的方向。
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结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参照图1～图5，本发明实施例的基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片包括第一光纤-波导模式转换器1-1、第二光纤-波导模式转换器1-2、第一3dB耦合器2、连续曲率弯曲波导起偏器3、第二3dB耦合器4、第三光纤-波导模式转换器5-1、第四光纤-波导模式转换器5-2。
第一光纤-波导模式转换器1-1一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器1-1的另一端与第一3dB耦合器2的一个分支相连。第二光纤-波导模式转换器1-2一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器1-2的另一端与第一3dB耦合器2的另一个分支相连；第一3dB耦合器2的基波导与连续曲率弯曲波导起偏器3的一端相连。连续曲率弯曲波导起偏器3的另一端与第二3dB耦合器4的基波导相连；第二3dB耦合器4的一个分支与第三光纤-波导模式转换器5-1一端相连，第二3dB耦合器4的另一个分支与第四光纤-波导模式转换器5-2一端相连。第三光纤-波导模式转换器5-1的另一端与外部的光纤环一端相连；第四光纤-波导模式转换器5-2的另一端与外部的光纤环另一端相连。
参照图5所示，外部光源输出的光经光纤沿箭头6标识的方向耦合到芯片上的第一光纤-波导模式转换器1-1，第一光纤-波导模式转换器1-1输出的光包含两种不同的偏振模式（准TE0和TM0）；两种不同的偏振模式通过第一3dB耦合器2后，进入连续曲率弯曲波导起偏器3，由于起偏器的偏振选择，将准TM0模式泄露到了SiO2包层中，而在SiN波导中只保留了准TE0模式；该TE0模式进入第二3dB耦合器4，分成两束经第三光纤-波导模式转换器5-1和第四光纤-波导模式转换器5-2后，沿箭头7标识的方向耦合进入光纤环；这两束光在光纤环中分别沿顺时针和逆时针方向相向传播，且两束光满足相干条件。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而回到第二3dB耦合器4处的干涉光强发生变化；该干涉光信号经第二3dB耦合器4、连续曲率弯曲波导起偏器3、第一3dB耦合器2、第二光纤-波导模式转换器1-2后，沿与箭头6标识的相反方向耦合输出到外部的光电探测器，从而检测出变化的光强，经处理后即得转动角速度信息。
作为一种实施方式，所述第一、第二、第三、第四光纤-波导模式转换器均采用inversed taper结构实现与输入保偏光纤的模场直径匹配，工作波长范围为800-900nm。如图1所示；以超细径保偏光纤为例，其保存直径为40um，纤芯直径为3um，在波长830nm处，光纤中的准TE0模式的模场直径约为3.7um；对于inversed taper结构，以SiN材料平台为例，在固定SiN波导厚度情况下，通过优化输入端波导的宽度，可实现与光纤模场直径的匹配，以波导厚度为45nm为例，此时最优波导宽度为358nm，对应波导中的准TE0模式在830nm下的模场直径约为3.7um，从而实现了模场匹配，可实现92.4%的耦合效率，模式串扰可以忽略不计。在该实施例中，SiN波导厚度为45nm，输入端波导宽度为358nm，对应波导中的准TE0模式在830nm下的模场直径约为3.7um。输入端直波导长度为50um，taper长度为1000um，输出端波导宽度为1200nm。
作为一种实施方式，第一3dB耦合器2和第二3dB耦合器4采用1×2MMI耦合器或Y型分束器实现，工作波长范围为800-900nm。为了减少寄生反射以及降低加工误差，基于反向设计原理对所述Y型分束器的边界进行了优化，在保证前向透过率的前提下，并抑制了后向反射，在800-900nm范围内可以实现准TE0模式的透过率>98%，其结构设计如图2所示。在该实施例中，SiN波导厚度为45nm，宽度为1.2um，耦合区域的长度为20um，在该耦合区域中均匀分布的用于产生连续边界分布的离散宽度值分别为1.2、1.4、1.6、1.82、2.08、2.16、2.74、2.94、2.7、2.6um，两臂之间的距离为0.2um。
作为一种实施方式，连续曲率弯曲波导起偏器3由具有大纵横比的曲率连续分布的弯曲SiN波导组成，其结构如图3所示。弯曲SiN波导满足：弯曲SiN波导高度<80nm，弯曲SiN波导宽高纵横比>25，弯曲SiN波导部分最小弯曲半径取值范围为[300um, 900um]，总的弯曲SiN波导长度＞3πRmin，其中Rmin为所述最小弯曲半径。
所述起偏器设计原理为：在目标工作波长范围800-900nm内，合理选择波导尺寸，使其具有足够大的宽-高纵横比，从而波导内仅支持准TE0/TM0两个模式，且二者之间有足够大的有效折射率差，使得TM0的模场尺寸远大于TE0，故在相同的弯曲半径下，TM0的弯曲辐射损耗远大于TE0，从而在足够长的传输距离下实现偏振选择；另一方面，选择合适的弯曲半径，确保在合理长度的传播距离下准TE0模式的传播损耗小于0.5dB，且准TE0/TM0两个模式之间的偏振消光比大于50dB；此外，在弯曲半径固定的情况下，对于输入/输出直波导与弯曲圆弧以及具有相反符号曲率的圆弧连接处，由于曲率的不连续，导致模场分布的不连续，从而引起准TE0模式的散射，导致传播损耗。针对上述问题，本技术方案设计了从输入端到输出端曲率连续分布的弯曲波导结构，其曲率随长度的分布如图4所示，从而避免了TE0模式由于曲率不连续引起的散射损耗，进一步减小了TE0模式的总体传播损耗，提高了起偏器的偏振消光比。在该实施例中，弯曲SiN波导尺寸为1200×45nm，最小弯曲半径为500um，弯曲波导总的长度为5mm，对应的曲率随弯曲波导长度的分布如图4所示。
本发明在保证开环光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高开环光纤陀螺的多项性能，实现开环光纤陀螺的更小型化、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (4)
1.一种基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，其特征在于，包括第一光纤-波导模式转换器、第二光纤-波导模式转换器、第一3dB耦合器、连续曲率弯曲波导起偏器、第二3dB耦合器、第三光纤-波导模式转换器、第四光纤-波导模式转换器，
第一光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光源相连，第一光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的一个分支相连；第二光纤-波导模式转换器一端通过光纤与外部光电探测器相连，第二光纤-波导模式转换器的另一端与第一3dB耦合器的另一个分支相连；第一3dB耦合器的基波导与连续曲率弯曲波导起偏器的一端相连；连续曲率弯曲波导起偏器的另一端与第二3dB耦合器的基波导相连；第二3dB耦合器的一个分支与第三光纤-波导模式转换器一端相连，第二3dB耦合器的另一个分支与第四光纤-波导模式转换器一端相连；第三光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环一端相连；第四光纤-波导模式转换器的另一端与外部的光纤环另一端相连；
所述连续曲率弯曲波导起偏器由具有大纵横比的曲率连续分布的弯曲SiN波导组成。
2. 如权利要求1所述的基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，其特征在于，所述光纤-波导模式转换器均采用inversed taper结构实现与输入保偏光纤的模场直径匹配，工作波长范围为800-900nm。
3.如权利要求1所述的基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，其特征在于，所述第一3dB耦合器和第二3dB耦合器采用1×2MMI耦合器或Y型分束器实现，工作波长范围为800-900nm。
4. 如权利要求1所述的基于连续曲率弯曲波导起偏器的SiN集成光学芯片，其特征在于，弯曲SiN波导满足：弯曲SiN波导高度<80nm，弯曲SiN波导宽高纵横比>25，弯曲SiN波导部分最小弯曲半径取值范围为[300um, 900um]，总的弯曲SiN波导长度＞3πRmin，其中Rmin为所述最小弯曲半径。
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