CN117538985B - 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，包括从下至上依次层叠的衬底、下包层和铌酸锂薄膜波导芯层，铌酸锂薄膜波导芯层上设置有起偏单元、多模干涉器、相位调制单元，并且在起偏单元周围、波导的弯曲段周围分别设置隔离单元。本发明将将光纤陀螺的起偏、耦合、分束、调制功能集成在同一铌酸锂薄膜芯片上，实现光纤陀螺高集成度、小型化、低成本的发展目标，有利于光纤陀螺的批量生产，并且通过隔离单元可防止串扰光对相邻波导通道的干扰，进而提高光纤陀螺的精度。
Description
技术领域
本发明涉及光引擎领域，具体是一种薄膜铌酸锂集成化光引擎。
背景技术
光纤陀螺用于敏感载体旋转角速率，是惯性导航***的核心传感器之一，是现代航空、航天、航海和国防工业中广泛使用的惯性导航仪器，同时，也大量应用于自动驾驶、地震监测、矿石勘探等民用领域。传统的光纤陀螺通常采用分立式光学元件，将光源、探测器、起偏器、耦合器、Y波导相位调制器、光纤环等元器件利用光纤熔接的方式集成在一起，制作成光纤陀螺样机，存在器件体积大、重量大，导致光纤陀螺样机尺寸大、不易集成、成本高，一般光纤陀螺样机不小于60mm，难以满足未来军用及民用领域对小体积、低成本的光纤陀螺的需求。
光子集成芯片是由多个光子元件组成的微芯片，其具有数据传输快、高度节能的优点。因此，利用光子集成芯片代替光纤陀螺中传统光纤分立器件，借助集成光学光刻工艺大规模批量生产的优势，加大光纤陀螺的小型化、低成本力度，是光纤陀螺发展的重要方向。其中铌酸锂薄膜具有宽的透明窗口，吸收损耗低，抗光学损伤阈值高，有高的非线性光学、电光、声光、热光效应，因此铌酸锂薄膜是理论光学研究中最理想的光子集成衬底材料。
目前，南京铌奥已经提出基于铌酸锂薄膜的三轴光纤陀螺集成化方案，但未考虑多路波导排布时会对相邻波导通道产生信号串扰进而影响光纤陀螺精度的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于光纤陀螺的薄膜铌酸锂集成化光引擎，以解决现有技术基于铌酸锂薄膜的三轴光纤陀螺存在的信号串扰的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，包括从下至上依次层叠的衬底、下包层和铌酸锂薄膜波导芯层，所述铌酸锂薄膜波导芯层成型有波导形式的起偏单元、多模干涉器，其中多模干涉器包括多模干涉区以及连接于多模干涉区一侧的分束光输出波导、连接于多模干涉区另一侧的输入波导和干涉光输出波导，所述起偏单元的始端设于铌酸锂薄膜波导芯层一侧，所述多模干涉器的输入波导与起偏单元末端连接，铌酸锂薄膜波导芯层还设有相位调制单元，相位调制单元用于调制多模干涉器中分束光输出波导输出的分束光信号，所述铌酸锂薄膜波导芯层对应于起偏单元起始段周围位置、弯曲半径小于100um的波导弯曲段周围位置分别设有隔离单元，每个隔离单元包括通过质子交换法成型于铌酸锂薄膜波导芯层中的质子交换介质柱阵列，以及设于铌酸锂薄膜波导芯层表面对应质子交换介质柱阵列位置的电极；所述质子交换介质柱阵列中每个质子交换介质柱的折射率均高于周围未经质子交换法交换的铌酸锂薄膜波导芯层相应区域的折射率，由每个隔离单元中的质子交换介质柱阵列在所在位置对串扰光反射，每个隔离单元中的电极接地，由电极对对应位置质子交换介质柱阵列形成的反射光进行电吸收，由此使每个隔离单元在所在位置形成光信号隔离。
进一步的，所述起偏单元为成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的质子交换波导。
进一步的，所述质子交换波导用于连接多模干涉器中输入波导的末端宽度渐变收窄。
进一步的，所述相位调制单元包括若干行波电极，各个行波电极与多模干涉器的分束光输出波导在铌酸锂薄膜波导芯层上形成共面波导推挽结构。
进一步的，所述铌酸锂薄膜波导芯层还成型有脊波导形式的模斑转换器，所述多模干涉器的分束光输出波导通过模斑转换器对外耦合输出分束光信号。
进一步的，所述模斑转换器包括双层锥形渐变波导和连接双层锥形渐变波导锥顶的直波导，所述多模干涉器的分束光输出波导连接双层锥形渐变波导的锥底。
进一步的，所述隔离单元的质子交换介质柱阵列中，每个质子交换介质柱均是通过质子交换法使相应位置铌酸锂薄膜波导芯层的铌酸锂晶体与质子源进行离子交换后得到的。
进一步的，其特征在于，所述多模干涉器为成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的脊波导。
进一步的，其特征在于，所述多模干涉器为2×2多模干涉器，且多模干涉器的分光比为1:1。
进一步的，以起偏单元始端所在的铌酸锂薄膜波导芯层一侧作为信号耦合侧，所述多模干涉器的输入波导弯曲后与起偏单元的末端连接，所述多模干涉器的分束光输出波导延伸至所述信号耦合侧对外耦合，所述多模干涉器的干涉光输出波导弯曲后延伸至所述信号耦合侧对外耦合，由此使光信号的耦合输入、输出均位于铌酸锂薄膜波导芯层的同一侧。
本发明中，在铌酸锂薄膜波导芯层上成型波导形式的起偏单元、多模干涉器、相位调制单元。通过起偏单元实现输入光的起偏，利用多模干涉器的输入波导将起偏单元形成的偏振光耦合至多模干涉器的多模干涉区进行分束，分束光由多模干涉器的分束光输出波导向外耦合输出并通过相位调制单元进行调制，分束光在多模干涉区合束干涉形成的干涉光通过多模干涉器的干涉光输出波导向外耦合输出，由此实现将光纤陀螺的起偏、分束、耦合、调制功能集成一体。
考虑起偏单元始端与外部光源模场可能不完全匹配，导致有部分光从非波导区域端面进入到铌酸锂薄膜波导层中从而形成信号串扰的问题，以及部分光会从弯曲半径小于100um的波导弯曲段周围散射出去形成串扰光，也会对相邻波导造成信号串扰的问题，故本发明在起偏单元起始段的周围设有隔离单元，并且在波导弯曲段的周围设置隔离单元。
每个隔离单元包括通过质子交换法在铌酸锂薄膜波导层中成型的质子交换介质柱阵列，以及设于铌酸锂薄膜波导层表面对应于质子交换介质柱阵列位置的金属电极，其中金属电极接地。质子交换介质柱阵列中的每个质子交换介质柱都是在铌酸锂薄膜波导层中通过质子交换法交换后制备完成的，质子交换介质柱阵列中每个质子交换介质柱的折射率均高于周围未经质子交换法交换的铌酸锂薄膜波导层相应区域的折射率，由此形成折射率周期排布的类光子晶体结构。当串扰光进入质子交换介质柱阵列中时，会在质子交换介质柱阵列中发生多次反射，此时接地的金属电极会对反射光产生强烈的电吸收，由此可使隔离单元在对应位置起到光信号隔离作用，防止串扰光对其他波导通道产生信号干扰，进而提高消光比。
其中，通过质子交换法在铌酸锂薄膜波导层成型质子交换介质柱阵列时，每个质子交换介质柱均是通过质子交换法使相应位置铌酸锂薄膜波导芯层的铌酸锂晶体与质子源进行离子交换实现的。经过质子交换法交换过的铌酸锂薄膜波导层相应区域折射率会高于铌酸锂薄膜波导层中未交换区域的折射率，这是因为在质子交换法时，进行交换的铌酸锂薄膜波导层位置的铌酸锂晶体的锂离子与质资源交换液中的氢离子发生离子置换，导致氢离子浓度与晶体折射率会在晶体表面呈现梯度的分布情况，从而会导致被质子交换的铌酸锂薄膜波导层相应位置折射率增大，因此通过质子交换法得到的每个质子交换介质柱的折射率均高于周围未经质子交换法交换的铌酸锂薄膜波导层相应区域的折射率。
本发明的起偏单元，为成型于铌酸锂薄膜波导层的质子交换波导，在制作作为起偏单元的质子交换波导的图形同时，可在铌酸锂薄膜波导层需要设置隔离单元的位置制作阵列排列的圆孔，由此在通过质子交换法制作起偏单元的同时，可同步成型各个隔离单元的质子交换介质柱阵列，不用增加铌酸锂的深刻蚀步骤。
本发明的多模干涉器为制备成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的脊波导，脊波导可以保留铌酸锂良好的电光性能，折射率对比度更高，波导尺寸可以做到更小，弯曲半径也可以做到更小，更易实现芯片的小型化、集成化。
本发明的相位调制单元中，行波电极与多模干涉器输出波导形成共面波导推挽结构，能够提高调制效率，实现电光调制功能。
为了进一步优化多模干涉器输出的分束光，本发明还在铌酸锂薄膜波导芯层上制备成型双层锥形渐变波导形式的模斑转换器，通过模斑转换器能够放大输出的分束光的光斑尺寸，以与单模光纤实现模场匹配。
并且本发明中，光信号的耦合输入、耦合输出均位于铌酸锂薄膜波导芯层的同一侧即信号耦合侧，能够进一步提高集成度，可利用光纤阵列组件FA实现本发明输入、输出的同时耦合，有利于简化生产工艺流程。
综上，本发明采用质子交换波导与脊波导相结合的方式，将光纤陀螺的起偏、耦合、分束、调制功能集成在同一铌酸锂薄膜芯片上，可代替传统光纤分立器件。并且本发明采用质子交换法制备隔离单元的质子交换介质柱阵列，能够减小波导通道间串扰，增大消光比，进而在三轴光纤陀螺集成化芯片中，可有效减小多路信号串扰，提高三轴光纤陀螺精度。
附图说明
图1为本发明实施例的三维示意图。
图2为本发明实施例的二维俯视原理图。
图3为本发明实施例中光纤入射芯片三维示意图。
图4是本发明实施例的隔离单元中质子交换介质柱阵列三维示意图。
图5为本发明实施例应用的三轴光纤陀螺二维俯视图。
图6为本发明实施例中2×2MMI结构图。
图7为本发明实施例中模斑转换器二维图。
图8为本发明实施例芯片加工流程图。
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方案，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语 “包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
如图1所示，本实施例公开了一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，用于光纤陀螺，包括从下至上依次层叠的衬底01、下包层02和铌酸锂薄膜波导芯层03。其中衬底01材料为硅，厚度为500um；下包层02材料为二氧化硅，厚度为4.7um；铌酸锂薄膜波导芯层03材料为铌酸锂，切向为x切，通过离子注入和圆晶键合制备得到，厚度为600nm-800nm。
铌酸锂薄膜波导芯层上制备成型有波导形式的起偏单元04、多模干涉器06、相位调制单元07、模斑转换器08，此外还设置有若干隔离单元05，其中：
本实施例中，起偏单元04为通过质子交换工艺制备于铌酸锂薄膜波导芯层上的质子交换波导，该质子交换波导设计为S型结构，如图2所示，S型结构的始端向左延伸至铌酸锂薄膜波导芯层的左侧边，用于连接入射光纤进而连接光源SLD，S型结构的末端0401向右延伸，并且S型结构的末端0401按从始端向末端方向波导宽度逐渐收窄。
作为起偏单元04的质子交换波导的模场与入射光纤模场大小相近，该质子交换波导线宽为3um，折射率对比度为0.05，模场直径约为3.5um，与光纤的模场匹配程度很高，不需额外增加模斑转换结构来连接入射光纤。并且质子交换工艺具有天然的起偏功能，且设计为S型结构，弯曲半径约为1mm，仅能传输TE模式。本实施例采用x切铌酸锂晶体，仅能支持TE模传输，因此可代替起偏器结构，更有利于芯片小型化。
本实施例中，多模干涉器（MMI）06为采用ICP刻蚀工艺（电感耦合等离子体刻蚀）制备成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的铌酸锂脊波导，包括多模干涉区0601、至少一个输入波导、若干输出波导。多模干涉器06的工作原理是由输入波导耦合输入信号光，信号光在多模干涉区0601中基于自映像原理形成多个自映像并分别分配至对应输出波导，由此形成并通过输出波导输出分束光信号。
多模干涉器06可为1×N结构、2×N结构或者N×N结构，本实施例以2×2MMI结构为例进行说明，如图6所示，该2×2MMI中在多模干涉区0601的左、右两对称侧分别各自具有两个端口。
如图1、图2、图6所示，具体的2×2MMI中，多模干涉区0601左侧的端口1连接有第一分束光输出波导0602，多模干涉区0601左侧的端口2连接有第二分束光输出波导0603，且第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603分别向铌酸锂薄膜波导芯层左侧边方向延伸，通过第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603向外输出分束光信号。
多模干涉区0601右侧的端口3连接有输入波导0604，多模干涉区0601右侧的端口4连接有干涉光输出波导0605，其中输入波导0604呈180度弯曲后与起偏单元04的末端0401连接用于耦合输入信号光，起偏单元04的末端0401逐渐收窄实现与输入波导0604相耦合，进而实现质子交换波导与脊波导多模干涉器06的模场匹配。干涉光输出波导0605呈180度弯曲后向左延伸至铌酸锂薄膜波导芯层的左侧边，用于连接光电探测器PD，以将干涉光信号耦合输出至PD探测器中，实现信号的监测。通过设计2×2MMI的的结构尺寸，实现端口1、端口2输出光的分束比为1:1。
本实施例2×2MMI中，多模干涉区的长度L计算公式为：
其中：对于TE光，σ=0， 对于TM光，σ=1；W为多模干涉区宽度；nr为芯层折射率；ns为包层折射率；λ0为光波长。2×2MMI中，右侧、左侧各自对应的两个波导的位置均为±W/6处，首个二重自映像的位置在Lπ/2。
本实施例利用lumerical 软件经过大量的仿真计算，得到2×2MMI的结构参数为：同侧端口之间的中心间距g为7um；输入、输出波导由1.2um线宽拓宽至Wt为2um，拓宽长度Lt为100um；多模干涉区的长度L为290um，宽度W为10um。
本实施例中，相位调制单元07包括设于铌酸锂薄膜波导芯层上的三个电极。具体的，三个电极并行分布，其中中间的电极为信号电极0701，两边的电极分别为地电极0702。第一分束光输出波导0602从其中一个地电极0702与信号电极0701之间穿过，第二分束光输出波导0603从另一个地电极与信号电极0701之间穿过，由信号电极0701和每个地电极0702分别组成行波电极，由第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603和行波电极形成共面波导推挽结构。
第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603作为调制臂，两调制臂对应的行波电极施加的调制电场方向相反，当施加电信号时，对两个调制臂中传输的单偏振光进行调制，在相同的调制电压下，共面波导推挽结构产生的相位差是单臂调制的二倍，能够提高调制效率，由此实现电光调制功能。
行波电极的材料为金，行波电极宽度、电极厚度以及电极间距的结构参数利用HFSS仿真得到，满足阻抗匹配、微波的相速度与光波的群速度匹配，同时满足射频衰减低的要求；经过大量的仿真计算，行波电极的结构参数为：电极间距为5um，信号电极宽度为10.5um，电极厚度为1.2um，两调制臂长度约为8mm。
本实施例中，模斑转换器08有两个，分别为采用ICP刻蚀工艺制备成型于铌酸锂薄膜波导芯层左侧边的脊波导，用于一一对应连接第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603，以匹配第一分束光输出波导0602、第二分束光输出波导0603与输出光纤之间的模场。
如图7所示，每个模斑转换器08包括双层锥形渐变波导结构和氮氧化硅直波导结构0803，双层锥形渐变波导结构包括共锥底的底层锥0801和顶层锥0802，底层锥0801即深刻蚀区的渐变斜率较顶层锥0802即浅刻蚀区小，顶层锥0802在底层锥收窄到4-6um范围内截止。氮氧化硅直波导结构0803的始端连接于双层锥形渐变波导结构中底层锥0801的锥顶。第一输出波导0602、第二输出波导0603分别与各自对应的模斑转换器08中双层锥形渐变波导结构的锥底连接。每个模斑转换器08中，氮氧化硅直波导结构0803末端分别与输出光纤线圈熔接。
每个模斑转换器08中，通过双层锥形渐变波导结构配合氮氧化硅直波导0802实现光斑尺寸的放大，进而实现与单模光纤实现模场匹配。每个模斑转换器08的结构参数为：脊波导模场直径＜1um；光纤模场直径约为4.5um；L4为顶层锥的渐变长度，L4=100um；L5为底层锥的渐变长度，L5=200um；ω1为顶层锥的尖端宽度，ω1=0.12um；ω2为底层锥的尖端宽度，ω2=0.15um； 氮氧化硅截面尺寸为4um×4um；ω3为顶层锥截止的位置对应于底层锥的宽度，ω3=0.34um。通过模斑转换器08实现模场从脊波导到单模光纤的转换。
本实施例中，多模干涉器06中输入波导通过起偏单元04的光信号耦合输入、多模干涉器06中两个分束光输出波导通过模斑转换器08的分束光信号耦合输出，以及多模干涉器06中干涉光输出波导0605的干涉光信号输出，都在铌酸锂薄膜波导芯层的左侧，即以铌酸锂薄膜波导芯层的左侧作为信号耦合侧，使本实施例的光信号耦合输入、输出均位于同一信号耦合侧，由此可提高芯片的集成度，降低芯片尺寸。
如图3所示，外部SLD光源通过光纤或准直透镜把光照射到起偏单元04始端时，由于模场不完全匹配，有部分光从非波导区域端面进入到铌酸锂薄膜波导芯层03中。铌酸锂薄膜波导芯层03区域端面进入波导的光分为TE和TM两种偏正光，对于采用X切铌酸锂材料的铌酸锂薄膜波导芯层03来说，只有TE模式的光能较好地在作为起偏单元04的质子交换波导中传输。而TM模式的光进入起偏单元04后，起偏单元04不能有效限制该模式光传输，因此在传输过程中，TM光会很快从起偏单元04中泄露出去，向四周无规则地发散。由于本实施例中铌酸锂薄膜波导芯层03的上下层材料都比铌酸锂本身折射率低，因此，上述两种进入到铌酸锂薄膜波导芯层03的偏正光依然会在薄膜层横向无规则的传输。如果不做处理，这些光会串扰到邻近波导中。同时，铌酸锂脊波导形式的多模干涉器06中，若某个脊波导弯曲段的弯曲半径小于100um，在传输信号光时由于弯曲角度过大，也会导致光从该脊波导弯曲段周围散射出来对邻近波导产生串扰。
因此本实施例中，在铌酸锂薄膜波导芯层03上对应于起偏单元04起始段的周围前、后两侧位置分别设有隔离单元05，并且在多模干涉器06的输入波导0604弯曲段周围的内弧侧和外弧侧位置、干涉光输出波导0605弯曲段周围的内弧侧和外弧侧位置分别设置有隔离单元。每个隔离单元05包括通过质子交换法成型于铌酸锂薄膜波导芯层03中的质子交换介质柱阵列0501，以及设于铌酸锂薄膜波导芯层表面对应质子交换介质柱阵列0501位置的金属电极0502。
本实施例中，质子交换介质柱阵列0501中的质子交换介质柱在采用质子交换工艺成型时，都是使铌酸锂薄膜波导芯层相应位置的铌酸锂晶体与质子源进行离子交换实现的。经过质子交换法交换过的铌酸锂薄膜波导层相应区域折射率会高于铌酸锂薄膜波导层中未交换区域的折射率，由此使质子交换介质柱阵列0501中每个质子交换介质柱的折射率均高于周围未经质子交换法交换的铌酸锂薄膜波导层相应区域的折射率，本实施例中质子交换介质柱阵列的折射率均比周围未交换区域的折射率高约0.1。
由于质子交换介质柱阵列0501也是采用质子交换法成型的，因此在采用质子交换工艺向铌酸锂薄膜波导芯层03成型起偏单元04的同时，可同步成型隔离单元05中的质子交换介质柱阵列0501。
本实施例中，每个隔离单元05中，质子交换介质柱阵列0501中的质子交换介质柱具有比周围未交换的铌酸锂薄膜波导芯层区域的折射率高约0.1的高折射率，由此每个隔离单元05中的质子交换介质柱形阵列0501形成折射率周期排布的类光子晶体结构。当串扰光进入到每个隔离单元05的质子交换介质柱阵列0501区域时，会在类光子晶体结构的质子交换介质柱形阵列0501中发生多次反射。而每个隔离单元05的金属电极0502接地，接地的金属电极0502会对附近的反射光产生强烈的电吸收，由此使每个隔离单元在所在位置形成光信号隔离。
如图5所示，本实施例应用于三轴光纤陀螺用集成芯片时，将本实施例所述的光引擎三个组合一体，由此构成三轴光纤陀螺用集成芯片。形成的三轴光纤陀螺用集成芯片中具有三组多模干涉器06、三组并行分布的起偏单元04，其中三组多模干涉器06的多模干涉区呈并行分布，三组多模干涉器06的干涉光输出波导呈并行分布，三组并行分布的多模干涉器06的输入波导呈从内向外的多圈分布。为了防止串扰光影响，在相邻起偏单元04之间（图5中A、B位置）、最外侧起偏单元04的外侧（图5中C、D位置）分别设置隔离单元05，其中相邻起偏单元04之间共用隔离单元（即图5中A、B位置的隔离单元）进行隔离，最外侧起偏单元的外侧单独通过隔离单元（即图5中C、D位置的隔离单元）隔离，由此通过隔离单元在每个起偏单元04周围形成对串扰光信号的隔离。并且，每个多模干涉器06的干涉光输出波导弯曲段内弧侧（图5中E、F、G位置）、每个多模干涉器06的输入波导弯曲段内弧侧位置（图5中H、I、J位置）分别设置隔离单元05，其中内外圈相邻的输入波导之间共用隔离单元（即图5中I、J位置的隔离单元），而最外圈的输入波导（即内弧侧有J位置隔离单元的输入波导）的弯曲段外弧侧由于没有其他器件因此可省略隔离单元，由此通过隔离单元在多模干涉器05的输入波导、干涉光输出波导弯曲段周围形成对串扰光信号的隔离。
本实施例可有效防止串扰光对三轴光纤陀螺用集成芯片形成干扰，提高三轴光纤陀螺用集成芯片的偏振消光比，进而提高三轴光纤陀螺用集成芯片的精度。
本实施例采用lumerical软件进行大量仿真，可得到每个隔离单元05中质子交换介质柱阵列的具体结构参数。如图4所示，质子交换介质柱阵列0501中的每个质子交换介质柱半径r为1um，相邻质子交换介质柱间距为2.2um，在该参数结构下，该隔离单元05对于泄漏光的隔离效果最佳。在三轴光纤陀螺用集成芯片中每个隔离单元的质子交换介质柱的参数结构也可由lumerical软件仿真得到。
本实施例制备方法如图8所示，过程为：首先在铌酸锂薄膜波导芯层上制备起偏单元和隔离单元的质子交换介质柱阵列；然后采用ICP刻蚀工艺在铌酸锂薄膜波导芯层上制备多模干涉器；接着采用ICP刻蚀工艺在铌酸锂薄膜波导芯层上制备模斑转换器；再然后利用电镀工艺在铌酸锂薄膜波导芯层上制备行波电极以及隔离单元的金属电极；最后利用化学机械抛光（CMP）对芯片端面抛光。
综上，本实施例薄膜铌酸锂集成化光引擎，第一方面通过质子交换与脊波导相结合的方案，发挥各自的优势，将起偏、耦合、分束、相位调制等功能集成化，大大缩小了器件的尺寸，降低成本，适合更多应用场景；第二方面质子交换与输入光纤模场大小类似，输入光纤与芯片的耦合损耗很低，并且脊波导与输出光纤增加了模斑转换结构，总体耦合损耗＜1dB,***损耗＜3dB； 第三方面光信号的耦合输入与输出位于芯片同侧，可用光纤阵列组件(FA)实现输入端与输出端的同时耦合，简化工艺流程，减小芯片尺寸,同时确保精度；第四方面使用的隔离单元中类光子晶体结构的质子交换介质柱阵列配合金属电极对泄漏光进行隔离，可有效防止邻近通道间的信号串扰。
采用质子交换工艺制备制作质子交换波导时，可同步完成隔离单元中类光子晶体结构的质子交换介质柱阵列的制备，不用增加铌酸锂的深刻蚀步骤，可有效实施在质子交换和脊波导集成化方案中。在三轴光纤陀螺集成化芯片中，可有效减小多路信号串扰（低于-25 dB），同时显著提高消光比（大于40 dB）。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，这种组合只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内以及不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，包括从下至上依次层叠的衬底、下包层和铌酸锂薄膜波导芯层，所述铌酸锂薄膜波导芯层成型有波导形式的起偏单元、多模干涉器，其中多模干涉器包括多模干涉区以及连接于多模干涉区一侧的分束光输出波导、连接于多模干涉区另一侧的输入波导和干涉光输出波导，所述起偏单元的始端设于铌酸锂薄膜波导芯层一侧，所述多模干涉器的输入波导与起偏单元末端连接，铌酸锂薄膜波导芯层还设有相位调制单元，相位调制单元用于调制多模干涉器中分束光输出波导输出的分束光信号，其特征在于，所述铌酸锂薄膜波导芯层对应于起偏单元起始段周围位置、弯曲半径小于100um的波导弯曲段周围位置分别设有隔离单元，每个隔离单元包括通过质子交换法成型于铌酸锂薄膜波导芯层中的质子交换介质柱阵列，以及设于铌酸锂薄膜波导芯层表面对应质子交换介质柱阵列位置的电极；所述质子交换介质柱阵列中每个质子交换介质柱的折射率均高于周围未经质子交换法交换的铌酸锂薄膜波导芯层相应区域的折射率，由每个隔离单元中的质子交换介质柱阵列在所在位置对串扰光反射，每个隔离单元中的电极接地，由电极对对应位置质子交换介质柱阵列形成的反射光进行电吸收，由此使每个隔离单元在所在位置形成光信号隔离。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述起偏单元为成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的质子交换波导。
3.根据权利要求2所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述质子交换波导用于连接多模干涉器中输入波导的末端宽度渐变收窄。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述相位调制单元包括若干行波电极，各个行波电极与多模干涉器的分束光输出波导在铌酸锂薄膜波导芯层上形成共面波导推挽结构。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述铌酸锂薄膜波导芯层还成型有脊波导形式的模斑转换器，所述多模干涉器的分束光输出波导通过模斑转换器对外耦合输出分束光信号。
6.根据权利要求5所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述模斑转换器包括双层锥形渐变波导和连接双层锥形渐变波导锥顶的直波导，所述多模干涉器的分束光输出波导连接双层锥形渐变波导的锥底。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述隔离单元的质子交换介质柱阵列中，每个质子交换介质柱均是通过质子交换法使相应位置铌酸锂薄膜波导芯层的铌酸锂晶体与质子源进行离子交换后得到的。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述多模干涉器为成型于铌酸锂薄膜波导芯层上的脊波导。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，所述多模干涉器为2×2多模干涉器，且多模干涉器的分光比为1:1。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种薄膜铌酸锂集成化光引擎，其特征在于，以起偏单元始端所在的铌酸锂薄膜波导芯层一侧作为信号耦合侧，所述多模干涉器的输入波导弯曲后与起偏单元的末端连接，所述多模干涉器的分束光输出波导延伸至所述信号耦合侧对外耦合，所述多模干涉器的干涉光输出波导弯曲后延伸至所述信号耦合侧对外耦合，由此使光信号的耦合输入、输出均位于铌酸锂薄膜波导芯层的同一侧。
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