一种Y波导芯片集成结构及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种Y波导芯片集成结构及其制备方法、应用。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的惯性导航光纤传感器，其应用领域不断扩展，技术不断成熟和进步，产品可靠性也逐步提升。当前，光纤陀螺主要是向高精度、高可靠性的方向发展。光纤陀螺的光路部分由宽谱光源、耦合器、铌酸锂集成光学器件、光纤环和接收组件五大光学器件组成。其中，铌酸锂集成光学器件是影响光纤陀螺性能的关键。

铌酸锂集成光学相位调制器（Y波导调制器）在干涉式闭环光纤陀螺中发挥着分束/合束、起偏/检偏及相位调制的作用，其性能直接决定了光纤陀螺系统的零偏稳定性、偏振噪声、标度因数以及温度性能等。

Y波导调制器主要由芯片、光纤、管壳组成。Y波导调制器的芯片一般通过质子交换法形成波导。质子交换波导具有天然的偏振性，所以质子交换波导可以实现起偏/检偏。但在非大气条件下，质子交换波导会发生“离子迁移”现象，导致相位调制失效。因此现有技术的Y波导调制器一般在非真空中使用，否则相位调制会失效。

发明内容

有鉴于此，为了解决Y波导调制器在非大气条件下调制失效问题，本发明的主要目的在于提供一种采用质子交换波导与钛扩散波导拼接的Y波导芯片集成结构及其制备方法、应用。

为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种Y波导芯片集成结构，包括锂源基底及在所述基底上设置的Y波导、调制电极；所述Y波导包括相互拼接的质子交换波导和钛扩散波导，所述调制电极设置在钛扩散波导的周围。

进一步地，所述Y波导包括公共质子交换波导及在公共质子交换波导的端部延伸出的Y型分支质子交换波导，所述Y型分支质子交换波导的另一端还依次拼接有条形分支钛扩散波导及条形分支质子交换波导。

进一步地，在Y型分支质子交换波导的Y型开口的两端均设置条形分支钛扩散波导及条形分支质子交换波导，每个条形分支钛扩散波导的周围对称设置调制电极。

进一步地，各个条形分支钛扩散波导之间平行设置，各个条形分支质子交换波导之间平行设置，各个调制电极之间平行设置；所述条形分支钛扩散波导与公共质子交换波导之间平行设置，所述条形分支质子交换波导与公共质子交换波导之间平行设置。

进一步地，所述基底为铌酸锂晶体。

本发明第二方面提供了如上所述的Y波导芯片集成结构的制作方法，包括如下步骤：

1）在锂源基底表面蒸镀钛膜，在钛膜表面刻蚀出与条形分支钛扩散波导对应的图形，在高温及氧气的气氛下，将钛扩散进基底表面，形成相位调制波导；

2）在经步骤1）处理后的基底表面沉积惰性非金属薄膜，在所述薄膜表面刻蚀出与公共质子交换波导、Y型分支质子交换波导及条形分支质子交换波导分别对应的图形，并将经前述步骤处理后的基底置于提供氢离子的有机酸中，进行质子交换形成起偏/检偏波导，以及，在高温及氧气的气氛下，退火恢复基底的光电系数；

3）在经步骤2）处理后的基底表面蒸镀金膜，在金膜表面刻蚀出与调制电极对应的图形。

进一步地，所述步骤1）中，钛膜厚度为50～100nm，刻蚀成形的图形宽度为5～7µm。

进一步地，所述步骤1）中，扩散温度为900～1100℃，扩散时间为5～10h，钛扩散深度约2～3µm。

进一步地，所述步骤2）中，所述惰性非金属薄膜优选为二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度为100～200nm，刻蚀成形的图形宽度为5～7µm。

进一步地，所述步骤2）中，所述提供氢离子的有机酸选自苯甲酸、苹果酸、酒石酸的溶液中的一种或多种，质子交换温度为150～250℃，质子交换时间为4h～5h，质子交换深度约2～3µm。

进一步地，所述步骤2）中，退火温度为300～400℃，时间为3h～6h。

进一步地，所述步骤3）中，金膜厚度50～100nm。

进一步地，所述步骤3）中还包括将调制电极对应的图形加厚的步骤，优选地，加厚方式为电镀，加厚的图形厚度为0.5µm～2µm。

本发明第三方面提供了如上所述的Y波导芯片集成结构在Y波导调制器中的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的Y波导集成结构，包括锂源基底及在所述基底上设置的Y波导、调制电极；所述Y波导包括相互拼接的质子交换波导和钛扩散波导，所述调制电极对称设置在钛扩散波导两侧。质子交换波导具有天然的偏振性，因此本发明的质子交换波导可以实现起偏/检偏，在非大气条件下，质子交换波导会发生“离子迁移”现象，导致相位调制失效，而本发明还设置了钛扩散波导，其可作为相位调制波导，解决了现有Y波导调制器在非大气条件下调制失效问题。

本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明示例的一种Y波导芯片集成结构示意图。

图2为本发明示例的一种Y波导芯片集成结构的制作方法流程图。

标记说明：基底10，Y波导20，调制电极30，公共质子交换波导21，Y型分支质子交换波导22，条形分支钛扩散波导23，条形分支质子交换波导24。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

本发明提供一种Y波导芯片集成结构，如图1所示，包括锂源基底10及在所述基底上设置的Y波导20、调制电极30；所述Y波导20包括相互拼接的质子交换波导和钛扩散波导，所述调制电极对称设置在钛扩散波导的周围。

在一些示例中，所述Y波导的具体结构包括公共质子交换波导21及在公共质子交换波导的端部延伸出的Y型分支质子交换波导22，所述Y型分支质子交换波导22的另一端还依次拼接有条形分支钛扩散波导23及条形分支质子交换波导24。

可以理解的是，除图1所示结构外，本发明的Y波导中的Y型分支质子交换波导22的具体样式可做变换，例如在其它示例中可选用直接转向型对称Y分支、S型弯曲对称Y分支等。

在一些示例中，所述条形分支钛扩散波导23及条形分支质子交换波导24分别有两个，两个条形分支钛扩散波导23分别对应设置在Y型分支质子交换波导22的Y型开口的两端，每个条形分支钛扩散波导23的另一端再拼接条形分支质子交换波导24。

较佳地，每个条形钛扩散波导23的两侧均对称设置多个调制电极，调制电极间形成电场，以进行相位调制，例如图1所示的上下两侧，共4个调制电极。

较佳地，各个条形分支钛扩散波导23之间平行设置，各个条形分支质子交换波导24之间平行设置，各个调制电极30之间平行设置。

较佳地，所述条形分支钛扩散波导23与公共质子交换波导21平行设置，所述条形分支质子交换波导24与公共质子交换波导21平行设置。

在一些示例中，所述锂源基底为铌酸锂晶体。

如图2所示，本发明还提供了如上所述的Y波导芯片集成结构的制作方法，包括如下步骤：

1）在锂源基底表面蒸镀钛膜，在钛膜表面刻蚀出与条形分支钛扩散波导对应的图形，在高温及氧气的气氛下，将钛扩散进基底表面，形成相位调制波导；

2）在经步骤1）处理后的基底表面沉积惰性非金属薄膜，在薄膜表面刻蚀出与公共质子交换波导、Y型分支质子交换波导及条形分支质子交换波导分别对应的图形，并将经前述步骤处理后的基底置于提供氢离子的有机酸中，进行质子交换形成起偏/检偏波导，以及，在高温及氧气的气氛下，退火恢复基底的光电系数；

3）在经步骤2）处理后的基底表面蒸镀金膜，在金膜表面刻蚀出与调制电极对应的图形。

较佳地，所述步骤1）中，钛膜厚度为50～100nm，例如50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或该范围内的其它值；刻蚀成形的图形宽度为5～7µm，例如5µm、6µm、7µm或该范围内的其它值。

较佳地，所述步骤1）中，扩散温度为900～1100℃，例如900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃或该范围内的其它值；扩散时间为5～10h，例如5h、6h、7h、8h、9h、10h等，钛扩散深度约2～3µm，例如2µm、2.5µm、3µm或该范围内的其它值。

较佳地，所述步骤2）中，所述惰性非金属薄膜优选为二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度为100～200nm，例如100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm或该范围内的其它值；刻蚀成形的图形宽度为5～7µm，例如5µm、6µm、7µm或该范围内的其它值。

较佳地，所述步骤2）中，所述提供氢离子的有机酸选自苯甲酸、苹果酸、酒石酸的溶液，以提供H

较佳地，所述步骤2）中，退火温度为300～400℃，例如300℃、350℃、400℃，时间为3h～6h，例如3h、4h、5h、6h等。

经本发明步骤1）和步骤2）中各参数的优化设置，例如钛膜厚度，钛图形宽度，扩散温度及扩散时间；二氧化硅图形宽度；质子交换温度及时间；退火温度及时间等参数之间的相互配合，能够使得形成的钛扩散波导模场与质子交换波导模场一致，光损耗小，波导模式单一为单模。

较佳地，所述步骤3）中，金膜厚度50～100nm，例如50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。

较佳地，所述步骤3）中还包括将调制电极对应的图形加厚的步骤，在一些示例中，加厚方式采用电镀，加厚的图形厚度为0.5µm～2µm，例如0.5µm、1µm、1.5µm、2µm等。

本发明中，步骤1）-3）中涉及的刻蚀可采用本领域的光刻工艺。

如图2所示，本发明实施例的制作方法按步骤1）、2）、3）的顺序依次实施，先制作钛扩散波导后制作质子交换波导。

本发明还提供了如上所述的Y波导芯片集成结构在Y波导调制器中的应用，应用可达到如下效果：芯片损耗＜3.5dB，半波电压＜3.5V，波形斜度＜1/250，残余强度调制＜0.5‰，芯片消光比＞60dB，背向光反射＜-60dB。

本领域的Y波导调制器主要由芯片、光纤、管壳组成。

a)芯片起分束/合束、起偏/检偏及相位调制的作用，是Y波导的核心部分，本发明所述的Y波导芯片集成结构作为芯片。

b)光纤主要起光信号的输入/输出作用，与本发明实施例Y波导芯片集成结构的端部相连，例如光纤输入端与公共质子交换波导21相连，光纤输出端与条形分支质子交换波导24相连。

c)管壳主要用来把芯片封装在其内，对芯片提供保护以及提供芯片和外部电路的电连接。同时，管壳还提供Y波导调制器产品的固定方式。

以下通过实施例对本发明的Y波导芯片集成结构及其制备方法进行说明。

实施例1

钛扩散波导制作

a)在铌酸锂晶体表面蒸镀88nm的钛膜；

b)在钛膜表面光刻出波导图形，钛膜条宽度为6.5µm；

c)在高温及氧气的气氛下，将钛扩散进铌酸锂表面，形成相位调制波导。扩散温度为1000℃，扩散时间为8h，钛扩散深度约2.5µm；

质子交换波导制作

a)在铌酸锂晶体表面淀积120nm的二氧化硅薄膜；

b)在二氧化硅表面光刻出波导图形，与钛扩散波导完美拼接，波导宽度为6.5µm；

c)在苯甲酸溶液中，质子交换形成起偏/检偏波导。交换温度为240℃，时间为4.5h，质子交换深度约2.5µm；

d)在高温及氧气的气氛下，退火恢复铌酸锂的光电系数。退火温度为350℃，时间为5h；

调制电极制作

a)在铌酸锂晶体表面蒸镀75nm金膜；

b)在金膜表面光刻出调制电极图形；

c)将调制电极加厚到1µm。

实施例2

钛扩散波导制作

a)在铌酸锂晶体表面蒸镀75nm的钛膜；

b)在钛膜表面光刻出波导图形，钛膜条宽度为5.5µm；

c)在高温及氧气的气氛下，将钛扩散进铌酸锂表面，形成相位调制波导。扩散温度为900℃，扩散时间为10h，钛扩散深度约2µm；

质子交换波导制作

a)在铌酸锂晶体表面淀积100nm的二氧化硅薄膜；

b)在二氧化硅表面光刻出波导图形，与钛扩散波导完美拼接，波导宽度为5.5µm；

c)在苯甲酸溶液中，质子交换形成起偏/检偏波导。交换温度为240℃，时间为4h，质子交换深度约2µm；

d)在高温及氧气的气氛下，退火恢复铌酸锂的光电系数。退火温度为300℃，时间为6h；

调制电极制作

a)在铌酸锂晶体表面蒸镀50nm金膜；

b)在金膜表面光刻出调制电极图形；

c)将调制电极加厚到0.5µm。

包含本实施例1的Y波导芯片集成结构的Y波导调制器在非大气条件（真空试验环境）中使用时，经检测，效果如下：芯片a：损耗3.25dB，半波电压3.066V，波形斜度1/274，残余强度0.24‰，芯片消光比65dB，背向光反射-71.2dB。

芯片b：损耗3.40dB，半波电压3.065V，波形斜度1/311，残余强度0.11‰，芯片消光比64dB，背向光反射-71.5dB。其中，芯片a与芯片b是按实施例1工艺制作的Y波导芯片。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的精神范围之内。