張 輝，譚鵬立，蔣軍彪，李 曉，陳 瑤，梁銘珊

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

微光學(xué)陀螺(MOG)是一種利用波導(dǎo)環(huán)感測角速度引起的Sagnac效應(yīng)的新型陀螺儀,其目標(biāo)是采用先進(jìn)的集成光學(xué)技術(shù),將敏感環(huán)或諧振腔、分束器、耦合器、調(diào)制器、光源及探測器等光學(xué)功能器件集成為一個芯片級角速度傳感器。MOG以其全固態(tài)、集成化、低成本、批量化、抗振動沖擊及抗電磁干擾等特點(diǎn),展現(xiàn)出了比MEMS更堅固、更可靠,比傳統(tǒng)光學(xué)陀螺儀體積更小、價格更便宜的優(yōu)勢,已經(jīng)成為國內(nèi)外光學(xué)慣性傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

迄今為止,國內(nèi)外研究人員分別從技術(shù)方案、材料、工藝等方面開展了卓有成效的工作,陸續(xù)提出了多種微光學(xué)陀螺技術(shù)方案,主要包括干涉型微光學(xué)陀螺(IMOG)[1-4]、諧振型微光學(xué)陀螺(RMOG)[5-9]和布里淵微光學(xué)陀螺(BMOG)[10-13]3類。每一類的具體方案更是多種多樣,其中,部分科研團(tuán)隊基于傳統(tǒng)激光陀螺方案和光纖陀螺方案提出了基本型[1,5]方案,更多的團(tuán)隊充分利用了微型化波導(dǎo)環(huán)的相關(guān)優(yōu)勢,提出了基于模式輔助集成陀螺模型[2]、基于“互易性”靈敏度增強(qiáng)型陀螺模型[4]等IMOG方案,還提出了螺旋線型諧振腔模型[8]、跑道型超高Q值微腔模型、基于馬赫-曾德爾調(diào)制器等RMOG方案[9],以及基于受激布里淵激光諧振腔的BMOG[10]方案。

超低傳播損耗的波導(dǎo)環(huán)或諧振腔的研究是各國研究團(tuán)隊的主攻方向,新的方案和新的材料和工藝不斷涌現(xiàn)[15-20]。常用于制備MOG平面波導(dǎo)環(huán)有絕緣體上硅(Silicon on insulator,SOI)、III-V族半導(dǎo)體材料(如砷化鎵GaAs、磷化銦InP等)、聚合物、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3,LN)和氟化鈣(CaF2)等幾種材料。法國Thales公司的Gilles等[21-22]從傳播損耗和非線性折射率兩個維度進(jìn)行考慮,如表1所示。認(rèn)為基于Si3N4,SiO2和CaF23種材料更加適合制備戰(zhàn)術(shù)級和中精度RMOG。但是,從工藝兼容性和加工成本兩個維度考慮,基于SOI材料的平面波導(dǎo)環(huán)的加工,不僅適用于光子集成電路(photonic integrated circuit,PIC)工藝,而且還兼容CMOS工藝,因此,與其他材料相比,SOI材料具有較大的制造成本和集成度優(yōu)勢[3]。

表1 6種不同材料的傳播損耗α和非線性折射率n2[13,23]Table 1 Propagation loss and nonlinear refractive index of six different materials

現(xiàn)階段MOG樣機(jī)多用分立器件搭建,各器件之間通過光纖耦合。盡管這是MOG研制過程中必然要經(jīng)歷的階段,但器件間的耦合不可避免引入端面反射、耦合損耗以及由于對軸誤差引起的偏振噪聲等影響因素,既降低了MOG的性能,增加了成本,又不能實(shí)現(xiàn)微型化和集成化,更無法批量化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用。因此,科研人員在超低損耗波導(dǎo)制造、單片/混合集成等工藝技術(shù)方面做了大量工作。近年來,隨著半導(dǎo)體和通信行業(yè)的技術(shù)不斷進(jìn)步,以及多項目共享晶圓(MPW)代工平臺的共享機(jī)制不斷完善、制造工藝逐漸標(biāo)準(zhǔn)化,針對InP,Si和Si3N4等材料,PIC工藝技術(shù)在超低損耗平面波導(dǎo)環(huán)制備、有源磷化銦增益部分或光電二極管與Si或Si3N4無源波導(dǎo)環(huán)的異質(zhì)集成及封裝等方面取得了顯著的提高,具備了提高M(jìn)OG性能,降低成本的潛力。而針對晶體材料,基于回音壁模式(WGM)工藝技術(shù)加工的諧振腔具有超高Q值,如LN諧振腔的Q值可達(dá)到107量級,CaF2諧振腔的Q值可達(dá)到了1010量級[14]。由此可見,用該技術(shù)制備的小型諧振腔和陀螺儀的性能更好,獲得不少學(xué)者的推崇。但是,由于晶體材質(zhì)脆且硬、不易被腐蝕,傳統(tǒng)的光刻工藝并不適用,加工工藝中還包括金剛石拋光、飛秒激光加工以及錐形纖維耦合等技術(shù),因此,WGM技術(shù)并不能完全與MPW代工平臺兼容,這會延長制造流程,推高制造成本。

文中簡述了3種MOG的基本原理,詳細(xì)介紹了3類MOG的多種技術(shù)方案特點(diǎn),以及不同材料的高Q值波導(dǎo)環(huán)制備工藝、基于鈮酸鋰薄膜(LNTF)相位調(diào)制器的敏感環(huán)組件的集成技術(shù)、將耦合器、相位調(diào)制器、起偏器、隔離器、探測器和激光光源等器件進(jìn)行整體集成或部分集成的工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀,展望了MOG的發(fā)展前景。

1 MOG的工作原理

無論是IMOG、還是RMOG以及BMOG,所依據(jù)的原理均為Sagnac效應(yīng),不同的是IMOG與IFOG的工作原理相同,主要區(qū)別是IMOG的敏感元件采用平面波導(dǎo)環(huán),而IFOG的敏感元件采用的是光纖環(huán)。RMOG的概念來自于20世紀(jì)80年代初開始研究的諧振光纖陀螺(RFOG),主要區(qū)別是RMOG的敏感元件采用的是波導(dǎo)諧振腔,而RFOG的敏感元件采用的是傳統(tǒng)光纖環(huán)。BMOG的構(gòu)成與RMOG相似,其敏感元件皆為波導(dǎo)諧振腔,不同之處在于RMOG的諧振腔為無源腔,BMOG的諧振腔為有源腔,這點(diǎn)與LG相同,LG的諧振腔采用的是氦氖激光,BMOG采用的是布里淵激光器。

IMOG主要由驅(qū)動模塊[20]以及無源敏感環(huán)路組成,其中驅(qū)動模塊包括除無源敏感環(huán)路以外的其他器件,如寬譜光源、隔離器、耦合器、Y波導(dǎo)、探測器等,如圖1所示。類似于光纖陀螺,光電探測器PD輸出的方波電流幅值在小范圍內(nèi)與正反兩束光的相位差Δφ近似成正比,通過檢測PD的輸出光電流信號,即可獲得載體的輸入角速度Ωi,其關(guān)系式為:

圖1 基于波導(dǎo)線圈的IMOG原理圖[1]Fig.1 Schematic diagram of IMOG based on waveguide coil

(1)

式中:L和R分別為波導(dǎo)環(huán)的長度和平均半徑;c為真空光速;λ為光波波長。

RMOG主要由可調(diào)諧激光器、隔離器、多功能集成光學(xué)調(diào)制器、耦合器、探測器、波導(dǎo)諧振腔及控制電路組成,如圖2所示[5]。類似于激光陀螺,通過檢測諧振環(huán)中的正反兩束光的頻率差,即可獲得載體的輸入角速度Ωi,其關(guān)系式可表示為:

圖2 透射式低損耗“單環(huán)”RMOG模型[5]Fig.2 Transmission low loss “single loop” RMOG model

(2)

式中:ne為波導(dǎo)有效折射率;D為波導(dǎo)諧振腔的直徑。

在BMOG中,旋轉(zhuǎn)靈敏度取決于相向傳播的光波的拍頻的線寬,而激光器的基本線寬對其性能至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的一種方法是利用布里淵散射過程,這是由泵浦光波Pump1與聲子Ωphonon相互作用產(chǎn)生的結(jié)果如圖3(a)所示。近期,芯片級的BMOG因其性能的穩(wěn)步提高而屢見報道。

圖3 基于微諧振器的BMOG的工作原理[24]Fig.3 The principle of BMOG based on microresonator

如圖3(b)所示,單泵浦激光器產(chǎn)生的相向傳播的泵浦光,通過光纖錐形波導(dǎo)耦合到Si基WGM諧振腔中,產(chǎn)生兩個受激布里淵激光器(SBLs),當(dāng)泵浦光功率超過一定量值時,SBLs產(chǎn)生兩束相向傳播的Stokes光。如果不考慮“鎖區(qū)”和色散的影響,兩束Stokes光的拍頻Δvs與輸入角速度Ωi成正比。如果考慮“鎖區(qū)”和色散的影響,則可利用PDH技術(shù)將其中一路泵浦光的頻率鎖定在WGM諧振腔的諧振頻率上,利用聲光調(diào)制器對另一路泵浦光的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),所形成的失諧頻率Δvp,類似于RLG的抖動偏頻,使得BMOG工作在出鎖狀態(tài)。如圖3(c)所示[12],通過布里淵增益,相向傳播的失諧泵浦光將導(dǎo)致兩個受激布里淵激光器產(chǎn)生失諧頻率Δvs:

(3)

式中:γ/2π為諧振腔線寬;Γ/2π為布里淵增益帶寬,D為WGM諧振腔直徑;ng為群折射率(不含布里淵增益);λ為波長;κ/2π為諧振腔內(nèi)與瑞利后向散射相關(guān)的耗散耦合率。式(3)詮釋了由角旋轉(zhuǎn)速率Ωi引起的Δvs的變化情況(CW被定義為正)。相對于Δvp=107Hz,Δvs在10 Hz以內(nèi),可以對式(3)線性化[12],得到校正后的Sagnac刻度因子S:

(4)

式中:D/λng為常規(guī)的Sagnac刻度因子;1/(1+γ/Γ)是一個小的布里淵誘導(dǎo)的模拉校正因子,該方案的優(yōu)點(diǎn)是讀出頻率Δvs較低,信號處理電路簡單。

2 微光學(xué)陀螺的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 幾種IMOG的技術(shù)特點(diǎn)

2019年,華中科技大學(xué)余宇等提出一種模式輔助干涉式集成波導(dǎo)陀螺結(jié)構(gòu)[2]如圖4所示。

圖4 模式輔助集成陀螺原理圖[2]Fig.4 Schematic diagram of mode-assisted integrated gyroscope

如圖4(a)所示,它由一個激光光源、兩個50∶50耦合器、兩個光電探測器(PD)和一個敏感組件組成,該敏感組件包括兩個相同的模式多路復(fù)用器(MUX)和一個多模波導(dǎo)環(huán),所有無源光學(xué)元件均集成在SOI平臺上。圖4(b)為模式輔助傳感元件的結(jié)構(gòu)框圖,綠色虛線框中是MUX的示意圖。從端口1注入的基橫模(TE0)傳播到端口3并保持不變,從端口2注入的TE0模式將在端口3轉(zhuǎn)換為一階橫模(TE1),在多模波導(dǎo)環(huán)中形成順時針傳播的TE0和逆時針傳播的TE1兩種模式的光波(文中定義為敏感元件)。同時,在多模波導(dǎo)線圈中還形成逆時針傳播的TE0和順時針傳播的TE1兩種模式的光波(文中定義為參考敏感元件)。兩種元件中的TE模式沿著相同的光路傳播,具有相同的相位誤差,但旋轉(zhuǎn)引起的相位變化具有方向性,兩種元件檢測到的信號是相反的。對敏感元件和參考敏感元件的檢測信號做差值,可以消除誤差并提取旋轉(zhuǎn)信號。仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)可檢測角速率達(dá)到0.64°/s,與傳統(tǒng)方案相比,該方案沒有集成相位調(diào)制器,降低了工藝的復(fù)雜度和制作難度,結(jié)構(gòu)面積僅為3. 85×10-3m2。

2018年,美國UCSB的Gundavarapu等利用3 m長的Si3N4超低損耗波導(dǎo)(ultra-low-loss waveguide,ULLW)的無源敏感環(huán)與集成化的前端芯片進(jìn)行耦合,搭建了IMOG樣機(jī),如圖5所示[3]。研究人員希望通過增加敏感環(huán)長度,采用可以降低光源RIN噪聲的調(diào)頻/調(diào)相激光器,降低波導(dǎo)傳播損耗等措施,提高陀螺的性能。

圖5 UCSB的完整多芯片IMOG示意圖[3]Fig.5 UCSB’s complete multi-chip IMOG schematic

2018年,美國加州理工學(xué)院Khial等提出一種具有互易靈敏度增強(qiáng)效果的諧振腔結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)面積僅有2 mm2,盡管尺寸是目前微型光纖陀螺儀的1/500,但相移的理論檢測靈敏度提高約30倍,對應(yīng)的陀螺性能整體可提升1～2個數(shù)量級。整個系統(tǒng)主要包括光源、MZI調(diào)制器、光電探測器以及諧振腔等組件,其中諧振腔由兩個環(huán)形腔及直波導(dǎo)組成,如圖6所示[4]。通過馬赫-曾德干涉儀(MZI)光開關(guān)功能,光波可以從兩個不同的方向(I和II)輸入環(huán)形諧振器,并在兩個PD之間輪流輸出。該陀螺技術(shù)方案的特色在于通過光開關(guān)以遠(yuǎn)高于熱波動的速率切換互易光路實(shí)現(xiàn)差分檢測,使穿過環(huán)形腔的光信號“極性”交替變化,進(jìn)而消除光路中以熱噪聲為主的共模噪聲,所形成的“互易性”提高了陀螺的靈敏度。這是一種集干涉式和諧振式兩種原理為一體的新型陀螺,2020年,Sayyid等[25]將該方案在中國申請了發(fā)明專利。

圖6 基于“互易性”靈敏度增強(qiáng)型陀螺模型[4]Fig.6 Sensitivity enhanced gyroscope model based on “reciprocity”

2.2 幾種RMOG的技術(shù)特點(diǎn)

研究人員的精力沒有過多地用在開發(fā)新的技術(shù)方案上,而是集中于高Q值低損耗環(huán)形諧振腔的設(shè)計和制造上[6]。SiO2透射諧振腔的損耗低;InP環(huán)諧振腔在單片集成方面的潛力大;Si3N4環(huán)形諧振腔具有比SiO2更低的損耗,較高的偏振強(qiáng)度消光比。另外,因晶體材料具有極低的傳播損耗,更適用于超高Q值的諧振腔。

圖7 InP基螺旋線型諧振腔及其陀螺模型[8]Fig.7 InP helical resonator and its gyro model

2016年,美國OEwaves Inc的Liang等利用WGM諧振腔技術(shù),制造了直徑為1 cm、厚度為0.2 mm的CaF2光學(xué)WGM諧振腔,其Q值達(dá)到了109,并搭建了陀螺原理樣機(jī),如圖8所示[14]。

圖8 采用WGM諧振腔(位于中心處)的陀螺樣機(jī)[14]Fig.8 Gyroscope with WGM resonator

2020年,浙江大學(xué)戴道鋅等提出了一種用于RMOG的新型波導(dǎo)諧振腔,該諧振腔基于均勻?qū)拵稣{(diào)控的超高Q跑道型微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu),由兩個彎曲波導(dǎo)與兩個多模直波導(dǎo)連接而成,結(jié)構(gòu)如圖9所示[7]。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了彎曲波導(dǎo)的單模耦合,并抑制了直線跑道的高階模。利用特殊的歐拉曲線型和彎曲定向耦合技術(shù)可顯著降低硅基跑道型微腔側(cè)壁散射損耗和模間耦合。微腔樣機(jī)的制作僅需要MPW代工平臺的一道標(biāo)準(zhǔn)的刻蝕工序就可完成,樣機(jī)的彎曲180°的有效半徑達(dá)到29 μm,自由光譜范圍為0.9 nm,Q值高達(dá)2.3×106,在Q>106的微腔中尺寸是最小的,是一種微型化的技術(shù)方案。

圖9 跑道型超高Q值微腔模型[7]Fig.9 Runway type ultra-high Q-value microcavity model

目前,絕大部分RMOG的工作原理都要求對無源環(huán)諧振器進(jìn)行掃頻,以確保與調(diào)頻激光光源同頻,而調(diào)頻激光器的尺寸為60～100 mm,制約了RMOG的微型化。2020年,俄羅斯圣彼得堡國立大學(xué)的Venediktov等提出了一種新的RMOG結(jié)構(gòu),如圖10所示[9]。該RMOG包括一個與無源環(huán)諧振器固有頻率同頻的恒頻激光光源、一個M-Z調(diào)制器、一個無源環(huán)諧振器、兩個探測器和一個相位調(diào)制器PM。M-Z調(diào)制器的一個臂直接耦合到無源環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)光信號的輸入/輸出;另一個臂包含相位調(diào)制器,用于調(diào)整干涉臂的光學(xué)長度。從M-Z調(diào)制器輸出光波PCW,out和PCCW,out通過DC耦合器分別送到光電探測器PD1和PD2。

圖10 基于馬赫-曾德爾調(diào)制器的RMOG方案[9]Fig.10 RMOG scheme based on Mach-Zender modulator

外界角速度的變化,不僅體現(xiàn)在輸出光信號的輻射功率的最大值和最小值的變化,而且會體現(xiàn)在輸出光信號的相位的最大值和最小值的變化。該方案相對簡潔,缺點(diǎn)是測量范圍小。如果要提高測量范圍,降低無源環(huán)諧振器的Q值是一條途徑,后果是靈敏度降低。

2.3 幾種BMOG的技術(shù)特點(diǎn)

BMOG中的Stokes光波階數(shù)與泵浦功率相關(guān)。如圖11所示。當(dāng)圓盤諧振器中的Pump1的泵浦功率增加到幾毫瓦時,就會激發(fā)三階的級聯(lián)布里淵Stokes光波(SBS),其中,反向泵浦光波和一階SBS相向傳播,一階SBS和二階SBS相向傳播,二階SBS和三階SBS相向傳播,可構(gòu)成三個受激布里淵激光諧振腔。對于直徑36 mm的圓盤諧振器而言,每個諧振腔的正反兩束光波的紅移約為11 GHz。利用光學(xué)濾波器可以選取其中一個受激布里淵激光諧振腔作為外界角速度敏感單元,角速度產(chǎn)生的頻差原理與RLG相同。由于提高泵浦光功率的能量,多用于激發(fā)更高級的SBS,提高了諧振腔中的布里淵散射和吸收損耗,并降低了敏感光功率,導(dǎo)致BMOG性能的下降。

圖11 Stokes光波與泵浦功率的關(guān)系[11]Fig.11 Relationship between stokes light waves and pump power

2020年,Honeywell公司的Nelson披露了基于SiO2/Si3N4波導(dǎo)體系的BMOG的最新進(jìn)展,如圖12所示,在1英寸見方的硅基上,集成了泵浦激光器、放大器、濾波器和探測器[10]。Nelson等通過光功率調(diào)節(jié)至5 mW,抑制了三階及以上的SBS,并基于直徑36 mm的SiO2/Si3N4基WGR,實(shí)現(xiàn)了0.06 dB/m的超低損耗[10]。

圖12 Honeywell的BMOG結(jié)構(gòu)圖[10]Fig.12 Honeywell’s BMOG structure diagram

圖13 美國加州理工學(xué)院的BMOG原理圖[12]Fig.13 BMOG schematic diagram from the Caltech

3 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

MOG能夠商用的前提除了功能性能滿足一定的要求外,其體積重量也必須具有與MEMS陀螺競爭的優(yōu)勢。

基于平面光波導(dǎo)的無源敏感環(huán)是IMOG的角速度敏感單元,傳播損耗和品質(zhì)因數(shù)是影響陀螺性能的重要因素。無源敏感環(huán)路的傳播損耗包括由材料吸收損耗、波導(dǎo)制造過程不理想產(chǎn)生的損耗,彎曲泄漏引起的彎曲損耗,相鄰波導(dǎo)環(huán)路的串?dāng)_以及端面耦合引起的耦合損耗。盡管常用于制備平面光波導(dǎo)的材料不同,材料本身的傳播損耗相差較大,但超低損耗平面無源敏感環(huán)路的基本要求大致為:傳播損耗α≤0.1 dB/m,品質(zhì)因數(shù)Q≥106。

超高Q值光波導(dǎo)諧振器不僅是RMOG和BMOG的關(guān)鍵組件,而且是超窄線寬激光器、光學(xué)原子鐘、量子通信和計算等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。目前,已經(jīng)研制成功Q值達(dá)63×108的WGM體式光學(xué)諧振腔、Q值達(dá)1×108的微晶體棒式諧振腔、Q值達(dá)1.1×108的片上蝕刻硅盤諧振腔,成為研制高精度RMOG、BMOG和全集成超窄線寬、超穩(wěn)定激光器的一個關(guān)鍵里程碑[26]。超高Q值光學(xué)諧振腔的基本要求大致為:傳播損耗α≤0.05 dB/m,品質(zhì)因數(shù)Q≥108。

3.1 超低損耗超高Q值波導(dǎo)敏感環(huán)及其制造技術(shù)

Si3N4波導(dǎo)具有低損耗以及高偏振消光比等特性。2018年,UCSB的Gundavarapu等[2]制作了3 m長、損耗約為0.8 dB/m的Si3N4波導(dǎo)無源敏感環(huán)圈,如圖14所示。主要工藝流程包括:在硅片上,采用濕熱氧化工藝生長15 μm的SiO2作為下包層;采用LPCVD沉積40 nm厚的Si3N4;采用接觸光刻和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)工藝制備7 μm×40 nm的波導(dǎo)芯體;采用PECVD沉積6 μm厚的SiO2上包層,以完成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖14 UCSB的Si3N4波導(dǎo)敏感環(huán)路[2]Fig.14 Si3N4 waveguide sensitive loop of UCSB

圖15 SiO2波導(dǎo)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖(a、b)和波導(dǎo)的橫截面(c)[1]Fig.15 Schematic diagram of the SiO2 waveguide ring structure (a,b) and the cross section of the waveguide(c)

高Q值諧振器是RMOG中的關(guān)鍵器件。由于SiO2透射式微環(huán)諧振器損耗低,InP微環(huán)諧振器單片集成潛力大,Si3N4諧振器具有比SiO2更低得損耗,和更高的偏振強(qiáng)度消光比,受到各國研究人員的關(guān)注。

2021年,北京信息科技大學(xué)孫道鑫等[6],借鑒互易性敏感單元雙微環(huán)諧振架構(gòu),如圖16所示,基于SOI材料和PIC工藝的MPW流片版圖,制備了互易敏感增強(qiáng)型雙微環(huán)架構(gòu)的光子集成諧振腔,并對半徑為500 μm的微環(huán)進(jìn)行了測試,結(jié)果表明,波導(dǎo)與微環(huán)的耦合系數(shù)為0.3,在工作波長1 550 nm附近,微環(huán)的自由光譜范圍為0.182 nm,3 dB帶寬為0.045 nm,精細(xì)度為4.04,品質(zhì)因子約為3.4×104。

圖16 基于SOI的雙微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.16 Schematic diagram of dual micro ring resonant cavity structure based on SOI

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所He小組[17]利用Si3N4波導(dǎo)和SiO2波導(dǎo)制備了WRR(waveguide ring resonator)。圖17(a)為Si3N4波導(dǎo)的截面圖,Si3N4波導(dǎo)的有效折射率為1.468。主要工藝流程包括:采用LPCVD工藝在SiO2襯底上沉積約60 nm厚的Si3N4薄膜;采用RIE對Si3N4膜進(jìn)行蝕刻,以確定波導(dǎo)芯體的寬度;采用PECVD沉積約3 μm的SiO2上包層;通過摻雜硼和磷,使包層的折射率等于襯底的折射率。圖17(b)為SiO2波導(dǎo)的截面圖,SiO2波導(dǎo)的有效折射率為1.455。主要工藝流程包括:在厚度0.5 mm的6英寸硅片上,采用PECVD沉積13 μm的SiO2作為下包層;采用PECVD沉積6 μm厚的摻鍺SiO2;采用接觸光刻和RIE工藝制備波導(dǎo)芯體;采用PECVD沉積16 μm厚的SiO2,以完成波導(dǎo)結(jié)構(gòu);最后,將晶片切成單個WRR芯片,且在WRR芯片的兩端粘接兩段耦合光纖。

圖17 氮化硅波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的截面圖[17]Fig.17 SiO2 waveguide Sectional drawing of SiO2 waveguide

2020年,UCSB的Liu等[26]成功研制了一種Q值超1×108的Si3N4集成全波導(dǎo)諧振器,它包括一個基于TM引導(dǎo)模式的母線耦合器和一個Si3N4諧振器,圖18為波導(dǎo)的橫截面圖。諧振器的Si3N4波導(dǎo)芯體的橫截面為大寬高比的長方形為11 μm×80 nm,半徑為11.787 mm,母線環(huán)耦合間隙為6.898 μm,它是一個多模波導(dǎo),波導(dǎo)頂部和底部粗糙度引起的散射損耗對TM模式的傳播損耗的影響比TE模式小。TM模式傳播的氮化硅波導(dǎo)損耗為0.034 dB/m,Q值達(dá)7.2×108。

圖18 TM模式傳播的Si3N4諧振器波導(dǎo)截面圖[26]Fig.18 Cross section of Si3N4 resonator waveguide for TM mode propagation

InP材料作為寬禁帶半導(dǎo)體材料,在高速、高頻有源集成光子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。InP基光子集成工藝技術(shù)比較復(fù)雜,包括有源和無源的多層結(jié)構(gòu)的外延生長、波導(dǎo)蝕刻、鈍化/平面化和金屬化。目前只有歐洲兩家機(jī)構(gòu)提供流片服務(wù)。

2015年,荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的Ciminelli等完成了InP基的諧振腔的研制,如圖19所示。該諧振腔包括螺旋線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振器、位于直總線波導(dǎo)兩端的兩個模式濾波器。環(huán)形諧振器長度為60 mm,面積3×4.2 mm2,螺旋波導(dǎo)線圈的間距約25 μm,避免了波導(dǎo)線圈間的耦合。在環(huán)內(nèi)放置了一個由1個多模干涉(MMI)耦合器組成的一階模式濾波器。模式濾波器進(jìn)一步增加了往返損耗,從而增加了波導(dǎo)的傳播損耗、彎曲引起的輻射損耗、波導(dǎo)結(jié)處引起的反射和MMI插入損耗。

圖19 InP基螺旋線型諧振腔[8]Fig.19 InP spiral resonant cavity

有機(jī)聚合物材料的非線性效應(yīng)強(qiáng)、性能可分子尺度調(diào)控,且制備工藝靈活,具有實(shí)現(xiàn)單片集成化、低成本、低功耗、高性能的集成光學(xué)陀螺的潛質(zhì)。應(yīng)用比較廣泛的聚合物波導(dǎo)材料主要包括丙烯酸甲酯類、環(huán)氧樹脂類、聚硅氧烷和氟化聚酸亞胺等。東南大學(xué)的唐杰開展了基于氟化聚合物的諧振腔研究,諧振腔的傳輸損耗為11.8 dB/m,Q值超過1×106(R≥1 cm時),其結(jié)構(gòu)如圖20所示,主要工藝流程包括:利用高速旋轉(zhuǎn)(500～3 000 r/min)和熱板上烘烤(110 ℃)等工藝,在硅片表面旋涂一層粘合層;利用高速旋轉(zhuǎn)(500～1 000 r/min)、紫外曝光固化和熱板上烘烤(200 ℃)等工藝,在粘合層上分兩次旋涂一層約10 μm厚的聚合物下包層;利用高速旋轉(zhuǎn)(500～1 600 r/min)、紫外曝光固化等工藝,在下包層上旋涂一層約4 μm厚的聚合物芯層;利用電子束蒸鍍工藝,在聚合物芯層之上制備一層厚度為80 nm的鋁膜,作為后續(xù)刻蝕工藝的掩膜層;利用紫外光刻和反應(yīng)離子刻蝕機(jī)對聚合物芯體進(jìn)行刻蝕,制備4×4 μm2的芯體結(jié)構(gòu);旋涂聚合物上包層,其工藝過程與下包層相同[23]。

圖20 聚合物光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.20 Schematic diagram of polymer optical waveguide ring resonator

回音壁模式(WGM)光學(xué)諧振腔具有超高的品質(zhì)因數(shù)、極小的模式體積,以及極易被激發(fā)的受激布里淵散射效應(yīng),故常被BMOG廣泛采用。

2015年,中北大學(xué)的閆樹斌等[27]針對集成光學(xué)陀螺中核心敏感單元難以同時實(shí)現(xiàn)集成化和高靈敏度問題,提出了硅基氧化硅WGM諧振腔的制作方案。運(yùn)用MEMS工藝,制作出直徑達(dá)1.5 cm、楔角22°的諧振腔;其品質(zhì)因數(shù)Q為2×106,理論分析采用該諧振腔的陀螺極限靈敏度可達(dá)6°/h。

硅基氧化硅楔形腔制作工藝流程如圖21所示,主要包括:熱氧化法在拋光硅片上生成SiO2層,厚度約為10 μm;涂膠、光刻;采用BOE緩沖液(NH4F∶HF=5∶1)對SiO2層進(jìn)行刻蝕;清洗光刻膠;采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕方法刻蝕硅柱,反應(yīng)氣體為純SF6,所得硅柱高度為150～200 μm。

圖21 硅基氧化硅WGM諧振腔制作工藝流程[27]Fig.21 Production process of silicon based silicon oxide WGM resonator

圖22 LN的WGM諧振器的工藝流程圖和結(jié)構(gòu)示意圖[28]Fig.22 Structure diagram and process flow diagram of LN’s WGM resonator

2020年,西安交通大學(xué)的楊柳等[28]從特性參數(shù)、材料選擇、光耦合、形狀、應(yīng)用等幾個方面對當(dāng)前各國學(xué)者在WGM諧振腔方面的研究情況進(jìn)行了匯總和總結(jié)。晶體材料制作的WGM諧振腔的Q值非常高,比如LN的Q值在107量級,CaF2的Q值在1010量級。但是它的制備工藝主要包括:飛秒激光直寫、聚焦離子束銑削技術(shù)(FIB)、準(zhǔn)分子激光燒蝕技術(shù)等,缺點(diǎn)是周期比較長、成本高。所以如何在保證Q值的情況下縮短制備周期以及降低成本是未來需要解決的難題。

3.2 集成功能組件及其制造技術(shù)

鈮酸鋰薄膜(LNTF)性能的提高為高性能相位調(diào)制器與平面波導(dǎo)的集成提供了可能性。鈮酸鋰薄膜相位調(diào)制器不僅可以完成常規(guī)鈮酸鋰調(diào)制器的功能,還可以減小器件的尺寸,降低工作電壓和成本,并實(shí)現(xiàn)與Si基材料的集成。

2017年,UCSB提出了LN薄膜與Si3N4的異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)[29]。由于Si3N4與LN折射率相近,能量在Si3N4和LN層的分布與Si3N4條的寬度有關(guān),改變Si3N4條的寬度可以實(shí)現(xiàn)能量的層間耦合,具體結(jié)構(gòu)如圖23所示。最終實(shí)現(xiàn)了1 cm長的異質(zhì)集成波導(dǎo),在C波段下?lián)p耗約為2 dB。

圖23 基于LN薄膜與Si3N4的異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)[29]Fig.23 Heterogeneous integrated structure based on LN thin film and Si3N4

2019年,北京航空航天大學(xué)基于干涉式集成光學(xué)陀螺對于Y波導(dǎo)單模低損傳輸以及起偏性能的要求,利用Si3N4雙層錐體層間耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Si3N4與LN波導(dǎo)光學(xué)層間耦合[4],如圖24所示,層間耦合器從下到上的結(jié)構(gòu)為絕緣體基板上的鈮酸鋰(LNOI)襯底和氮化硅雙層錐度。通過在LN波導(dǎo)的兩側(cè)鍍金,實(shí)現(xiàn)其調(diào)制功能。依據(jù)LN波導(dǎo)的偏振強(qiáng)度消光比與鈮酸鋰薄膜(LNTF)厚度的關(guān)系,當(dāng)LNTF厚度為0.2 μm時,LN波導(dǎo)的偏振強(qiáng)度消光比最佳,達(dá)到85.6 dB/mm。為最大限度地提高LNTF層的光功率,在層間耦合器起始處,氮化硅的寬度0.9 μm,厚度0.1 μm。在耦合器末端,寬度0.9 μm、厚度0.9 μm。層間耦合長度約110 μm,耦合效率接近99%。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低損耗耦合,具有提高IMOG驅(qū)動模塊性能的潛力。

圖24 LN薄膜與Si3N4異質(zhì)集成方案Fig.24 The heterogeneous integration of LN thin film and Si3N4

2021年,黑龍江工業(yè)學(xué)院史云玲等[30]提出的一種二氧化硅波導(dǎo)與鈮酸鋰薄膜垂直耦合的諧振式集成光學(xué)陀螺獲得了授權(quán)。專利中的集成敏感環(huán)組件包括如圖25所示。該組件可將鈮酸鋰薄膜光學(xué)波導(dǎo)中經(jīng)過電光移頻的光波沿垂直方向耦合導(dǎo)入二氧化硅波導(dǎo)環(huán)圈中進(jìn)行角速度測量。該方案既克服了基于二氧化硅波導(dǎo)的集成光學(xué)陀螺難以制作集成光學(xué)移頻器的難題,也解決了基于鈮酸鋰波導(dǎo)環(huán)圈彎曲損耗大、半徑大等問題。采用的工藝技術(shù)包括:拋光、熱氧化、PECVD、摻雜、RIE、鈮酸鋰薄膜生長、鈦擴(kuò)散或退火質(zhì)子交換等。

圖25 一種二氧化硅波導(dǎo)與鈮酸鋰薄膜垂直耦合的集成敏感環(huán)組件[30]Fig.25 The invention relates to an integrated sensitive ring assembly with silicon dioxide waveguide and lithium niobate thin film vertically coupled

3.3 混合集成驅(qū)動模塊及其制造技術(shù)

2017年,UCSB的Tran等提出一種適用于IMOG的混合集成光學(xué)驅(qū)動芯片(IOD),該芯片包括一種多模F-P調(diào)頻激光器光源,3個探測器,兩個相位調(diào)制器,兩個3 dB耦合器,即光學(xué)陀螺所需要的除無源敏感環(huán)路之外所有的有源器件和無源器件[20],如圖26所示。該IOD可以用于磁強(qiáng)計和電流傳感器等傳感器,適當(dāng)修改后的電路,還可適用于RMOG。該芯片的設(shè)計和制造采用了III-V/Si光子學(xué)集成工藝,其大小為4.5 mm2,這種異構(gòu)集成技術(shù)大大降低光學(xué)陀螺儀和光學(xué)傳感器的尺寸、重量、成本和功耗,同時提高了沖擊和振動的魯棒性。

圖26 干涉式集成光學(xué)陀螺驅(qū)動模塊[20]Fig.26 The IOD module

2019年美國KVH公司發(fā)表專利,提出了光纖陀螺驅(qū)動模塊集成的三步走的規(guī)劃。首先,將耦合器、起偏器、隔離器集成為光子集成芯片(PIC)。其中,在芯片的邊緣有連接器,用于耦合光源、探測器和無源敏感環(huán)路等組件。第二步,利用端面耦合技術(shù)或晶片級微加工技術(shù),將光源、探測器以及PIC集成在公共基板上,構(gòu)成混合光電子集成芯片(HPIC)。最后,將陀螺系統(tǒng)所有器件集成在共同的基底上,即單片集成芯片(EPIC)。目前,KVH公司的新型PIC芯片成功應(yīng)用于KVH公司的P-1775IMU中,如圖27所示,提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖27 KVH研制的基于PIC的P-1775IMU[32]Fig.27 P-1775IMU based on PIC,proposed by KVH

2020年,北京自動化控制設(shè)備研究所的尚克軍等[31]提出了一種兼具光源、探測器、耦合器的集成光學(xué)芯片設(shè)計方案,如圖28所示。并基于集成光學(xué)芯片、微型化環(huán)圈和小型化檢測電路,搭建成功微小型光纖陀螺樣機(jī),陀螺整機(jī)尺寸僅為 35 mm×35 mm×35 mm,陀螺測試零偏不穩(wěn)定性達(dá)到了 0.072°/h,但相較于傳統(tǒng)分立器件還有較大差距。

圖28 硅基混合集成光學(xué)芯片結(jié)構(gòu)方案及封裝芯片[31,33]Fig.28 Silicon based hybrid integrated optical chip structure scheme and package chip

集成光學(xué)芯片制造采用了平面光波導(dǎo)電路(PLC)技術(shù)。其中雙Y結(jié)中Y1是一個3 dB無源波導(dǎo)耦合器,由摻雜的SiO2實(shí)現(xiàn),用于將在波導(dǎo)中傳播的50%光引導(dǎo)到表面安裝在芯片上的SLD和PD芯片中,耦合器的不等分會導(dǎo)致背向散射和Kerr噪聲增加。LiNbO3相位調(diào)制器芯片、SLD和PD都分別制造和測試,然后通過晶片級微加工集成在光子集成電路(PIC)波導(dǎo)的上表面。寬帶SLD的出射光通過SLD波導(dǎo)和PIC波導(dǎo)模式之間的倏逝波相互作用被轉(zhuǎn)移到PIC波導(dǎo)中?；贗nGaAs的光電探測器PD芯片通過晶圓鍵合工藝鍵合到SiO2襯底上,波導(dǎo)中的光將通過微鏡定向?qū)氡砻鍼D中;LiNbO3相位調(diào)制器芯片具有偏振器、雙Y結(jié)和相位調(diào)制器多種功能,它們集成在一個1 mm厚的LiNbO3芯片上。集成光學(xué)芯片被安裝在一塊半導(dǎo)體制冷器(TEC)上,通過精密溫控可確保芯片在全溫度范圍內(nèi)具有較好的波長和功率穩(wěn)定性。

3.4 芯片級的IMOG的混合集成技術(shù)[34-47]

有源光學(xué)元件與無源波導(dǎo)線圈的集成技術(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)一個芯片級的IMOG,如圖29所示。Gundavarapu等采用多芯片混合集成技術(shù),提出了一種基于硅襯底的集成解決方案。超低損耗波導(dǎo)線圈(ULLW)在Si3N4平臺上制造,由調(diào)頻激光光源、相位調(diào)制器(PM)和光探測器構(gòu)成的前端芯片在Ⅲ-Ⅴ族平臺上制造。通過兩種方法可以實(shí)現(xiàn)集成Si3N4波導(dǎo)線圈與集成的前端芯片間的混合集成:一是將集成的前端芯片放置在波導(dǎo)線圈芯片上的深蝕刻SiO2/Si溝槽中,兩個芯片間的模式轉(zhuǎn)換器有助于實(shí)現(xiàn)更小的耦合損耗;二是利用Si3N4和Si波導(dǎo)層之間的垂直耦合,這種耦合可用于集成Si3N4波導(dǎo)線圈與集成的前端芯片間的模式轉(zhuǎn)換,過渡硅和ULLW層間耦合損耗約為(0.4±0.2)dB,可以用于實(shí)現(xiàn)一個完全集成的基于Si3N4波導(dǎo)線圈的陀螺儀。

圖29 采用異質(zhì)混合集成技術(shù)芯片級IMOG示意圖[2]Fig.29 Schematic diagram of chip level IMOG using heterogeneous hybrid integration technology

可以預(yù)見多材料體系的混合集成技術(shù)是MOG發(fā)展的主要方向,目前備受關(guān)注的技術(shù)方案有:Flip-Chip混合集成、異質(zhì)鍵合以及硅基異質(zhì)外延。其中,硅基外延量子點(diǎn)發(fā)光光源被認(rèn)為是最受期待的下一代硅基光源核心技術(shù),量子點(diǎn)是納米尺度的零維結(jié)構(gòu),不僅對位錯缺陷比較鈍感,而且具備低閾值電流密度和高工作溫度等潛在性能。然而,在硅基上直接外延III-V量子點(diǎn)需要非常厚的緩沖層,工藝復(fù)雜度高,面向大規(guī)模片上集成仍面臨不少困難。隨著Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體與硅的鍵合工藝、硅上直接外延工藝的突破,采用異質(zhì)III/V-Si前端與Si3N4波導(dǎo)的全集成光波導(dǎo)陀螺儀有望實(shí)現(xiàn)。目前,該制造工藝復(fù)雜,成本高,尚不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。因此,在高靈敏度檢測的前提下,有必要研究新的集成陀螺儀方案,以規(guī)避PM和循環(huán)器等器件[2]。

4 結(jié)論

由于同時滿足超低傳播損耗和高Q值要求的芯片波導(dǎo)制備難度大,MOG的性能一直落后于MEMS陀螺;由于制備芯片波導(dǎo)材料本身的局限性,單一材料的MOG集成芯片的制造難度更大。因此,在工藝技術(shù)上,應(yīng)進(jìn)一步開展低傳播損耗的芯片波導(dǎo)制備工藝、新型空芯波導(dǎo)制備工藝技術(shù)研究,以降低芯片波導(dǎo)的傳播損耗;進(jìn)一步開展單一材料和多種材料的芯片級集成技術(shù)研究,以提高M(jìn)OG的集成度。抑制MOG的主要誤差源的根本途徑是降低傳播損耗,除此以外,還可以在設(shè)計上,采用“互異性”方案,適當(dāng)增大諧振腔的直徑,提高檢測光功率,以減小克爾效應(yīng)對零偏穩(wěn)定性影響,以及諧振腔的尺寸對ARW影響;在主動控制技術(shù)上,進(jìn)一步開展一階光波模態(tài)濾波器、各種調(diào)制解調(diào)等技術(shù)研究,以主動抑制背向傳播光波強(qiáng)度和降低背向噪聲誤差,進(jìn)一步開展順逆時針傳播光強(qiáng)差的控制技術(shù)研究,以減小零偏誤差和零偏穩(wěn)定性誤差,為MOG早日商用化應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。