焦洪臣，王凌宇，孫道鑫，盧志舟，金 里，馮俊波，許文淵，馮麗爽

（1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 慣性技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3.重慶聯(lián)合微電子中心，重慶 401332；4.重慶自行者科技有限公司，重慶 402260）

集成光學(xué)陀螺基于光學(xué)Sagnac 效應(yīng)，通過微納米光電子集成技術(shù)逐步將光學(xué)器件、光電器件及檢測(cè)電路集成在單一芯片上，實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的檢測(cè)。近年來，無人機(jī)集群、無人駕駛等新概念運(yùn)動(dòng)載體的出現(xiàn)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)兼顧高性能和小型化、低成本、輕量化的慣性器件提出迫切需求，同時(shí)面向光通信和光傳感應(yīng)用的微納光子集成芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了集成光學(xué)陀螺技術(shù)的革命性變革。

2015 年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室在發(fā)布的指南中指出，該計(jì)劃致力于研究小型化、輕量化、低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)的慣性傳感器，而基于光電子集成技術(shù)的集成光學(xué)陀螺極具前景，是重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。2016 年在國(guó)際天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)（Positioning,Navigation and Timing,PNT）咨詢委員會(huì)報(bào)告中指出：集成光學(xué)陀螺發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸，包括材料級(jí)的異質(zhì)波導(dǎo)集成耦合技術(shù)、器件級(jí)的低損耗敏感單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)的集成光子引擎技術(shù)等[1]。近年來，光電子集成技術(shù)的迅猛發(fā)展為上述技術(shù)瓶頸的突破提供了有力的理論工具和技術(shù)基礎(chǔ)[2,3]。2019 年DARPA 在公開報(bào)道中，將干涉式集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)列為未來慣性傳感器的重點(diǎn)發(fā)展方向之一[4]。

1 干涉式集成光學(xué)陀螺研究現(xiàn)狀

以集成程度劃分，可將干涉式集成光學(xué)陀螺分為無源集成、混合集成和單片集成三類。無源集成方案中，將分光器、起偏器等無源光纖器件采用無源集成芯片部分或全部集成，在一定程度上簡(jiǎn)化陀螺組成；在混合集成干涉式集成光學(xué)陀螺中，更進(jìn)一步將光源管芯、探測(cè)器管芯和相位調(diào)制器等有源器件通過表貼或晶片級(jí)微加工技術(shù)等方式與無源集成芯片實(shí)現(xiàn)共封裝集成；單片集成干涉式集成光學(xué)陀螺則旨在實(shí)現(xiàn)陀螺中所有光學(xué)器件的單基材料級(jí)芯片化集成。

目前單片集成干涉式僅為研究概念，尚無相關(guān)實(shí)際系統(tǒng)報(bào)道，因此重點(diǎn)針對(duì)當(dāng)前無源集成干涉式和混合集成干涉式的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行梳理，代表性方案及其特點(diǎn)和性能如表1 所示。

表1 干涉式集成光學(xué)陀螺典型研究現(xiàn)狀匯總Tab.1 Typical researches of interferometric integrated optical gyroscope.

2019 年，美國(guó)KVH 公司提出面向自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的基于無源集成芯片的干涉式陀螺方案。該方案利用無源集成芯片，結(jié)合PZT 相位調(diào)制器和光纖環(huán)構(gòu)建高安全性和可靠性的陀螺儀，專注于更具有工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值的技術(shù)。圖2 為該公司研制的慣導(dǎo)系統(tǒng)（P-1775 IMU）[7]，其中采用了通過雙Y 分支氮化硅波導(dǎo)制作光子集成芯片，代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖陀螺中的光纖耦合器和鈮酸鋰調(diào)制器的Y 分支，實(shí)現(xiàn)了分光器、起偏器的片上集成。敏感環(huán)則采用了110 m 長(zhǎng)的傳統(tǒng)光纖環(huán)，陀螺常溫精度可達(dá)0.048 °/h，全溫（@-40℃～75℃）精度為0.239 °/h，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的集成光學(xué)陀螺工程產(chǎn)品。2021 年，美國(guó)Anello Photonics 公司發(fā)布了多項(xiàng)集成光子陀螺芯片-硅光子光學(xué)陀螺儀（SiPhOG）專利。為進(jìn)一步挖掘干涉式集成光學(xué)陀螺精度潛力，創(chuàng)新地提出利用多層氮化硅波導(dǎo)的層間耦合方法實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的層疊式延長(zhǎng)[8]，通過多層導(dǎo)光方式降低波導(dǎo)交叉損耗。該方案如圖3 所示，波導(dǎo)干涉環(huán)在設(shè)計(jì)上取得重大突破，具備實(shí)現(xiàn)50 m 量級(jí)低損耗長(zhǎng)波導(dǎo)的潛力。

2022 年美國(guó)Anello Photonics 公司發(fā)布了為各類自主運(yùn)行載體提供可靠、準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位信息的干涉式集成光學(xué)陀螺研究成果[9]。該陀螺的技術(shù)方案如圖4(a)所示，由光源模塊、混合光子集成芯片和氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)芯片三部分構(gòu)成。其中，混合光子集成芯片在2 mm×5 mm 尺寸內(nèi)集成了分光器、耦合器、延遲線、偏振濾波器、調(diào)制器、探測(cè)器、加熱器、可調(diào)光衰減器等無源器件和有源器件，研制的陀螺儀精度為0.5 °/h。同時(shí)，該公司在波導(dǎo)的背向散射抑制、高密度加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)上均取得重大突破，并最終實(shí)現(xiàn)氮化硅干涉環(huán)的實(shí)物如圖4(b)所示，實(shí)測(cè)波導(dǎo)傳輸損耗僅為0.2 dB/m。

2022 年，北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所持續(xù)攻關(guān)了基于微組裝工藝的芯片耦合連接方案，提出了“四合一”和“三合一”兩種集成芯片方案[10]?！八暮弦弧狈桨甘菍⒂晒庠?、探測(cè)器和Y 分支組成的芯片與鈮酸鋰體材料組成的相位調(diào)制芯片進(jìn)行了端面耦合，如圖5(a)所示；“三合一”方案則在SiO2基底上通過片上耦合方式將光源、探測(cè)器和Y 分束器混合集成，工藝難度更低且不存在“雙Y”分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯底模式耦合問題，如圖5(b)所示。

基于“三合一”集成芯片方案，該單位實(shí)現(xiàn)了如圖6 所示的集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)樣機(jī)[11]，采用580 m 光纖環(huán)，實(shí)現(xiàn)了陀螺精度0.1 °/h。

2023 年，西安飛行自動(dòng)控制研究所進(jìn)一步實(shí)踐了基于硅基氮化硅無源集成芯片與分立有源器件及光纖環(huán)相結(jié)合的集成光學(xué)陀螺方案。與KVH 方案類似地，采用硅基氮化硅工藝將耦合器、起偏器等光路無源器件在單一芯片上進(jìn)行了集成[12]。

結(jié)合傳統(tǒng)SLD 光源、PZT 調(diào)制器以及250m 光纖環(huán)，研制了精度為0.2 °/h 的集成光學(xué)陀螺樣機(jī)，進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)前領(lǐng)域工藝水平下采取無源集成方式的工程可實(shí)現(xiàn)性。

此外，許多國(guó)內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)也對(duì)集成光學(xué)陀螺中涉及的集成光學(xué)芯片、波導(dǎo)干涉環(huán)、波導(dǎo)腔等關(guān)鍵部件開展了研究，典型如美國(guó) UCSB[13-16]、UCSD[17]、特拉華大學(xué)[18]等，國(guó)內(nèi)則有浙江大學(xué)[19]、華中科技大學(xué)[20]、中國(guó)航天時(shí)代光電公司[21]等。本課題組緊跟國(guó)際前沿，針對(duì)干涉式集成光學(xué)陀螺關(guān)鍵部件開展了大量研究，在波導(dǎo)干涉環(huán)、集成光學(xué)芯片領(lǐng)域形成了一系列創(chuàng)新性的成果，該部分將在第二章詳細(xì)介紹。

2 干涉式集成光學(xué)陀螺關(guān)鍵部件

2.1 波導(dǎo)干涉環(huán)

課題組2018 年開始探索干涉式集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并于2020 年研制了基于二氧化硅波導(dǎo)的干涉環(huán)路，如圖8 所示。該二氧化硅干涉環(huán)采用阿基米德螺旋線結(jié)構(gòu)，保證插入損耗最小化的前提下選擇敏感環(huán)的最小彎曲半徑以及波導(dǎo)環(huán)間距，通過計(jì)算選擇最佳波導(dǎo)環(huán)長(zhǎng)度，其直徑為60 mm、長(zhǎng)度為2.14 m，測(cè)試得到其總插入損耗8.37 dB。基于該二氧化硅干涉環(huán)的陀螺理論極限靈敏度達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度，這也意味著方案具備了進(jìn)一步應(yīng)用于干涉式集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)的潛力。

然而，受傳輸機(jī)理限制，絕緣襯底薄膜硅（Silicon-on-insulator,SOI）波導(dǎo)的損耗仍然難以滿足高精度干涉式集成光學(xué)陀螺對(duì)敏感環(huán)的設(shè)計(jì)需求，而二氧化硅波導(dǎo)則與調(diào)制器等波導(dǎo)功能器件存在材料和工藝兼容困難的問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在不斷尋求更適用的波導(dǎo)干涉環(huán)實(shí)現(xiàn)方案[22-26]，近年來出現(xiàn)的超低深寬比氮化硅材料[13]，因其超低損耗和可集成潛力而進(jìn)入研究者視野。2022 年，本課題組進(jìn)一步研制了長(zhǎng)度為3 m 的超低深寬比氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)，并且通過彎曲波導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起偏功能。干涉環(huán)如圖9 所示，測(cè)試該環(huán)的傳輸損耗約為4 dB/m。

對(duì)于未來全集成方案，課題組同樣開展了先期技術(shù)儲(chǔ)備。針對(duì)敏感環(huán)這一核心敏感元件，開展了片上四級(jí)對(duì)稱構(gòu)型的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在汲取傳統(tǒng)光纖干涉環(huán)高溫度適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，利用多圈波導(dǎo)層間耦合方案實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)環(huán)的數(shù)十米乃至上百米立體延伸。具體結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖1 美國(guó)DARPA 提出：集成光學(xué)陀螺是未來光學(xué)陀螺的重點(diǎn)研究方向Fig.1 DARPA proposes: integrated optical gyroscope is the key research direction of the optical gyroscope

圖2 KVH 干涉式集成光學(xué)陀螺產(chǎn)品Fig.2 Interferometric IOG production of KVH

圖3 基于層間耦合方法的波導(dǎo)干涉環(huán)實(shí)現(xiàn)方案Fig.3 Wave guide interference ring scheme based on interlayer coupling method

圖4 Anello Photonic 公司的集成光學(xué)陀螺儀評(píng)估產(chǎn)品Fig.4 integrated optical gyroscope evaluation product from Anello Photonic

圖5 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所光子集成芯片方案Fig.5 Integrated photonic chipsdesignedby the Beijing Automation Control Equipment Research Institute

圖6 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所干涉式集成光學(xué)陀螺Fig.6 Interferometric IOG developed by Beijing Automation Control Equipment Research Institute

圖7 西安飛行自動(dòng)控制研究所干涉式集成光學(xué)陀螺Fig.7 Interferometric IOG developed by AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute

圖8 二氧化硅波導(dǎo)干涉環(huán)Fig.8 Silica dioxide waveguide interference ring

圖9 氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)Fig.9 Silicon nitride waveguide interference ring

圖10 片上四級(jí)對(duì)稱氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)方案Fig.10 Scheme of on-chip quadruple symmetric silicon nitride waveguide interference ring scheme

圖11 Si3N4 無源集成芯片F(xiàn)ig.11 Passive integrated chip based on Si3N4

圖12 薄膜鈮酸鋰調(diào)制器Fig.12 Modulator of TFLN

圖13 薄膜鈮酸鋰與Si3N4 異質(zhì)集成方案Fig.13 Heterogeneous integration scheme between TFLN and Si3N4

圖14 硅光-TFLN 晶圓級(jí)鍵合Fig.14 Wafer-Level Bonding of Si-TFLN

2.2 集成光學(xué)芯片

課題組在2023 年完成單偏振無源氮化硅波導(dǎo)芯片（2 mm×3 mm）研制，實(shí)現(xiàn)耦合與起偏功能的片上集成。芯片整體插入損耗小于13 dB，偏振消光比達(dá)到30 dB 以上，為高性能干涉式集成光波導(dǎo)陀螺的實(shí)現(xiàn)提供了器件級(jí)保障。

在調(diào)制功能集成方面，已完成薄膜鈮酸鋰（Thin Film Lithium Niobate,TFLN）調(diào)制器的設(shè)計(jì)與加工探索，得益于包層與芯層之間較大的折射率差（～0.7），大大降低了光模場(chǎng)的有效模式面積，提高光電耦合效率，使得同等長(zhǎng)度下半波電壓比傳統(tǒng)鈮酸鋰體材料降低3 倍以上，達(dá)到～2 V·cm，為實(shí)現(xiàn)帶有高性能片上調(diào)制的集成光學(xué)陀螺儀提供了解決方案。

在多功能多材料結(jié)構(gòu)異質(zhì)集成方面，開展理論研究積累與核心工藝探索。課題組在2019 年基于集成光學(xué)陀螺對(duì)于相位調(diào)制器的要求，設(shè)計(jì)了具有單模傳輸以及起偏性能的Y 波導(dǎo)器件，設(shè)計(jì)氮化硅雙層錐形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光在氮化硅與TFLN 之間過渡[27]，理論計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的偏振消光比為85.6 dB/mm，耦合效率接近99%。

現(xiàn)已具備硅光-TFLN 晶圓級(jí)鍵合能力，正進(jìn)一步優(yōu)化硅光晶圓CMP 工藝，提升晶圓表面一致性，解決鍵合良率難題。

針對(duì)探測(cè)集成需求，研制了分光、起偏、耦合無源結(jié)構(gòu)與探測(cè)功能集成的芯片樣片，如圖15 所示。芯片包括一個(gè)1×3 耦合器，3 個(gè)2×2 耦合器，三個(gè)探測(cè)器，首次實(shí)現(xiàn)陀螺用三軸分光器件和探測(cè)器的集成，利用硅基Ge 外延工藝實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能結(jié)構(gòu)，尺寸5 mm×5 mm。實(shí)測(cè)探測(cè)器的響應(yīng)度≥0.85 A/W，暗電流≤10 nA，3 dB 帶寬≥30 GHz，不僅可滿足FOG的應(yīng)用需求，同時(shí)可以大大縮小三軸陀螺組合的體積和重量。

圖15 無源結(jié)構(gòu)與探測(cè)功能集成的芯片樣片F(xiàn)ig.15 Chip integrating passive structures and detection

圖16 混合光電集成光收發(fā)模塊Fig.16 Optical transceiver module based on photoelectric hybrid integration

圖17 基于無源芯片與光纖環(huán)結(jié)合的干涉式集成光學(xué)陀螺Fig.17 Interferometric integrated optical gyroscope based on the Passive chip and the fiber ring.

此外，在混合光電集成方面，已完成基于功能芯片混合集成方法的“三合一”光收發(fā)組件研發(fā)[28]。利用硅基SiO2芯片實(shí)現(xiàn)分光功能[29]，利用透鏡耦合方式和光源管芯、探測(cè)器管芯實(shí)現(xiàn)高校耦合，并重點(diǎn)突破了溫度場(chǎng)精密調(diào)控、低應(yīng)力分布設(shè)計(jì)、高可靠封裝等關(guān)鍵技術(shù)。在光纖傳感器系統(tǒng)上應(yīng)用該樣品，并和分立器件進(jìn)行比測(cè)。研究結(jié)果表明：使用該模塊的傳感器系統(tǒng)性能和使用分立器件的性能相當(dāng)，不會(huì)造成劣化。

3 干涉式集成光學(xué)陀螺

在關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，課題組面向未來全集成需求，同步探索了基于波導(dǎo)敏感環(huán)的集成光學(xué)陀螺方案。于2020 年研制了2.14 m 硅基二氧化硅波導(dǎo)環(huán)，并初步開展了波導(dǎo)環(huán)在陀螺系統(tǒng)中的應(yīng)用嘗試。2022年，進(jìn)一步研制了長(zhǎng)度為3 m 的氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)，基于該環(huán)搭建了干涉式集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精度11.8 °/h（Allan 方差），在40℃～60℃環(huán)境溫度下，表現(xiàn)出良好的溫度一致性，所設(shè)計(jì)的氮化硅波導(dǎo)干涉環(huán)結(jié)構(gòu)可有效抑制由非理想偏振引入的溫致陀螺零偏波動(dòng)。研究成果實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)集成干涉式陀螺在敏感環(huán)集成技術(shù)領(lǐng)域的探索性突破，為我國(guó)未來全集成干涉式光學(xué)陀螺的研制積累了基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，課題組搭建了基于無源芯片與光纖環(huán)結(jié)合方案的干涉式集成光學(xué)陀螺樣機(jī)。其中，采用了集成分光耦合和起偏功能的無源芯片，280 m 光纖環(huán)，配合外置SLD 光源與PZT 相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到0.03 °/h（Allan 方差），為目前已有報(bào)道同類陀螺系統(tǒng)的最優(yōu)精度。

4 應(yīng)用前景分析

隨著光子集成技術(shù)和光電子集成技術(shù)的發(fā)展，使得集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)芯片化的可能性越來越高。美國(guó)Anello Photonics 公司和KVH 公布的基于無源光子集成芯片和混合集成光子芯片的陀螺產(chǎn)品，表明基于部分集成化的干涉式集成光學(xué)陀螺已形成工程化產(chǎn)品，關(guān)鍵技術(shù)已獲重大突破。光子集成芯片技術(shù)的發(fā)展，有望帶來慣性儀表產(chǎn)品形態(tài)的顛覆性變化，實(shí)現(xiàn)高性能和批量化生產(chǎn)，滿足低體積、重量、功耗和成本（Size Weight and Power,plus Cost,SWaP+C）指標(biāo)，在無人機(jī)集群、無人駕駛等軍民用領(lǐng)域中產(chǎn)生巨大應(yīng)用。

綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及當(dāng)前領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)展，對(duì)干涉式集成陀螺及其核心部件的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景做如下預(yù)測(cè)：

（1）集成光子芯片是集成光學(xué)陀螺技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。目前，基于波導(dǎo)分束器、起偏器等無源器件的光子集成芯片、以及和光源管芯、探測(cè)管芯的混合集成技術(shù)已經(jīng)成熟，可以形成模塊化產(chǎn)品。未來2～3 年內(nèi)的發(fā)展重點(diǎn)是鈮酸鋰薄膜相位調(diào)制器和其他材料的薄膜相位調(diào)制器，與長(zhǎng)度接近100 m 的超低損耗波導(dǎo)干涉環(huán)，以及薄膜相位調(diào)制器和其他無源光子集成芯片的異質(zhì)集成技術(shù)。

（2）干涉式集成光學(xué)陀螺在1～2 年內(nèi)可研制出基于無源集成芯片的工程樣機(jī)，在2～3 年內(nèi)研制出基于“三合一”（光源、探測(cè)器和波導(dǎo)分束器）混合集成芯片的工程樣機(jī)，在3～5 年內(nèi)爭(zhēng)取初步實(shí)現(xiàn)干涉式集成光學(xué)陀螺的系統(tǒng)級(jí)芯片（System on a chip）。

（3）干涉式集成光學(xué)陀螺利用集成工藝實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和低成本，減少器件熔接點(diǎn)，保證產(chǎn)品的一致性和可靠性，可兼顧精度與成本，具有顛覆性優(yōu)勢(shì)，未來有望占領(lǐng)0.01～0.1 °/h 精度市場(chǎng)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研預(yù)計(jì)，2024 年中國(guó)光學(xué)陀螺市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到257.7 億元，集成光學(xué)陀螺的研發(fā)成功，必將助力占據(jù)陀螺技術(shù)的制高點(diǎn)，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。