專利名稱：單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器，具體涉及到Si基SiA光波導(dǎo)及ZnO壓電膜叉指換能器結(jié)構(gòu)，屬于集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著集成光學(xué)和光電子技術(shù)的進(jìn)步，慣性儀表光學(xué)陀螺技術(shù)朝著高精度和微型化方向發(fā)展，伴隨這一發(fā)展，出現(xiàn)了第三代光學(xué)陀螺，即I0G(集成光學(xué)陀螺)。IOG 由敏感元件、控制元件和光源組成。所述敏感元件是一種在硅片上制作而成的無源環(huán)形諧振器，所述控制元件是一種移頻器?，F(xiàn)有IOG實際上只是將分立的敏感元件、控制元件組合在一起，構(gòu)成一種微型化光學(xué)陀螺，并不是嚴(yán)格意義上的單片集成光學(xué)陀螺。IOG的技術(shù)方向之一是單片集成化，所謂單片集成化是指在一個基片上制作敏感元件、控制元件，甚至包括光源。與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有IOG控制元件是一種采用LiNbO3波導(dǎo)材料制作的聲光移頻器。這種聲光移頻器其結(jié)構(gòu)為，在LiNbOJi底上制作一條鈦擴散層形成Ti-LiNbO3光波導(dǎo)， 在光波導(dǎo)一側(cè)布置有作為換能器的叉指電極，該叉指電極屬于表面電極，位于LiNbO3襯底表面。該聲光移頻器所使用的LiNbOj^導(dǎo)材料其光波導(dǎo)損耗比較大，因而降低了 IOG的性能；再有，由于所述LiNbO3基片是一種電介質(zhì)材料，致使無法以其為基片制作光源，從而無法實現(xiàn)光學(xué)陀螺的完全的單片集成。所有這些阻礙了光學(xué)陀螺技術(shù)向高精度、微型化方向的發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中有一種Si基SiO2*波導(dǎo)材料，具有光波導(dǎo)損耗低的特點，用來制作環(huán)形諧振器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)在硅片上制作光學(xué)陀螺聲光移頻器，為光學(xué)陀螺的單片集成和獲得高精度提供前提條件，為此，我們發(fā)明了本發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻
ο發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器光波導(dǎo)、換能器位于襯底上；見圖1、圖2 所示，光波導(dǎo)的衍射通道1與未衍射通道2以偏轉(zhuǎn)角Φ相交，形成光通道交叉區(qū)3 ；換能器位于衍射通道1與未衍射通道2相交的一側(cè)；換能器聲孔徑朝向光通道交叉區(qū)3，聲孔徑軸線與未衍射通道2軸線呈布拉格角θ Β的補角，聲孔徑寬度L與光通道交叉區(qū)寬度W相等； 其特征在于，襯底為Si襯底4，SiO2下包層5位于Si襯底4上；具有Ge-SW2芯層6的衍射通道1與未衍射通道2位于SW2下包層5上；Ge-SW2芯層6截面形狀為矩形；SW2上包層7覆蓋Ge-SW2芯層6及SW2下包層5上表面未被Ge-SW2光波導(dǎo)6占用的部分；換能器由ZnO壓電膜8及叉指底電極9構(gòu)成并位于SiO2上包層7上，ZnO壓電膜8的厚度等于 0. 4個聲表面波波長；叉指底電極9位于換能器底部。本發(fā)明之聲光移頻器在Si襯底4上制作，而Si襯底4為一種硅單晶半導(dǎo)體材料。因此，能夠在同一 Si襯底4上制作光源，如半導(dǎo)體激光器；還能夠在同一 Si襯底4上制作敏感元件，如無源環(huán)形諧振器。來自光源的光自未衍射通道2的入射端口 10以布拉格角ΘΒ 入射，通過布拉格衍射域，衍射光由未衍射通道2輸出端口 11輸出，進(jìn)入無源環(huán)形諧振器， 未衍射光由衍射通道1的出射端口 12出射。實現(xiàn)了光學(xué)陀螺的單片集成。換能器的電極具有底電極結(jié)構(gòu)，并且，ZnO壓電膜8的厚度等于0. 4個聲表面波波長，這些措施將聲表面波SAW的機電耦合系數(shù)提高到16%。另外，由于本發(fā)明之聲光移頻器中的波導(dǎo)均為Si基SW2光波導(dǎo)，其光波導(dǎo)損耗只有0. 01dB/cm,與光波導(dǎo)損耗為0. 2dB/cm 的Ti-LiNbO3光波導(dǎo)相比，光波導(dǎo)損耗要小一個數(shù)量級，聲光衍射效率提高到70%。因此， 采用本發(fā)明之聲光移頻器的光學(xué)陀螺的精度能夠大幅提高。


圖1是本發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器結(jié)構(gòu)俯視示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2是本發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器結(jié)構(gòu)A-A方向剖視示意圖。
具體實施例方式發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器具體方案如下，見圖1、圖2所示，光波導(dǎo)、 換能器位于襯底上。光波導(dǎo)的衍射通道1與未衍射通道2以偏轉(zhuǎn)角φ相交，形成光通道交叉區(qū)3。換能器位于衍射通道1與未衍射通道2相交的一側(cè)；換能器聲孔徑朝向光通道交叉區(qū)3，聲孔徑軸線與未衍射通道2軸線呈布拉格角θ Β的補角，聲孔徑寬度L與光通道交叉區(qū)寬度W相等。襯底為Si襯底4，SiO2下包層5位于Si襯底4上。具有Ge-SW2芯層6 的衍射通道1與未衍射通道2位于SW2下包層5上；Ge-SW2芯層6截面形狀為寬X高= (6 7) X (5 6)的矩形，單位為毫米，構(gòu)成一種單模波導(dǎo)。SiO2上包層7覆蓋Ge-SiO2K 層6及SW2下包層5上表面未被Ge-SW2芯層6占用的部分，其中覆蓋Ge-SW2芯層6部分的SW2上包層7作為衍射通道1與未衍射通道2的限制層。換能器由ZnO壓電膜8及叉指底電極9構(gòu)成并位于SW2上包層7上，ZnO壓電膜8的厚度等于0. 4個聲表面波波長； 叉指底電極9位于換能器底部，以適合于聲表面波，材質(zhì)為鋁。下面結(jié)合制作過程進(jìn)一步說明本發(fā)明之單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器。采用濕氧氧化法，采用Si單晶片作為Si襯底4，在高溫條件下熱氧化，得到S^2 層；然后采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)對S^2層進(jìn)行Ge摻雜，得到Ge-S^2 層；接著采用反應(yīng)離子刻蝕工藝(RIE)刻蝕出具有滿足單模傳輸條件的矩形Ge-SiO2芯層6 的衍射通道1、未衍射通道2 ；最后，再用PECVD法得到SW2上包層了。在衍射通道1與未衍射通道2相交的一側(cè)的SiO2上包層7上用濺射法覆蓋ZnO壓電膜8，ZnO壓電膜8厚度等于0. 4個聲表面波波長，Al叉指底電極9放置在SW2上包層7與ZnO壓電膜8交界面上。 對叉指底電極9圖形工藝的要求為不能斷指、連指；對ZnO壓電膜8的要求為按垂直方向取向。聲光移頻器工作在布拉格衍射域，入射光自未衍射通道2的入射端口 10以布拉格角θ Β入射，衍射光由未衍射通道2輸出端口 11輸出，進(jìn)入無源環(huán)形諧振器，未衍射光由衍射通道1的出射端口 12出射。
權(quán)利要求
1.單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器其光波導(dǎo)、換能器位于襯底上；光波導(dǎo)的衍射通道 (1)與未衍射通道O)以偏轉(zhuǎn)角φ相交，形成光通道交叉區(qū)(3)；換能器位于衍射通道(1) 與未衍射通道( 相交的一側(cè)；換能器聲孔徑朝向光通道交叉區(qū)(3)，聲孔徑軸線與未衍射通道( 軸線呈布拉格角θ B的補角，聲孔徑寬度L與光通道交叉區(qū)寬度W相等；其特征在于，襯底為Si襯底(4)，SW2下包層(5)位于Si襯底(4)上；具有Ge-SW2芯層(6)的衍射通道(1)與未衍射通道( 位于SiO2下包層( 上；Ge-SW2芯層(6)截面形狀為矩形； SiO2上包層(7)覆蓋Ge-SW2芯層(6)及SiO2下包層( 上表面未被Ge-SiO2光波導(dǎo)(6) 占用的部分；換能器由ZnO壓電膜⑶及叉指底電極(9)構(gòu)成并位于SiO2上包層(7)上， ZnO壓電膜(8)的厚度等于0.4個聲表面波波長；叉指底電極(9)位于換能器底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光移頻器，其特征在于，Ge-SiO2芯層(6)截面形狀為寬X 高=(6 7) X (5 6)的矩形，單位為毫米，構(gòu)成一種單模波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光移頻器，其特征在于，覆蓋Ge-SiO2芯層(6)部分的S^2 上包層(7)作為衍射通道(1)與未衍射通道(2)的限制層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光移頻器，其特征在于，叉指底電極(9)材質(zhì)為鋁。
全文摘要
單片集成光學(xué)陀螺用聲光移頻器屬于集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有采用LiNbO3波導(dǎo)材料制作的聲光移頻器其光波導(dǎo)損耗比較大，由于LiNbO3基片是一種電介質(zhì)材料，致使無法以其為基片制作光源，從而無法實現(xiàn)光學(xué)陀螺的完全的單片集成。本發(fā)明其特征在于，襯底為Si襯底，SiO2下包層位于Si襯底上；具有Ge-SiO2芯層的衍射通道與未衍射通道位于SiO2下包層上；Ge-SiO2芯層截面形狀為矩形；SiO2上包層覆蓋Ge-SiO2芯層及SiO2下包層上表面未被Ge-SiO2光波導(dǎo)占用的部分；換能器由ZnO壓電膜及叉指底電極構(gòu)成并位于SiO2上包層上，ZnO壓電膜的厚度等于0.4個聲表面波波長；叉指底電極位于換能器底部。
文檔編號G01C19/72GK102279479SQ20111021384
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者張 榮, 石邦任, 趙猛, 郭麗君, 陳晨 申請人:長春理工大學(xué)