专利名称：基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤陀螺用集成光学芯片，特别是涉及一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。
背景技术：
光纤陀螺用多功能集成光学芯片是集成光学干涉型光纤陀螺(I-FOG)系统的核心器件之一。现在国内外商业化的光纤陀螺用集成芯片多是基于LiNb03材料的集成光学器件，LiNb03材料具有优良的光传输特性和线性电光效应，可以制成性能较好的集成光学器件；而且价格便宜、微细加工技术相对简单，故基于LiNb03材料的器件性价比较高。但LiNb(^材料在应用中也存在以下几个问题 1、材料的温度系数较大。当光通过LiNb03材料时，由于环境温度的变化，会影响
器件的光学传输特性，从而产生温漂效应。因此，为了保证器件在宽温度范围内的工作稳定
性，必须采取温度补偿措施，但这会使得外围控制电路比较复杂； 2、材料的抗辐射能力较差，限制了其在某些辐射较强的环境下的应用； 3、材料具有较强的压电特性，限制了器件在某些应用场合的使用； 4、不能用于制作光源、探测器和光放大器等有源器件，限制了其在光电子单片集
成方面的应用。

发明内容
鉴于上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。与LiNb03材料相比，GaAs材料的温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小。 本发明的目的是通过如下技术方案来实现的 光由单模波导输入经3dB耦合器的输入波导接入3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端分为两路， 一路经3dB耦合器的左输出波导、左S形弯曲波导接左相位调制器，另一路经3dB耦合器的右输出波导、右S形弯曲波导接右相位调制器。 所述的单模波导从上至下依次为GaAs材料的上限制层、GaAs芯层、Ga卜xAlxAs下
限制层、n+-GaAS芯片衬底和下电极；所述的单模波导采用深腐蚀波导结构，即波导的上限
制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。 所述的左相位调制器和右相位调制器是基于GaAs材料的电光效应实现相位调
制功能，从上至下依次为上电极、GaAs材料的上限制层、GaAs芯层、Ga卜xAlxAs下限制层、
n+-GaAs芯片衬底和下电极。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电
极、上限制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。 所述的上电极和下电极为金属电极。 所述的3dB耦合器采用匪I耦合器。 本发明具有的有益效果是
与LiNb03材料相比，GaAs材料的温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小。基于GaAs材料的集成光学芯片有望实现与激光器、探测器、半导体光放大器(S0A)等其它有源器件的单片集成。因此在某些环境条件恶劣、或者集成度要求较高的场合，如航天、军事等领域，GaAs材料具有明显的优势。 深腐蚀波导结构可以加强波导对光的限制，从而提高相位调制器的调制效率；采用匪I作为3dB耦合器，不仅可以降低耦合器引入的传输损耗，而且可以使器件结构更加紧凑；相位调制器的上电极同时作为集成光学芯片所需要的极化器，从而不用集成额外的极化器，这进一步降低了器件的总尺寸。


图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A'剖面示意图。
图3是图1的B-B'剖面示意图。 图中1、上电极，2、上限制层，3、芯层，4、下限制层，5、芯片衬底，6、单模波导，7、3dB耦合器的输入波导，8、3dB耦合器，9、3dB耦合器的右输出波导，10、3dB耦合器的左输出波导，11、左S形弯曲波导，12、右S形弯曲波导，13、右相位调制器，14、左相位调制器，15、下电极
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 参照图1所示，光由单模波导6输入经3dB耦合器的输入波导7接入3dB耦合器8的输入端，3dB耦合器8的输出端分为两路， 一路经3dB耦合器的左输出波导10、左S形弯曲波导11接左相位调制器14，另一路经3dB耦合器的右输出波导9、右S形弯曲波导12接右相位调制器13。 所述的单模波导6从上至下依次为GaAs材料的上限制层2、GaAs芯层3、Ga卜xAlxAs下限制层4、 n+-GaAs芯片衬底5和下电极15 ;所述的单模波导6采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。 所述的左相位调制器14和右相位调制器13是基于GaAs材料的电光效应实现相位调制功能，从上至下依次为上电极2、 GaAs材料的上限制层2、 GaAs芯层3、 Ga卜xAlxAs下限制层4、 n+-GaAs芯片衬底5和下电极15。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电极1、上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。 所述的上电极1和下电极15为金属电极。
所述的3dB耦合器8采用匪I耦合器。 参照图1所示，本发明通过将3dB耦合器8、右相位调制器13及左相位调制器14集成在同一芯片上，实现了光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。 参照图2所示，本发明采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层2和芯层3两侧被全部腐蚀，下限制层4与芯层3相连接处的两侧被部分腐蚀。深腐蚀波导对光场有强烈限
4制，可以提高电光重叠因子，从而提高相位调制器的调制效率。 参照图3所示，左相位调制器14和右相位调制器13的厚度为a的上电极1直接覆盖在波导上。由于金属覆盖的波导对TM光强烈吸收，对TE光吸收很小，故左相位调制器14和右相位调制器13可同时实现极化器的功能。 以下为本发明的实施例，但本发明的实施并不仅限于这些实施例
实施例1 : 参见图3所示，芯片衬底5采用掺杂浓度为4X 1018的n+-GaAs，下限制层4为非掺杂的Ga。.93Al。.。7As，其厚度为3咖，芯层3为非掺杂的GaAs，其厚度c = l咖，上限制层2为非掺杂的Ga。.79Al。.^As，其厚度b = 0. 45um。输入单模波导6的腐蚀深度为b+c+d = 1. 75um，输入单模波导6的宽度为4um。上电极1为厚度为a = 0. 15um的Al膜，下电极15为金锗
镍合金。 未加调制电压时，由于左相位调制器14和右相位调制器13同时可作为极化器，TE光及微量TM光通过左相位调制器14和右相位调制器13输出，且两束输出光之间无相位差。当施加电压在左相位调制器14或右相位调制器13，或者同时施加极性相反的电压在左相位调制器14和右相位调制器13上，则两束输出光之间会产生相位差。
实施例2 : 参见图3所示，芯片衬底5采用掺杂浓度为4X 1018的n+-GaAs，下限制层4为掺杂浓度为1X10"的Ga。.93Al。.。7As，其厚度为3咖，芯层3为非掺杂的GaAs，其厚度c = lum，上限制层2为非掺杂的Ga。.79Al。.21As，其厚度b = 0. 45um。输入单模波导6的腐蚀深度为b+c+d = 1. 75um，输入单模波导6的宽度为4咖。上电极1为厚度为a = 0. 15um的Al膜，下电极15为金锗镍合金。 未加调制电压时，由于左相位调制器14和右相位调制器13同时可作为极化器，TE光及微量TM光通过左相位调制器14和右相位调制器13输出，且两束输出光之间无相位差。当施加电压在左相位调制器14或右相位调制器13，或者同时施加极性相反的电压在左相位调制器14和右相位调制器13上，则两束输出光之间会产生相位差。
权利要求
一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于光由单模波导(6)输入经3dB耦合器的输入波导(7)接入3dB耦合器(8)的输入端，3dB耦合器(8)的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导(10)、左S形弯曲波导(11)接左相位调制器(14)，另一路经3dB耦合器的右输出波导(9)、右S形弯曲波导(12)接右相位调制器(13)。
2. 根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于所述的单模波导(6)从上至下依次为GaAs材料的上限制层(2) 、GaAs芯层(3)、Gai—,Al,As下限制层(4)、n+-GaAs芯片衬底(5)和下电极(15);所述的单模波导(6)采用深腐蚀波导结构，即波导的上限制层(2)和芯层(3)两侧被全部腐蚀，下限制层(4)与芯层(3)相连接处的两侧被部分腐蚀。
3. 根据权利要求1所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于所述的左相位调制器(14)和右相位调制器(13)是基于GaAs材料的电光效应实现相位调制功能，从上至下依次为上电极(2)、GaAs材料的上限制层(2)、GaAs芯层(3)、Gai—xAlxAs下限制层(4) 、 n+-GaAs芯片衬底(5)和下电极(15)。所述的两个相位调制器采用深腐蚀波导结构，即波导的上电极(1)、上限制层(2)和芯层(3)两侧被全部腐蚀，下限制层(4)与芯层(3)相连接处的两侧被部分腐蚀。
4. 根据权利要求l所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于所述的上电极(1)和下电极(15)为金属电极。
5. 根据权利要求l所述的一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片，其特征在于所述的3dB耦合器(8)采用匪I耦合器。
全文摘要
本发明公开了一种基于深腐蚀波导的光纤陀螺用GaAs集成光学芯片。光由单模波导输入经3dB耦合器的输入波导接入3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端分为两路，一路经3dB耦合器的左输出波导、左S形弯曲波导接左相位调制器，另一路经3dB耦合器的右输出波导、右S形弯曲波导接右相位调制器。深腐蚀波导结构指波导的上限制层和芯层两侧被全部腐蚀，下限制层与芯层相连接处的两侧被部分腐蚀。深腐蚀波导结构可以加强波导对光的限制，从而提高相位调制器的调制效率。采用MMI作为3dB耦合器，不仅可以降低耦合器引入的传输损耗，而且可以使器件结构更加紧凑，降低了器件的总尺寸。
文档编号G01C19/72GK101770086SQ20101003959
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者李锡华, 李陈刚, 杨建义, 王明华, 肖司淼 申请人:浙江大学