一种硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片及制备方法与流程

本发明属于光电集成芯片，具体为一种硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片及制备方法。

背景技术：

1、光学陀螺基于sagnac效应实现载体角速度测量，是惯性导航与姿态控制的核心器件，广泛应用于航天、航空、航海、测绘及无人系统等领域。随着小型无人机、自动驾驶、机器人等产业的迅速发展，市场对低成本、高性能、小型化、轻量级陀螺的需求日益迫切，集成光学陀螺因其在体积、重量、功耗和成本方面的综合优势，被普遍认为是惯性器件的重要发展方向。

2、然而，为突破分立式架构的限制，产业界先后探索了多种集成化技术路线，但每种路线均有其固有短板：

3、1、soi波导的传输损耗较高，侧壁散射损耗和双光子吸收效应限制光程长度的扩展，难以在芯片上实现等效于光纤环圈的长光程敏感单元，必须依赖外接光纤环圈来保证灵敏度，削弱单片集成的优势。

4、2、纯氮化硅方案利用si3n4材料超低传输损耗、宽透明窗口和低热光系数的特性，但其根本性缺陷在于氮化硅作为介质材料缺乏电光效应和载流子复合发光能力，无法直接制备调制器、光源和探测器等有源器件。

5、3、薄膜铌酸锂平台的无源波导损耗相对较高，起偏器和分束器等无源功能器件的性能仍不及氮化硅或二氧化硅平台，tfln与光纤的低损耗耦合仍是工程难题，端面耦合损耗较大，且片上难以实现长光程低损耗传输，同样依赖外接光纤环圈，此外，薄膜铌酸锂波导的偏振杂化效应和热光效应引入的非互易相位误差也制约了零偏稳定性的进一步提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：以soi衬底为集成基底，将si3n4低损耗波导与铌酸锂电光调制器实现低温异质一体化集成，搭配双微环谐振结构放大sagnac干涉信号，利用三维螺旋波导延长有效光程，片上集成光电探测、闭环温控与相位补偿单元，通过lpcvd沉积的si3n4波导层可以实现超低传输损耗特性，在芯片上实现了长达50cm的三维螺旋波导，彻底摆脱了对外接光纤环圈的依赖，使得sagnac相移积累所需的长光程能够在单片芯片内紧凑完成，同时将总损耗控制在10db以内，保证足够的光功率到达探测器，从而在提升集成度的同时，为高灵敏度角速度检测奠定了低噪声的光学基础，集成的薄膜铌酸锂电光调制器具有半波电压长度积小于3v·cm的优异性能，可在低驱动电压下实现高效相位调制，同时，片上集成的pt温度传感器与微加热器通过闭环控制回路实现±0.01℃的高精度温控，mzi相位补偿器进一步稳定工作偏置点，有效抑制环境温度波动引起的漂移，整套角速度敏感、信号调制、温度抑制、相位校准器件共衬底制备，消除多芯片耦合带来的装配漂移与损耗波动，将tfln调制器置于si3n4波导层上方，使光信号仅在氮化硅低损耗波导中完成长光程传输和谐振增强，而铌酸锂仅承担高效的相位调制功能，从而规避tfln平台无源波导损耗高及偏振杂化的问题，同时，片上集成的pt温度传感器与微加热器构成闭环温控回路，有效抑制热光效应引入的非互易相位误差，mzi相位补偿器则动态消除电光调制器的直流漂移，二者协同作用显著提升陀螺的零偏稳定性，确保系统在复杂环境下长期可靠运行。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片及制备方法。

4、第一方面，本发明提供一种技术方案：一种硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片，包括芯片壳和引脚，所述引脚固定连接于芯片壳上：

5、soi晶圆，所述soi晶圆安装设置于芯片壳内；

6、si3n4波导层，所述si3n4波导层通过lpcvd沉积设置于soi晶圆的顶部；

7、薄膜铌酸锂层，所述薄膜铌酸锂层通过晶圆键合设置于si3n4波导层的顶部。

8、其中，所述soi晶圆上安装设置有光电探测器、pt温度传感器、微加热器和mzi相位补偿器，所述pt温度传感器与微加热器通过闭环控制回路连接，所述mzi相位补偿器与光电探测器波导连接。

9、其中，所述si3n4波导层中安装设置有三维螺旋波导、第一微环谐振器和第二微环谐振器，所述第一微环谐振器和第二微环谐振器分别与三维螺旋波导的输入端和输出端耦合。

10、其中，所述薄膜铌酸锂层中安装设置有电光调制器，所述电光调制器与三维螺旋波导光耦合连接。

11、其中，所述三维螺旋波导的波导长度不小于50cm，且三维螺旋波导的波导长度占芯片面积小于10mm²，所述si3n4波导层的波导传输损耗小于0.2db/cm。

12、其中，所述si3n4波导层的厚度为300nm，所述薄膜铌酸锂层的厚度为300nm。

13、第二方面，根据上述第一方面本发明还提供一种技术方案：一种硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片的制备方法，包括以下步骤：

14、步骤一、基底清洗：对所述soi晶圆进行清洗，获得芯片soi晶圆基底。

15、步骤二、si3n4沉积：通过lpcvd将si3n4沉积在所述芯片soi晶圆基底上，获得si3n4波导层。

16、步骤三、波导光刻与刻蚀：对所述si3n4波导层进行光刻与刻蚀，定义三维螺旋波导图形、第一微环谐振器图形和第二微环谐振器图形。

17、步骤四、表面cmp平坦化：对刻蚀后的所述si3n4波导层表面进行cmp平坦化处理。

18、步骤五、tfln晶圆键合：将薄膜铌酸锂晶圆在低温条件下通过晶圆级键合工艺转移键合至si3n4波导层上。

19、步骤六、手柄层去除：去除所述薄膜铌酸锂晶圆的支撑衬底，获得薄膜铌酸锂层。

20、步骤七、ln波导定义：对所述薄膜铌酸锂层进行光刻与刻蚀，定义电光调制器图形。

21、步骤八、电极沉积与图形化：在所述薄膜铌酸锂层上沉积电极金属并进行图形化，形成电光调制器电极。

22、步骤九、微环与螺旋波导制备：在所述soi晶圆上集成光电探测器、pt温度传感器、微加热器和mzi相位补偿器。

23、步骤十、通孔与金属互连：制备通孔与金属互连层，实现各器件之间的电连接。

24、步骤十一、钝化与划片：沉积钝化层并对完成工艺的晶圆进行划片，并放入芯片壳内进行封装，获得硅光异质集成单片式光学陀螺光子芯片。

25、进一步的，在步骤三中，所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的半径均为80μm，且第一微环谐振器和第二微环谐振器的品质因子q值大于1×106

26、进一步的，在步骤五中，所述薄膜铌酸锂晶圆在si3n4波导层上晶圆键合的温度低于300℃。

27、进一步的，在步骤五中，所述薄膜铌酸锂晶圆的电光调制器的半波电压长度积小于3v·cm。

28、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

29、（1）本发明中，以soi衬底为集成基底，将si3n4低损耗波导与铌酸锂电光调制器实现低温异质一体化集成，搭配双微环谐振结构放大sagnac干涉信号，利用三维螺旋波导延长有效光程，片上集成光电探测、闭环温控与相位补偿单元。

30、（2）本发明中，通过lpcvd沉积的si3n4波导层可以实现超低传输损耗特性，在芯片上实现了长达50cm的三维螺旋波导，彻底摆脱了对外接光纤环圈的依赖，使得sagnac相移积累所需的长光程能够在单片芯片内紧凑完成，同时将总损耗控制在10db以内，保证足够的光功率到达探测器，从而在提升集成度的同时，为高灵敏度角速度检测奠定了低噪声的光学基础。

31、（3）本发明中，集成的薄膜铌酸锂电光调制器具有半波电压长度积小于3v·cm的优异性能，可在低驱动电压下实现高效相位调制，同时，片上集成的pt温度传感器与微加热器通过闭环控制回路实现±0.01℃的高精度温控，mzi相位补偿器进一步稳定工作偏置点，有效抑制环境温度波动引起的漂移，整套角速度敏感、信号调制、温度抑制、相位校准器件共衬底制备，消除多芯片耦合带来的装配漂移与损耗波动。

32、（4）本发明中，将tfln调制器置于si3n4波导层上方，使光信号仅在氮化硅低损耗波导中完成长光程传输和谐振增强，而铌酸锂仅承担高效的相位调制功能，从而规避tfln平台无源波导损耗高及偏振杂化的问题，同时，片上集成的pt温度传感器与微加热器构成闭环温控回路，有效抑制热光效应引入的非互易相位误差，mzi相位补偿器则动态消除电光调制器的直流漂移，二者协同作用显著提升陀螺的零偏稳定性，确保系统在复杂环境下长期可靠运行。