一种Y分支光波导调制器芯片
技术领域
本申请涉及光纤陀螺仪技术领域，尤其涉及一种Y分支光波导调制器芯片。
背景技术
目前，光纤陀螺仪以其高精度、全固态、环境适应性强、动态范围大等突出特点，在惯性导航系统中已得到了广泛的应用。近年来，随着光纤陀螺研制技术的不断进步以及各集成光电器件制造技术的不断成熟，光纤陀螺仪正在向着低成本、小型化的方向发展，并不断拓宽在汽车无人驾驶、无人机导航等民用领域中的应用。
作为光纤陀螺仪的核心组成部分之一，Y分支光波导调制器起到了导波、起偏、分束/合束以及相位调制等多种重要的集成光学功能。同时，作为光纤陀螺仪各集成光电器件中尺寸最大的一个，Y分支光波导调制器的长度是光纤陀螺仪小型化重要的限制因素之一。为了缩小器件的尺寸特别是其长度，目前普遍采用的技术方案是缩短Y分支波导弯曲部分的长度。但是，该方案也受到了一些因素的限制，导致器件长度的缩短存在着难以突破的瓶颈。
首先，Y分支波导弯曲部分长度的缩短会导致器件半波电压的增大。铌酸锂调制器半波电压的计算公式为Vπ＝Gλ/(n3γ33LΓ)，其中G为电极间距、λ为波长，n为光波导有效折射率，γ33为铌酸锂晶体的电光系数，L为电极长度，Γ为电场对光场的调制效率(即电光重叠积分)。由于Y分支光波导调制器的电极是放置于光波导的左右两侧，因此光波导的长度特别是Y分支波导的长度直接决定了电极的长度。因此Y分支波导长度的缩短则会导致调制器半波电压的增大，超过光纤陀螺仪系统的供电能力。
其次，在现有技术中，为了降低Y分支波导长度的缩短引起的调制器半波电压的增大，常采用缩短电极间距G的方法。但是，考虑到Y波导调制器的电极是放置于光波导的左右两侧，电极间距过小则会引起电极对光波导能量的吸收，导致器件插入损耗的增加。
因此，现有的通过缩短Y分支波导弯曲部分长度以及缩短电极间距的方法以实现Y波导调制器的小型化的方式，常常受限于调制器半波电压，导致现有的小型化Y波导调制器的尺寸难以突破极限实现进一步的小型化。
实用新型内容
为了解决上述现有的通过缩短Y分支波导弯曲部分长度以及缩短电极间距的方法受限于调制器半波电压，导致现有的Y波导调制器的尺寸难以实现进一步的小型化的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种Y分支光波导调制器芯片，可以采用Z切铌酸锂晶片制作Y分支光波导调制器，有利于实现Y分支光波导调制器的小型化。
第一方面，本申请提供了一种Y分支光波导调制器芯片，包括：基底晶片、Y分支光波导、调制电极分支一、调制电极分支二和隔离层薄膜；
所述基底晶片的晶体切向为Z切，所述基底晶片上设有所述Y分支光波导，所述Y分支光波导包括入射光波导及与所述入射光波导相连接的Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂，所述Y分支光波导左臂和所述Y分支光波导右臂的上方均依次设有所述隔离层薄膜和所述调制电极分支一，所述调制电极分支二设于所述调制电极分支一的一侧，并与所述调制电极分支一形成推挽式结构。
可选的，所述基底晶片包括光学级的铌酸锂晶片或光学级的钽酸锂晶片。
可选的，所述隔离层薄膜为非金属隔离薄膜。
可选的，所述隔离层薄膜包括氧化硅薄膜或氧化铝薄膜或氧化钽薄膜。
可选的，所述隔离层薄膜的厚度不小于10nm且不大于1000nm。
可选的，所述Y分支光波导的开叉角度不大于5°，所述Y分支光波导左臂和所述Y分支光波导右臂的开口间距不小于60um。
本申请实施例提供的一种Y分支光波导调制器芯片，采用晶体切向为Z切的基底晶片，在Y分支光波导的上方依次设有隔离层薄膜和调制电极分支一，一方面由于隔离层薄膜可以有效隔离调制电极分支一与Y分支光波导，因此设于调制电极分支一的一侧的调制电极分支二可以距离调制电极分支一的间距可以更小，无需担心因调制电极分支一或调制电极分支二覆盖Y分支光波导造成的对光波导的能量吸收；另一方面可以使得调制电极分支一和调制电极分支二下方的电力线分布更为密集，因此电场对光场的调制效率更高，即电光重叠积分Γ更大；因此，结合上述两方面，本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片具有更高的电场调制效率(即电光重叠积分)以及更小的电极间距，因此具有更低的“半波电压*长度”的乘积，可以实现Y分支光波导调制电极长度的进一步缩小并且可以同时避免半波电压的大幅增加，有利于实现Y分支光波导调制器进一步的小型化。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的Y分支光波导调制器芯片的俯视结构示意图；
图2为现有的Y分支光波导调制器芯片的横截面结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种Y分支光波导调制器芯片的俯视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片的横截面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片的另一种横截面结构示意图；
图6为本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片的另一种俯视结构示意图；
图7为本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片的又一种横截面结构示意图；
图8为本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片的又一种横截面结构示意图。
图标：
1、基底晶片；2、Y分支光波导；31、调制电极分支一；32、调制电极分支二；4、隔离层薄膜；200、光波导；300、第一分支；301、第二分支。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
目前，光纤陀螺仪以其高精度、全固态、环境适应性强、动态范围大等突出特点，在惯性导航系统中已得到了广泛的应用。近年来，随着光纤陀螺研制技术的不断进步以及各集成光电器件制造技术的不断成熟，光纤陀螺仪正在向着低成本、小型化的方向发展，并不断拓宽在汽车无人驾驶、无人机导航等民用领域中的应用。
作为光纤陀螺仪的核心组成部分之一，Y分支光波导调制器起到了导波、起偏、分束/合束以及相位调制等多种重要的集成光学功能。同时，作为光纤陀螺仪各集成光电器件中尺寸最大的一个，Y分支光波导调制器的长度是光纤陀螺仪小型化重要的限制因素之一。为了缩小器件的尺寸特别是其长度，目前普遍采用的技术方案是缩短Y分支波导弯曲部分的长度。但是，该方案也受到了一些因素的限制，导致器件长度的缩短存在着难以突破的瓶颈。
首先，Y分支波导弯曲部分长度的缩短会导致器件半波电压的增大。铌酸锂调制器半波电压的计算公式为Vπ＝Gλ/(n3γ33LΓ)，其中G为电极间距、λ为波长，n为光波导有效折射率，γ33为铌酸锂晶体的电光系数，L为电极长度，Γ为电场对光场的调制效率(即电光重叠积分)。由于Y分支光波导调制器的电极是放置于光波导的左右两侧，因此光波导的长度特别是Y分支波导的长度直接决定了电极的长度。因此Y分支波导长度的缩短则会导致调制器半波电压的增大，超过光纤陀螺仪系统的供电能力。
其次，在现有技术中，为了降低Y分支波导长度的缩短引起的调制器半波电压的增大，常采用缩短电极间距G的方法。但是，考虑到Y分支光波导调制器的电极是放置于光波导的左右两侧，电极间距过小则会引起电极对光波导能量的吸收，导致器件插入损耗的增加。
因此，现有的通过缩短Y分支波导弯曲部分长度以及缩短电极间距的方法以实现Y波导调制器的小型化的方式，常常受限于调制器半波电压，导致现有的小型化Y波导调制器的尺寸难以突破极限实现进一步的小型化，基于此，本申请实施例提供一种Y分支光波导调制器芯片，可以采用晶体切向为Z切的基底晶片，具有更低的“半波电压*长度”的乘积，可以实现Y分支光波导调制电极长度的进一步缩小并且可以同时避免半波电压的大幅增加，有利于实现Y分支光波导调制器进一步的小型化。
为了便于理解，下面首先对现有技术中常见的Y分支光波导调制器芯片的结构和组成进行简单介绍，参见图1至图2，在现有技术中，调制电极的第一分支300和第二分支301位于光波导200上方的左侧和右侧。光调制器的“半波电压*长度”乘积的计算公式为VπL＝Gλ/(n3γ33Γ)，其中G为电极间距、λ为波长、n为光波导有效折射率、γ33为铌酸锂晶体的电光系数、L为调制电极长度、Γ为电场对光场的调制效率(即电光重叠积分)，可以看出，由于公式右侧的各物理量均为固定值，VπL这一乘积也是固定值，因此调制电极长度L越短则半波电压Vπ越大。为降低调制电极长度L缩短引起的半波电压Vπ增大，常采用缩小电极间距G或提升电光重叠积分Γ的方案。在现有技术方案中，调制电极的第一分支300和第二分支301位于光波导200上方的左侧和右侧，电极间距过小会导致调制电极对光波导200的能量吸收，引起器件插入损耗的增加。现有结构中由于光波导200处于调制电极的电力线分布EL的中间位置，电极间距的变化对电光重叠积分Γ的提升作用较为有限，因此很难通过提升电光重叠积分Γ的方案降低光调制器的半波电压。
针对上述现有技术中常见的Y分支光波导调制器芯片存在的问题，下面对本申请实施例提供的一种Y分支光波导调制器芯片进行详细介绍，参见图3至图8，Y分支光波导调制器芯片包括：基底晶片1、Y分支光波导2、调制电极分支一31、调制电极分支二32和隔离层薄膜4；
基底晶片1的晶体切向为Z切，基底晶片1上设有Y分支光波导2，Y分支光波导2包括入射光波导及与入射光波导相连接的Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂，Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的上方均依次设有隔离层薄膜4和调制电极分支一31，调制电极分支二32设于调制电极分支一31的一侧，并与调制电极分支一31形成推挽式结构。
这里，在本申请的一些具体实施例中，基底晶片1可以包括光学级的铌酸锂晶片或光学级的钽酸锂晶片，厚度在0.1mm至2mm。所述基底晶片11的厚度优选采用1mm。
这里，在本申请的一些具体实施例中，Y分支光波导2可以指具有Y分支结构的光波导，这里，Y分支光波导2的入射光波导分别连接有Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂，形成分叉，这里，在本申请的一些具体实施例中，Y分支光波导2的开叉角度，这里将开叉角度记为Φ，Φ可以是不大于5°，这里，作为一个优选，Φ可以是1°；这里，作为一个示例，Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的开口间距，这里将开口间距记为D，开口间距D可以为不小于60um，作为一个优选，可以是400um，这里，作为一个示例，Y分支光波导调制器芯片的总长度L可以是不大于30mm，作为一个优选可以是20mm。这里，作为另外一个示例，Y分支光波导2可以采用成熟的钛扩散工艺或退火质子交换工艺制备得到。进一步的，考虑到退火质子交换光波导优秀的起偏特性，Y分支光波导2优选采用退火质子交换工艺制备得到。
这里，在本申请的一些具体实施例中，调制电极可以包括调制电极分支一31和调制电极分支二32，调制电极分支一31和调制电极分支二32可以为铬/金或钛/金的金属薄膜，这里，作为一个示例，铬薄膜或钛薄膜的厚度可以在10nm至100nm，其作用可以是用于提高基底晶片1与金薄膜之间的粘附性，这里，作为一个示例，金薄膜的厚度可以在100nm至1000nm，这里，在本申请的一些具体实施例中，调制电极分支二32设于调制电极分支一31的一侧，并与调制电极分支一31形成推挽式结构，这里，调制电极分支一31设于Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的上方，也就是Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的上方均被调制电极分支一31覆盖，中间隔有隔离层薄膜4。调制电极分支二32可以设于调制电极分支一31的一侧；这里，在本申请的一些具体实施例中，调制电极分支一31可以是如图3至图5所示的分离式结构，分离的两个调制电极分支一31分别覆盖于Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的上方，此时，调制电极分支二32也可以是分离式结构，分离的两个调制电极分支二32可以分别设于分离的两个调制电极分支一31的外侧，即每一个调制电极分支二32均远离两个分离的调制电极分支一31设置，并且与对应的调制电极分支一31形成推挽式结构；也可以设于分离的两个调制电极分支一31之间，并且与对应的调制电极分支一31形成推挽式结构，具体的这里不做限制；这里，在本申请的一些具体实施例中，调制电极分支一31还可以是如图6至图8所示的整体式结构，整体结构的调制电极分支一31可以完全覆盖于Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的上方，此时，调制电极分支二32可以是分离式结构，分离的两个调制电极分支二32可以分别设于整体结构的调制电极分支一31的两侧，与调制电极分支一31形成推挽式结构，具体的这里不做限制。
这里，在本申请的一些具体实施例中，隔离层薄膜4可以为非金属隔离薄膜。
这里，在本申请的一些具体实施例中，隔离层薄膜4包括氧化硅薄膜或氧化铝薄膜或氧化钽薄膜。
在本申请的一些具体实施例中，隔离层薄膜4的厚度不小于10nm且不大于1000nm。
这里，由于直接将调制电极分支一31设于Y分支光波导2的Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂上，调制电极分支一31为金属薄膜，沉积于Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂上方的金属薄膜的调制电极分支一31会对传输于Y分支光波导2中的光波能量进行吸收，导致器件插入损耗的增加，因此，在Y分支光波导2与调制电极分支一31之间插入隔离层薄膜4，以隔离Y分支光波导2与调制电极分支一31，防止调制电极分支一31对光波能量的吸收，保证光波能量的可靠传输，这里，在本申请的一些具体实施中，隔离层薄膜4可以整体地放置于基底晶片1的上表面，用以将调制电极分支一31、调制电极分支二32与基底晶片1进行全部地隔离；也可以仅放置于基底晶片1与调制电极分支一31之间。在本申请的一些具体实施例中，为了降低基底晶片1存在的热释电效应，隔离层薄膜4可以仅放置于Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂的正上方，用于隔离Y分支光波导左臂和Y分支光波导右臂上与调制电极分支一31，调制电极分支二32则直接放置于基底晶片1的上表面。
隔离层薄膜4可采用氧化硅、氧化铝、氧化钽等任一种氧化物材料，厚度不小于10nm。
在本申请的一些具体实施例中，考虑到隔离层薄膜4的引入会形成对调制电压的分压作用，导致Y分支光波导调制器的半波电压的增加，隔离层薄膜4的厚度可以不大于1000nm。
本申请实施例提供的一种Y分支光波导调制器芯片，采用晶体切向为Z切的基底晶片1，在Y分支光波导2的上方依次设有隔离层薄膜4和调制电极分支一31，一方面由于隔离层薄膜4可以有效隔离调制电极分支一31与Y分支光波导2，因此设于调制电极分支一31的一侧的调制电极分支二32可以距离调制电极分支一31的间距缩小至最小，无需担心调制电极分支一31或调制电极分支二32压迫Y分支光波导2造成的对光波导的能量吸收；另一方面可以使得调制电极分支一31和调制电极分支二32下方的电力线分布更为密集，因此电场对光场的调制效率更高，即电光重叠积分Γ更大；因此，结合上述两方面，本申请实施例提供的Y分支光波导调制器芯片具有更高的电场调制效率(即电光重叠积分)以及更小的电极间距，因此具有更低的“半波电压*长度”的乘积，可以实现Y分支光波导2调制电极长度的进一步缩小并且可以同时避免半波电压的大幅增加，有利于实现Y分支光波导调制器进一步的小型化。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
