硅基光子集成芯片光纖陀螺

毛玉政，何 建，謝良平，萬(wàn) 洵，崔志超，李艾倫

（1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065；2.陸軍裝備部駐株洲地區(qū)航空軍事代表室，株洲 412000）

基于光纖陀螺（Fiber Optical Gyroscope,FOG）的慣性傳感器作為航空、航海以及陸地導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其精度和可靠性直接影響武器平臺(tái)的作戰(zhàn)效能。未來(lái)小體積、低成本、中低精度的光纖陀螺在軍用領(lǐng)域包括戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)、姿態(tài)控制、穩(wěn)瞄、彈藥制導(dǎo)化等，以及民用航空、自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人等領(lǐng)域市場(chǎng)需求巨大。但目前傳統(tǒng)光纖陀螺的核心器件均為分立封裝，尺寸較大，裝配工序多且耗時(shí)長(zhǎng)，需要較多人力參與，生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)能小，制造成本高，同時(shí)產(chǎn)品性能的一致性和長(zhǎng)期可靠性也存在缺陷，這些不足已成為限制光纖陀螺大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸。因此，進(jìn)一步降低光纖陀螺的生產(chǎn)成本，減小體積并大幅提高出貨量，刻不容緩。

光纖陀螺根據(jù)控制方式的不同，可分為開(kāi)環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺，其主要區(qū)別是閉環(huán)光纖陀螺采用高速調(diào)制的集成光學(xué)調(diào)制器（Y 波導(dǎo)）引入非互易相移，以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac 相移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；而開(kāi)環(huán)光纖陀螺采用低調(diào)制頻率的壓電陶瓷（PZT）作為調(diào)制器件，施加偏置相位以增大工作響應(yīng)靈敏度。近年來(lái)，隨著集成光學(xué)設(shè)計(jì)、微納加工水平的不斷提高，利用光子集成芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖分立器件以實(shí)現(xiàn)小體積、低成本、可大規(guī)模批量生產(chǎn)的光纖陀螺技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。其中硅基光子芯片因其與集成電路的CMOS 工藝兼容，工藝相對(duì)成熟，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，且具備最終實(shí)現(xiàn)陀螺有源器件與無(wú)源器件單片混合集成的潛力，逐漸成為光子集成芯片光纖陀螺的主流方案。目前國(guó)內(nèi)外許多單位包括：美國(guó)加州大學(xué)（UCSB）[1-3]、加州理工大學(xué)[4]、KVH 公司[5]、Honeywell 公司[6]，英國(guó)Bookham 公司[7]，國(guó)內(nèi)航天33 所[8-10]等均在集成化光纖陀螺方面開(kāi)展了相關(guān)研究，且大多基于閉環(huán)架構(gòu)。其中，UCSB 的Tran 課題組在美國(guó)DARPA 支持下設(shè)計(jì)了用于FOG 的光子芯片，4.5 mm2的硅基芯片上集成了光源、探測(cè)器、調(diào)制器、3 dB 耦合器，并進(jìn)行了陀螺驗(yàn)證，精度數(shù)百度/時(shí)；2020年KVH 公司發(fā)布一款基于開(kāi)環(huán)架構(gòu)的光子集成芯片慣性測(cè)量單元P-1775，其在光學(xué)芯片上集成了2 個(gè)耦合器和1 個(gè)起偏器，精度比MEMS 陀螺高十幾倍以上，卻擁有與MEMS 陀螺可比擬的成本優(yōu)勢(shì)，后續(xù)針對(duì)不同的應(yīng)用需求，相繼發(fā)布了P-1725，P-1755等不同精度的光子集成芯片IMU，相應(yīng)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于運(yùn)載火箭、無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域，這也是目前國(guó)內(nèi)外公開(kāi)報(bào)道的唯一成熟應(yīng)用的光子集成芯片光纖陀螺。

總體來(lái)看，由于高調(diào)制速率、大帶寬、高線性度的片上調(diào)制方案尚不成熟，目前受關(guān)注較多的片上薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器在低損耗設(shè)計(jì)與批產(chǎn)工藝等方面仍需進(jìn)一步研究[11]，因此基于閉環(huán)架構(gòu)的單片集成光纖陀螺尚處于原理樣機(jī)研究階段，而基于開(kāi)環(huán)架構(gòu)的無(wú)源器件芯片集成的光纖陀螺在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品級(jí)的應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)集成光學(xué)微納加工產(chǎn)業(yè)尚未形成規(guī)模，同時(shí)受限于工藝精度水平，相關(guān)研究幾乎為空白。研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期從事傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺設(shè)計(jì)、光纖器件制作、陀螺控制算法研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了光子集成芯片光纖陀螺研究。本論文基于國(guó)內(nèi)微納加工水平現(xiàn)狀，提出了一種工藝精度要求相對(duì)較低的硅基光子集成芯片光纖陀螺設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行芯片工藝冗余設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)光子芯片的完全自主可控；完成了硅基光子集成芯片的加工、耦合測(cè)試，并與超細(xì)徑保偏光纖陣列快速封裝，實(shí)現(xiàn)了光子集成芯片光纖陀螺原理樣機(jī)。

1 陀螺光路方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由超輻射發(fā)光二極管（SLD）、耦合器1、起偏器、耦合器2、光纖環(huán)、壓電陶瓷（PZT）調(diào)制器等幾部分構(gòu)成。SLD 光源發(fā)出的光包含兩種不同偏振模式TE0 與TM0，經(jīng)耦合器1 分束，一部分光進(jìn)入光纖死端被吸收耗散，另一部分光進(jìn)入起偏器，由于起偏器的偏振模式選擇，變成線偏振光繼續(xù)傳輸；經(jīng)耦合2 分成兩束光進(jìn)入光纖環(huán)，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鞑?，且滿足相干條件；當(dāng)光纖環(huán)繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生Sagnac 效應(yīng)，從而回到耦合器2 的干涉光強(qiáng)發(fā)生變化，PZT 調(diào)制器對(duì)順、逆兩束光施加一非互易相位偏置，使得光纖陀螺相位檢測(cè)靈敏度最大；干涉光信號(hào)經(jīng)耦合器2、起偏器、耦合器1 進(jìn)入探測(cè)器，檢測(cè)旋轉(zhuǎn)引起的光強(qiáng)變化，通過(guò)陀螺檢測(cè)電路解調(diào)得到旋轉(zhuǎn)角速率信息。

圖1 開(kāi)環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Scheme layout of the open-loop FOG

光子集成芯片光纖陀螺主要是基于傳統(tǒng)陀螺光路結(jié)構(gòu)，利用平面光波導(dǎo)器件代替陀螺中的分立光纖器件，減少光纖器件互連，實(shí)現(xiàn)功能器件的片上集成，從而減小光路尺寸；借助光刻工藝，在單片晶圓上可一次加工成百上千顆光子芯片，器件一致性大幅提升，具有極大的規(guī)模生產(chǎn)效應(yīng)，顛覆傳統(tǒng)光纖陀螺制造模式；且光刻工藝中成本較高的光刻掩膜可重復(fù)多次使用，有效降低成本。

開(kāi)環(huán)光纖陀螺光路中的功能器件可分為無(wú)源器件和有源器件兩大類，其中無(wú)源器件包括耦合器1、偏振器、耦合器2 等；有源器件包括光源、探測(cè)器及調(diào)制器。無(wú)源器件多采用硅、二氧化硅等高透明材料，減小光與物質(zhì)相互作用，降低損耗；有源器件需要光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用，多選用III-V 族化合物半導(dǎo)體、某些晶體等。因此兩類功能器件需要不同的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前有源器件與無(wú)源器件的單片異質(zhì)混合集成尚不成熟。為了快速推進(jìn)光子集成芯片光纖陀螺的工程化，本文采用一種目前相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)的集成方案，其光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光子集成芯片光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)Fig.2 Scheme layout of the photonics integrated chip based FOG

光子集成芯片主要實(shí)現(xiàn)耦合器1、耦合器2、起偏器、模式轉(zhuǎn)換器、光纖—波導(dǎo)低損耗端面耦合結(jié)構(gòu)及片上雜散光吸收結(jié)構(gòu)等多個(gè)無(wú)源器件的片上集成；調(diào)制器目前尚無(wú)成熟且低成本的片上解決方案，故仍采用PZT 結(jié)構(gòu)；芯片波導(dǎo)與光纖環(huán)、SLD 及探測(cè)器通過(guò)一個(gè)四通道的超細(xì)徑保偏光纖陣列實(shí)現(xiàn)快速耦合；為了減少熔點(diǎn)降低損耗，光纖陣列尾纖與SLD、探測(cè)器直接耦合，光纖環(huán)與陣列3、4 通道尾纖保偏熔接。

2 光子集成芯片設(shè)計(jì)、加工及測(cè)試

光子集成芯片是該光纖陀螺的核心部件，直接影響陀螺性能指標(biāo)。常見(jiàn)的用于無(wú)源芯片設(shè)計(jì)材料主要有三種：絕緣體上硅（SOI）、硅基二氧化硅（SOS）及硅基氮化硅。傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺采用光源是中心波長(zhǎng)為850 nm 的寬譜SLD 光源，SOI 波導(dǎo)的芯層為硅材料，硅吸收光子的截至波長(zhǎng)為1100 nm，在850 nm波段是不透明的；SOS 波導(dǎo)芯層為重?fù)诫s的二氧化硅，包層為二氧化硅，芯層—包層的折射率差小，導(dǎo)致器件尺寸較大,且很難實(shí)現(xiàn)特殊功能設(shè)計(jì)；而硅基氮化硅波導(dǎo)透明窗口可覆蓋850 nm～1550 nm 整個(gè)波段，且波導(dǎo)傳輸損耗可以做到極低，因此采用硅基氮化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子芯片設(shè)計(jì)。

利用硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了核心功能器件設(shè)計(jì),主要包括四個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)：

（1）低損耗、均勻分束比的片上耦合器；

（2）低損耗、超高消光比片上偏振器；

（3）低損耗端面耦合結(jié)構(gòu)；

（4）片上雜散光隔離抑制。

分別利用多模干涉（MMI）結(jié)構(gòu)、Y 分支來(lái)實(shí)現(xiàn)3 dB 耦合器1、2，并結(jié)合工藝精度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大加工誤差容限，且耦合器輸出兩臂的間距與保偏光纖陣列通道間距相同；設(shè)計(jì)大寬高比硅基光波導(dǎo)，利用波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)雙折射特性，實(shí)現(xiàn)高偏振消光比；針對(duì)波導(dǎo)與光纖折射率及模場(chǎng)不匹配導(dǎo)致的較大直接耦合損耗，設(shè)計(jì)優(yōu)化倒錐結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)端面與光纖模場(chǎng)匹配，提高耦合效率。利用 Lumerical FDTD Solutions、Mode Solutions 軟件進(jìn)行建模仿真、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的MMI 結(jié)構(gòu)、Y 分支仿真結(jié)果如圖3所示，表明兩種耦合器均可實(shí)現(xiàn)幾近完美1：1的分束比，損耗＜0.1 dB；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)倒錐結(jié)構(gòu),仿真可得到＞88%的波導(dǎo)—光纖耦合效率；高消光比、低附加損耗的偏振器的設(shè)計(jì)是光子集成芯片實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多種方案探索，仿真實(shí)現(xiàn)了片上＞60 dB 的消光比，附加損耗＜0.2 dB。

圖3 兩種耦合器結(jié)構(gòu)仿真Fig.3 Simulation of two coupler structures

利用國(guó)內(nèi)某Foundry 廠248 nm 的深紫外（DUV）光刻工藝進(jìn)行光子集成芯片加工，主要的工藝步驟是：在硅晶圓上利用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（PECVD）生長(zhǎng)二氧化硅下包層；為了提高波導(dǎo)芯層的生長(zhǎng)質(zhì)量，降低傳輸損耗，利用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）生長(zhǎng)均勻致密的SiN 膜層；加工掩膜，利用光刻、刻蝕工藝形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后再生長(zhǎng)上包層。芯片加工完成后，依次進(jìn)行晶圓劃片、芯片端面研磨處理，利用5 nm 超高精度六維耦合系統(tǒng)測(cè)試器件性能，如圖4所示，分別與光纖及光纖陣列耦合測(cè)試。在顯微鏡下觀察Y 分支、MMI 耦合器結(jié)構(gòu)如圖5所示，測(cè)試得到Y(jié) 分支耦合器：插入損耗0.43 dB，分光比優(yōu)于48%：52%；MMI 耦合器：插入損耗0.40 dB，分光比優(yōu)于47%：53%。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)端面倒錐結(jié)構(gòu)，測(cè)試波導(dǎo)—光纖耦合損耗1.8 dB（耦合效率約66%）。

圖4 光子集成芯片測(cè)試Fig.4 Experimental setups of the photonics integrated chip

圖5 顯微鏡下兩種耦合器結(jié)構(gòu)Fig.5 Two coupler structures observed by microscope

相比波導(dǎo)與光纖的直接耦合，效率有大幅提升，但與仿真結(jié)果對(duì)比有較大差距，可能的原因是芯片加工工藝精度不足，而倒錐波導(dǎo)的尺寸較小，引起了較大的傳輸損耗。測(cè)試得到偏振器的消光比為31.3 dB,附加損耗＜0.4 dB。光子集成芯片的核心功能器件性能基本達(dá)到應(yīng)用需求，單顆光子芯片尺寸約4 mm×3 mm。

3 陀螺樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)芯片快速耦合封裝，設(shè)計(jì)并加工了四通道60 μm/100 μm 超細(xì)徑保偏光纖陣列，通道間距250 μm，如圖6所示。其可實(shí)現(xiàn)四條波導(dǎo)與光纖的一次對(duì)接耦合，提高生產(chǎn)效率。光纖陣列的通道間距及保偏光纖對(duì)軸精度要求較高，以減小耦合損耗及退偏影響。測(cè)試加工的保偏光纖陣列消光比＞25 dB，通道間距誤差 ± 200 nm。

圖6 四通道超細(xì)徑保偏光纖陣列Fig.6 Four-channel ultra-fine polarization maintaining fiber array

對(duì)光子芯片與光纖陣列端面進(jìn)行傾斜研磨，以降低端面反射對(duì)芯片性能影響。利用六維高精度調(diào)節(jié)臺(tái)完成光子芯片與超細(xì)徑保偏光纖陣列的耦合與紫外固化封裝，封裝后的光子芯片如圖7(a)所示。為了快速驗(yàn)證光子芯片性能及直觀地對(duì)比光子集成芯片光纖陀螺性能，利用封裝的光子芯片對(duì)某型號(hào)傳統(tǒng)光纖陀螺的光路器件進(jìn)行了替換，而敏感光纖環(huán)、控制電路、結(jié)構(gòu)均未改變。基于團(tuán)隊(duì)自研的超細(xì)徑保偏光纖熔接機(jī)，實(shí)現(xiàn)60 μm 光纖陣列尾纖與40 μm 光纖環(huán)（長(zhǎng)度約250 m）的保偏熔接，如圖7(b)所示，陀螺，完成陀螺光路裝配。進(jìn)行陀螺控制電路調(diào)試、結(jié)構(gòu)裝配，搭建光子集成芯片光纖陀螺原理樣機(jī)，如圖8所示。

圖7 光子芯片封裝及陀螺光路熔接Fig.7 The photonic chip package and the gyro optical system fusion

圖8 光子集成芯片光纖陀螺樣機(jī)Fig.8 Photonics integrated chip based FOG prototype

4 樣機(jī)測(cè)試分析

為了直觀比較陀螺性能，分別對(duì)相同結(jié)構(gòu)的光子集成芯片光纖陀螺與傳統(tǒng)光纖陀螺的常溫靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中保持環(huán)境溫度25℃，陀螺輸出采樣間隔1 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)1800 s。兩個(gè)陀螺的常溫零偏性能測(cè)試結(jié)果分別如圖9 和圖10所示，圖中藍(lán)線為陀螺原始零偏輸出，紅線為10 s 平滑處理結(jié)果。從圖中可以看出，光子集成芯片光纖陀螺的漂移較小，測(cè)得相關(guān)陀螺參數(shù)及指標(biāo)如表1所示。

圖9 光子集成芯片光纖陀螺零偏測(cè)試Fig.9 The bias of the photonics integrated chip based FOG

圖10 同結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)光纖陀螺零偏測(cè)試Fig.10 The bias of the traditional FOG with same structure

通過(guò)計(jì)算，光子集成芯片光纖陀螺零偏穩(wěn)定性0.2 °/h（10 s），而該相同結(jié)構(gòu)的全光纖器件光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性0.3 °/h（10 s），陀螺零偏性能有一定提高，這與光子芯片對(duì)器件性能提升有關(guān)。設(shè)計(jì)的片上耦合器、偏振器，相比于傳統(tǒng)拉錐器件，分束比更加均勻、消光比也有了提高，能夠更好地抑制偏振誤差及噪聲。且與傳統(tǒng)封裝的拉錐耦合器與偏振器相比，利用光子芯片可將器件尺寸由約21mm ×16 mm減小至7 mm ×4mm，器件面積變?yōu)樵瓉?lái)的十二分之一，這對(duì)進(jìn)一步減小整個(gè)陀螺尺寸具有十分重要的意義。但是與傳統(tǒng)光纖陀螺相比，光子集成芯片光纖陀螺的工作電流較大，這主要是因?yàn)橥勇莶捎霉β史答伩刂疲ぷ髦斜３痔綔y(cè)光功率不變，由于芯片波導(dǎo)與光纖的耦合損耗、光纖陣列尾纖與光纖環(huán)之間異徑保偏光纖熔接損耗較大，導(dǎo)致陀螺光路損耗增大，SLD 的驅(qū)動(dòng)電流變大，長(zhǎng)期可能會(huì)影響光源壽命。這需要進(jìn)一步優(yōu)化光子芯片設(shè)計(jì)及耦合工藝，減小端面耦合損耗；選用同種芯徑光纖繞環(huán)及加工保偏光纖陣列，或采取直接耦合方式減少熔點(diǎn)，以降低熔接損耗。

綜上所述，利用硅基光子集成芯片實(shí)現(xiàn)了全部無(wú)源器件的片上集成，成功實(shí)現(xiàn)了陀螺樣機(jī)，性能較好。但當(dāng)前芯片性能還需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)芯片集成的器件相對(duì)較少，下一步將不斷提高光子芯片集成度。隨著微納光學(xué)加工水平的不斷提高及有源/無(wú)源器件異質(zhì)混合集成技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)功能器件單片集成，進(jìn)一步減小光纖陀螺體積與成本，從而大規(guī)模批量生產(chǎn)。

5 結(jié)論

光纖陀螺的光路小型化、芯片集成化是發(fā)展的必然趨勢(shì)?；趪?guó)內(nèi)微納工藝現(xiàn)狀，本文提出了一種工藝精度要求相對(duì)較低較、易于快速工程化的硅基光子集成芯片光纖陀螺設(shè)計(jì)方案?；陂_(kāi)環(huán)光纖陀螺架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光纖陀螺無(wú)源器件的片上集成，并利用超細(xì)徑保偏光纖陣列進(jìn)行芯片與陀螺光路系統(tǒng)的快速耦合封裝，搭建了光子集成芯片光纖陀螺樣機(jī)，常溫零偏穩(wěn)定性可達(dá)到0.2 °/h，性能優(yōu)于相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)全光纖器件光纖陀螺，相關(guān)研究可為未來(lái)實(shí)現(xiàn)全片上集成的光學(xué)陀螺奠定基礎(chǔ)。