光纤陀螺用GaAs集成光学芯片的研制

论文摘要

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。由于高精度的光纤陀螺主要应用于高端武器的导航,具有战略意义,因此不可能从国外直接买到,故依靠自己的力量研制出高性能的光纤陀螺具有很重要的意义!GaAs材料制成的集成光学器件具有良好的抗辐射、光传播和温度特性,并且可以与激光器、光电探测器等有源器件实现单片集成。因此,基于GaAs材料的集成光学芯片在光纤陀螺系统中,尤其是在恶劣环境下优势明显,故有很高的研究价值。本论文中所设计的多功能集成光学芯片采用深腐蚀波导结构以降低半波电压Vπ,主要由带S弯曲的1×2 MMI功分器、两个相位调制器、两个TE/TM模式偏振器三部分组成。由于金属覆盖型脊波导对TE模和TM模的光具有不同的传输损耗,因此,当我们采用上下电极的相位调制器,则调制器的上电极同时可以作为TE/TM模式偏振器使用,故无需设计额外的偏振器,从而可以减小整个器件的尺寸。本论文对芯片的各个组成部分进行了仿真模拟和优化设计,从优化的结果来看,当电极长度为7.5mm时,功分器及S弯曲引入的损耗＜0.1dB,电极对TE光的吸收＜1dB,偏振消光比＞100dB,单臂调制时Vπ为10V。模拟结果表明,GaAs材料可以制作出高性能的光纤陀螺用多功能集成光学芯片。本论文在优化设计的基础上,完成了芯片的制作,芯片的尺寸为15mm×0.5mm。当输入光波长为1.55μm时,芯片的测试结果为:Al-GaAs肖特基势垒的正向电压在0.5V左右,反向击穿电压一般在60-70V,单臂调制时Vπ为24V,调制消光比为28.3dB,TE/TM模消光比为29.9dB,TE光的插入损耗为-44.7dB,其中约有10dB为端面的耦合损耗,约有1dB为功分器及上电极引入的损耗,其它33.7dB是制作上电极时,有部分Al膜覆盖在梯形波导的侧面引起的。通过本论文的工作,GaAs多功能集成光学芯片的设计和制作均取得了一定的成果,为进一步设计和制作实用化的芯片打下了基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤陀螺原理
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 干涉型光纤陀螺基本原理
• 1.1.3 改善光纤陀螺灵敏度的方法
• 1.1.4 光纤陀螺互易结构
• 1.2 集成光学型光纤陀螺用集成光学芯片概述
• 1.3 本论文工作
• 第2章 芯片的分析及设计
• 2.1 相位调制器的分析与设计
• 2.1.1 电光调制原理
• 2.1.2 电光相位调制
• 2.1.3 GaAs波导电光相位调制器设计
• 2.1.3.1 外延材料的设计
• 2.1.3.2 波导结构的设计
• 2.2 TE/TM模式偏振器的优化设计
• 2.3 功分器的设计
• 2.3.1 Y-分支功分器的设计
• 2.3.2 MMI功分器的设计
• 2.4 结论
• 第3章 芯片的制作
• 3.1 外延片的准备
• 3.2 清洗
• 3.3 光刻
• 3.4 腐蚀
• 3.5 电极制作
• 3.5.1 真空蒸发镀膜技术
• 3.5.2 真空溅射镀膜技术
• 3.5.3 真空离子镀膜技术
• 3.6 芯片制作工艺流程
• 3.7 工艺存在的问题及改进
• 第4章 芯片的测试、分析及改进
• 4.1 对工作波长为1.3μm芯片的测试
• 4.1.1 上下电极Schottky特性和欧姆接触特性测试
• 4.1.2 对相位调制器的半波电压和极化器TE/TM消光比的定性测试
• 4.1.3 芯片的定量测试
• 4.1.4 对测试结果的分析
• 4.2 工作波长为1.55μm芯片的设计及测试
• 4.2.1 芯片的设计
• 4.2.2 芯片的定量测试
• 4.2.3 对测试结果的分析
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果