毛玉政，何 建，謝良平，萬 洵，崔志超，李艾倫

（1.中國航空工業(yè)集團公司 西安飛行自動控制研究所，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、航海以及陸地導航系統(tǒng)的關鍵組件，廣泛應用于軍事領域，其精度和可靠性直接影響武器平臺的作戰(zhàn)效能。未來小體積、低成本、中低精度的光纖陀螺在軍用領域包括戰(zhàn)術導彈制導、姿態(tài)控制、穩(wěn)瞄、彈藥制導化等，以及民用航空、自動駕駛、智能機器人等領域市場需求巨大。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，裝配工序多且耗時長，需要較多人力參與，生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)能小，制造成本高，同時產(chǎn)品性能的一致性和長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)模推廣應用的瓶頸。因此，進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制的集成光學調制器（Y 波導）引入非互易相移，以補償旋轉引起的Sagnac 相移，實現(xiàn)閉環(huán)反饋；而開環(huán)光纖陀螺采用低調制頻率的壓電陶瓷（PZT）作為調制器件，施加偏置相位以增大工作響應靈敏度。近年來，隨著集成光學設計、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，引起了廣泛關注。其中硅基光子芯片因其與集成電路的CMOS 工藝兼容，工藝相對成熟，易于實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，且具備最終實現(xiàn)陀螺有源器件與無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。目前國內外許多單位包括：美國加州大學（UCSB）[1-3]、加州理工大學[4]、KVH 公司[5]、Honeywell 公司[6]，英國Bookham 公司[7]，國內航天33 所[8-10]等均在集成化光纖陀螺方面開展了相關研究，且大多基于閉環(huán)架構。其中，UCSB 的Tran 課題組在美國DARPA 支持下設計了用于FOG 的光子芯片，4.5 mm2的硅基芯片上集成了光源、探測器、調制器、3 dB 耦合器，并進行了陀螺驗證，精度數(shù)百度/時；2020年KVH 公司發(fā)布一款基于開環(huán)架構的光子集成芯片慣性測量單元P-1775，其在光學芯片上集成了2 個耦合器和1 個起偏器，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，后續(xù)針對不同的應用需求，相繼發(fā)布了P-1725，P-1755等不同精度的光子集成芯片IMU，相應產(chǎn)品已經(jīng)應用于運載火箭、無人機、無人駕駛等領域，這也是目前國內外公開報道的唯一成熟應用的光子集成芯片光纖陀螺。

總體來看，由于高調制速率、大帶寬、高線性度的片上調制方案尚不成熟，目前受關注較多的片上薄膜鈮酸鋰電光調制器在低損耗設計與批產(chǎn)工藝等方面仍需進一步研究[11]，因此基于閉環(huán)架構的單片集成光纖陀螺尚處于原理樣機研究階段，而基于開環(huán)架構的無源器件芯片集成的光纖陀螺在國外已實現(xiàn)了產(chǎn)品級的應用。而國內集成光學微納加工產(chǎn)業(yè)尚未形成規(guī)模，同時受限于工藝精度水平，相關研究幾乎為空白。研究團隊在長期從事傳統(tǒng)開環(huán)光纖陀螺設計、光纖器件制作、陀螺控制算法研究的基礎上，開展了光子集成芯片光纖陀螺研究。本論文基于國內微納加工水平現(xiàn)狀，提出了一種工藝精度要求相對較低的硅基光子集成芯片光纖陀螺設計方案，并進行芯片工藝冗余設計，可實現(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、耦合測試，并與超細徑保偏光纖陣列快速封裝，實現(xiàn)了光子集成芯片光纖陀螺原理樣機。

1 陀螺光路方案設計

傳統(tǒng)開環(huán)光纖陀螺的光路結構如圖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）調制器等幾部分構成。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，一部分光進入光纖死端被吸收耗散，另一部分光進入起偏器，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 分成兩束光進入光纖環(huán)，分別沿順時針和逆時針方向傳播，且滿足相干條件；當光纖環(huán)繞其中心軸旋轉時，產(chǎn)生Sagnac 效應，從而回到耦合器2 的干涉光強發(fā)生變化，PZT 調制器對順、逆兩束光施加一非互易相位偏置，使得光纖陀螺相位檢測靈敏度最大；干涉光信號經(jīng)耦合器2、起偏器、耦合器1 進入探測器，檢測旋轉引起的光強變化，通過陀螺檢測電路解調得到旋轉角速率信息。

圖1 開環(huán)光纖陀螺光路結構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)陀螺光路結構，利用平面光波導器件代替陀螺中的分立光纖器件，減少光纖器件互連，實現(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，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多次使用，有效降低成本。

開環(huán)光纖陀螺光路中的功能器件可分為無源器件和有源器件兩大類，其中無源器件包括耦合器1、偏振器、耦合器2 等；有源器件包括光源、探測器及調制器。無源器件多采用硅、二氧化硅等高透明材料，減小光與物質相互作用，降低損耗；有源器件需要光與物質強相互作用，多選用III-V 族化合物半導體、某些晶體等。因此兩類功能器件需要不同的材料和結構來實現(xiàn)，目前有源器件與無源器件的單片異質混合集成尚不成熟。為了快速推進光子集成芯片光纖陀螺的工程化，本文采用一種目前相對較為容易實現(xiàn)的集成方案，其光路結構如圖2所示。

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

光子集成芯片主要實現(xiàn)耦合器1、耦合器2、起偏器、模式轉換器、光纖—波導低損耗端面耦合結構及片上雜散光吸收結構等多個無源器件的片上集成；調制器目前尚無成熟且低成本的片上解決方案，故仍采用PZT 結構；芯片波導與光纖環(huán)、SLD 及探測器通過一個四通道的超細徑保偏光纖陣列實現(xiàn)快速耦合；為了減少熔點降低損耗，光纖陣列尾纖與SLD、探測器直接耦合，光纖環(huán)與陣列3、4 通道尾纖保偏熔接。

2 光子集成芯片設計、加工及測試

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。常見的用于無源芯片設計材料主要有三種：絕緣體上硅（SOI）、硅基二氧化硅（SOS）及硅基氮化硅。傳統(tǒng)開環(huán)光纖陀螺采用光源是中心波長為850 nm 的寬譜SLD 光源，SOI 波導的芯層為硅材料，硅吸收光子的截至波長為1100 nm，在850 nm波段是不透明的；SOS 波導芯層為重摻雜的二氧化硅，包層為二氧化硅，芯層—包層的折射率差小，導致器件尺寸較大,且很難實現(xiàn)特殊功能設計；而硅基氮化硅波導透明窗口可覆蓋850 nm～1550 nm 整個波段，且波導傳輸損耗可以做到極低，因此采用硅基氮化硅波導結構來實現(xiàn)光子芯片設計。

利用硅基光波導結構進行了核心功能器件設計,主要包括四個關鍵難點：

（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）低損耗端面耦合結構；

（4）片上雜散光隔離抑制。

分別利用多模干涉（MMI）結構、Y 分支來實現(xiàn)3 dB 耦合器1、2，并結合工藝精度進行結構優(yōu)化設計，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；設計大寬高比硅基光波導，利用波導的結構雙折射特性，實現(xiàn)高偏振消光比；針對波導與光纖折射率及模場不匹配導致的較大直接耦合損耗，設計優(yōu)化倒錐結構以實現(xiàn)波導端面與光纖模場匹配，提高耦合效率。利用 Lumerical FDTD Solutions、Mode Solutions 軟件進行建模仿真、參數(shù)優(yōu)化設計。優(yōu)化設計的MMI 結構、Y 分支仿真結果如圖3所示，表明兩種耦合器均可實現(xiàn)幾近完美1：1的分束比，損耗＜0.1 dB；通過優(yōu)化設計倒錐結構,仿真可得到＞88%的波導—光纖耦合效率；高消光比、低附加損耗的偏振器的設計是光子集成芯片實現(xiàn)的難點，經(jīng)過多種方案探索，仿真實現(xiàn)了片上＞60 dB 的消光比，附加損耗＜0.2 dB。

圖3 兩種耦合器結構仿真Fig.3 Simulation of two coupler structures

利用國內某Foundry 廠248 nm 的深紫外（DUV）光刻工藝進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型化學氣相沉積（PECVD）生長二氧化硅下包層；為了提高波導芯層的生長質量，降低傳輸損耗，利用低壓化學氣相沉積（LPCVD）生長均勻致密的SiN 膜層；加工掩膜，利用光刻、刻蝕工藝形成波導結構，最后再生長上包層。芯片加工完成后，依次進行晶圓劃片、芯片端面研磨處理，利用5 nm 超高精度六維耦合系統(tǒng)測試器件性能，如圖4所示，分別與光纖及光纖陣列耦合測試。在顯微鏡下觀察Y 分支、MMI 耦合器結構如圖5所示，測試得到Y 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%。通過優(yōu)化設計端面倒錐結構，測試波導—光纖耦合損耗1.8 dB（耦合效率約66%）。

圖4 光子集成芯片測試Fig.4 Experimental setups of the photonics integrated chip

圖5 顯微鏡下兩種耦合器結構Fig.5 Two coupler structures observed by microscope

相比波導與光纖的直接耦合，效率有大幅提升，但與仿真結果對比有較大差距，可能的原因是芯片加工工藝精度不足，而倒錐波導的尺寸較小，引起了較大的傳輸損耗。測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到應用需求，單顆光子芯片尺寸約4 mm×3 mm。

3 陀螺樣機實現(xiàn)

為了實現(xiàn)芯片快速耦合封裝，設計并加工了四通道60 μm/100 μm 超細徑保偏光纖陣列，通道間距250 μm，如圖6所示。其可實現(xiàn)四條波導與光纖的一次對接耦合，提高生產(chǎn)效率。光纖陣列的通道間距及保偏光纖對軸精度要求較高，以減小耦合損耗及退偏影響。測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 四通道超細徑保偏光纖陣列Fig.6 Four-channel ultra-fine polarization maintaining fiber array

對光子芯片與光纖陣列端面進行傾斜研磨，以降低端面反射對芯片性能影響。利用六維高精度調節(jié)臺完成光子芯片與超細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。為了快速驗證光子芯片性能及直觀地對比光子集成芯片光纖陀螺性能，利用封裝的光子芯片對某型號傳統(tǒng)光纖陀螺的光路器件進行了替換，而敏感光纖環(huán)、控制電路、結構均未改變?；趫F隊自研的超細徑保偏光纖熔接機，實現(xiàn)60 μm 光纖陣列尾纖與40 μm 光纖環(huán)（長度約250 m）的保偏熔接，如圖7(b)所示，陀螺，完成陀螺光路裝配。進行陀螺控制電路調試、結構裝配，搭建光子集成芯片光纖陀螺原理樣機，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Fig.8 Photonics integrated chip based FOG prototype

4 樣機測試分析

為了直觀比較陀螺性能，分別對相同結構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)性能進行測試。測試過程中保持環(huán)境溫度25℃，陀螺輸出采樣間隔1 s，數(shù)據(jù)采集時長1800 s。兩個陀螺的常溫零偏性能測試結果分別如圖9 和圖10所示，圖中藍線為陀螺原始零偏輸出，紅線為10 s 平滑處理結果。從圖中可以看出，光子集成芯片光纖陀螺的漂移較小，測得相關陀螺參數(shù)及指標如表1所示。

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

圖10 同結構傳統(tǒng)光纖陀螺零偏測試Fig.10 The bias of the traditional FOG with same structure

通過計算，光子集成芯片光纖陀螺零偏穩(wěn)定性0.2 °/h（10 s），而該相同結構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，這與光子芯片對器件性能提升有關。設計的片上耦合器、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)樵瓉淼氖种唬@對進一步減小整個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，這主要是因為陀螺采用功率反饋控制，工作中保持探測光功率不變，由于芯片波導與光纖的耦合損耗、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，導致陀螺光路損耗增大，SLD 的驅動電流變大，長期可能會影響光源壽命。這需要進一步優(yōu)化光子芯片設計及耦合工藝，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，以降低熔接損耗。

綜上所述，利用硅基光子集成芯片實現(xiàn)了全部無源器件的片上集成，成功實現(xiàn)了陀螺樣機，性能較好。但當前芯片性能還需進一步優(yōu)化，同時芯片集成的器件相對較少，下一步將不斷提高光子芯片集成度。隨著微納光學加工水平的不斷提高及有源/無源器件異質混合集成技術的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)功能器件單片集成，進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。基于國內微納工藝現(xiàn)狀，本文提出了一種工藝精度要求相對較低較、易于快速工程化的硅基光子集成芯片光纖陀螺設計方案?；陂_環(huán)光纖陀螺架構，實現(xiàn)了光纖陀螺無源器件的片上集成，并利用超細徑保偏光纖陣列進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，常溫零偏穩(wěn)定性可達到0.2 °/h，性能優(yōu)于相同結構的傳統(tǒng)全光纖器件光纖陀螺，相關研究可為未來實現(xiàn)全片上集成的光學陀螺奠定基礎。