基于薄膜铌酸锂芯片的集成光学陀螺仪中固有非互易误差的研究

《Optics & Laser Technology》：Research on intrinsic nonreciprocal errors in integrated optical gyroscopes based on thin-film lithium niobate chips

　　

Xinyu Li|洪晨乔|逄文轩|杨璐|万涛李|安旭黄|琦玲张|振洲|狄峰|李丽双

北京航空航天大学仪器与光电工程学院，中国北京100191

摘要

由于薄膜铌酸锂（TFLN）优异的材料性能，它在集成光学陀螺仪（IOG）中的应用潜力巨大。本研究结合理论分析和数值仿真，对基于TFLN光子集成电路的IOG中可能出现的固有非互易误差进行了建模和研究。分析表明，高阶辐射模式的重新耦合是误差的主要来源。设计并制造了一个TFLN芯片，以验证所提出的理论误差模型的准确性。芯片的测量误差值（0.1135π）与理论非互易误差（0.125π）基本一致。此外，基于TFLN芯片的IOG在等效速度调制下的偏置不稳定性为0.26°/h。本研究为IOG的片上非互易误差抑制提供了重要的理论参考。

引言

光子集成电路（PIC）是高级半导体和微纳光学领域的研究热点。在各种PIC材料中，薄膜铌酸锂（TFLN）因其优异的电光系数、宽透明光谱和多样化的功能实现潜力而受到广泛关注[1],[2],[3]。基于TFLN平台的芯片制备和系统开发研究表明，TFLN在高速光通信[4],[5]、量子传感[6]和激光雷达[7],[8]等领域具有显著的应用前景。此外，基于PIC技术的惯性传感被认为是未来的重要发展方向[9]。基于TFLN平台的PIC引入是一个具有潜力的新课题。

干涉式光学陀螺仪的微型化主要是由自主平台和立方体卫星对紧凑型、高性能惯性导航系统日益增长的需求推动的[10]。尽管实现微型化的导航级陀螺仪仍然具有挑战性，但集成光学陀螺仪（IOG）已成为一条非常有前景的技术路径。最新的文献为这一领域制定了全面的路线图，从微光学共振增强系统发展到旨在超越经典精度限制的量子增强传感架构[11]。这一广泛背景表明，当前的挑战不仅在于减小占用面积，还在于管理芯片尺度上的复杂光-物质相互作用。为此，PIC技术已从单个组件的微型化转向复杂的芯片级收发器。例如，最新的硅-氮化硅（Si-SiN）平台技术进步证明了IOG收发器的大规模制造的可行性，有效地将离散的光纤组件转移到高产量的硅基板上[12]。然而，随着集成密度的增加，偏振串扰和后向散射等基本物理问题仍然是主要的噪声来源。近年来，关于各种PIC材料平台（如SOI、Si₃N₄、SiO₂和TFLN）的研究取得了进展。例如，基于SOI平台的Si-MIOC实现了调制器和光电探测器的单片或微转移集成[[13],[14]，研究特别关注了由材料特性引起的光学噪声。在SiO₂平台上，三轴集成芯片[15]将所有功率分光器整合到单个基板上，提高了功率一致性，同时考虑了轴间串扰的影响。此外，基于TFLN的调制器和多功能芯片[16],[17]使用单偏振波导或偏振分光器实现了片上偏振；然而，在模式处理过程中 mitigating 偏振串扰仍然是一个重大挑战。其他进展包括设计用于引导不需要的偏振状态的Si₃N₄芯片[18]以及为超高密度集成量身定制的波导线圈[19],[20]。

在各种材料平台中，TFLN的材料特性决定了TFLN调制器有潜力直接替代块状LN调制器，TFLN波导的高双折射特性使其更容易设计和制造复杂的片上偏振选择和模式转换功能结构[21]。同时，它可以与先进技术（如晶圆键合[22]、异构集成[23]和共封装光学[24]）结合，实现IOG在单个芯片上的完全集成。

与传统IOG相比，基于TFLN的IOG显著减小了体积；然而，在精度方面存在一些差异。这是因为除了需要改进芯片的某些性能参数外，还缺乏对PIC中非互易误差来源的理论分析。这使得提出新的芯片设计方法或工艺步骤以处理可能仅在芯片上发生的光学噪声变得困难，这些噪声严重影响了芯片的更新迭代。芯片材料的性能缺陷和PIC的紧凑波导结构引起的寄生干扰可能在IOG中引入固有非互易误差[13],[25]。前者可以通过选择适当的材料来避免，而后者则必须深入研究。

本研究的目的是揭示PIC在IOG中引入的固有非互易误差的机制，并通过结合理论分析和数值仿真来定量评估这些非互易误差。与之前的TFLN集成工作[17],[26]不同，本研究将重点从功能验证转移到误差产生的物理机制上，深入探讨了一个具体且经常被忽视的误差来源：紧凑布局PIC中的非对称辐射模式重新耦合。虽然之前的工作证明了多通道TFLN芯片中存在残余偏置，但仅将其视为系统级别的工程问题，而没有对其物理起源进行彻底研究。相比之下，本研究提出的数学模型首次量化了非对称辐射模式重新耦合引起非互易相位误差的过程。该模型弥合了芯片级设计和系统级光学噪声分析之间的差距，为通过拓扑优化抑制内在相位误差提供了预测框架。通过分析特定结构尺寸下的光场传输过程，确定最大非互易相位差约为0.125π。基于理论研究并结合IFOG的非互易误差抑制经验，设计并制造了一个多功能TFLN芯片用于IOG。芯片集成的耦合器和相位调制器（PM）与宽带激光光源和光电探测器（PD）芯片一起封装。对芯片组合的输出性能进行了表征，并提取了芯片连接到光纤环形器后的输出信号偏置变化。通过反演获得了约0.1135π的非互易相位差，这与理论分析结果一致。设计并采用了一种等效速度调制方法，通过对PM施加锯齿波信号来补偿相位误差。基于上述方法，成功制造了IOG，其偏置不稳定性（BIS）为0.26°/h，相应的角度随机游走（ARW）为0.044°/√h。

部分摘录

方案与问题

IOG是一种角速度相位敏感的检测系统。其主要原理是检测IOG互易光学路径中旋转角速度变化所产生的非互易相位。然而，在实际应用中，IOG中同时发生多种寄生非互易效应，引入瞬时或累积的相位误差，影响检测精度，甚至导致较大的死区范围。传统的IOG具有良好的

TFLN芯片

为了验证上述提出的固有非互易相位误差理论并测试相位误差，设计并制造了一个TFLN芯片，并在同一芯片上集成了LDS和PM。TFLN的波导结构和LDS的器件结构遵循第2.2节中模拟的设计参数。值得注意的是，L_s = 50 μm是明确定义的。为了实现TFLN芯片与光源芯片、PD芯片和保偏光纤的耦合

结论

本文针对过去工作中IOG系统中固有非互易相位误差的问题，假设并判断了其来源，并提出了IOG PIC中可能存在的非对称模式辐射重新耦合现象。理论上推导并验证了这种现象引起的非互易相位差，并得到了LDS可能引入的最大非互易相位差。此外，还提出了一种处理非互易误差的外在方法

Xinyu Li：撰写 – 原稿撰写，概念构思。Hongchen Jiao：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Wenxuan Pei：软件，方法论。Yang Lu：数据整理。Wentao Li：验证，资源协调。Anxu Huang：可视化。Qiling Zhang：形式化分析。Zhen Zhou：项目管理。Di Feng：撰写 – 审稿与编辑。Lishuang Feng：监督。

资助

国家重点研发计划（2025YFF1500101）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会对本文所述工作产生影响的竞争财务利益或个人关系。