本发明涉及光电集成，尤其是涉及一种复合材料集成光学陀螺用芯片、制备方法及工作方法。
背景技术：
1、基于saganc效应的光纤陀螺目前是光学传感领域发展最为完善的技术系统，它是一种利用光信号来测量物体角速度的光学惯性传感器，具有结构简单、体积小、重量轻、无接触、无磨损以及无电磁干扰等优点，广泛应用于航空航天、国防、船舶、汽车以及机器人等领域。但目前光纤陀螺存在成本较高，无法保证分立器件统一性，难以批量化生产等问题，限制了该系统本身以及其行业的进一步发展。
2、集成光学芯片是目前光电领域的研究热点之一，其通过微纳加工手段，可实现各种光学功能器件的片上集成，利用片上光波导代替光纤实现片上光互联，可替代传统光功能器件，结构尺寸仅数毫米甚至数十微米量级，随之衍生了光纤陀螺发展方向，即集成光学陀螺，利用微纳加工技术将光纤陀螺的光学器件集成在一个芯片上的技术，可以大大减少光纤陀螺的体积、重量、器件数量和连接复杂度，从而降低光纤陀螺的成本和功耗。
3、光纤陀螺有五大核心器件，其中传统调制器采用铌酸锂体材料作为相位调制的功能核心，目前热点的铌酸锂薄膜材料不仅具备同等水平的电光效应，同时其构成的波导结构有着较低水平的损耗，适用于制备各集成光学陀螺所需器件，可实现更小的器件尺寸，具备制备全铌酸锂集成器件级联芯片的前景；氮化硅材料9制备的波导能够实现低损耗，可用于实现片上集成波导环，以取代传统的光纤环；目前尚未有可靠的铌酸锂功能器件与氮化硅波导环之间混合集成芯片方案被提出。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种复合材料集成光学陀螺用芯片、制备方法及工作方法，可实现对光的分束、起偏、相位调制以及环内干涉功能，并可以用于构成闭环光学陀螺测试系统。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料集成光学陀螺用芯片，包括按照输入光的传输顺序设置有分束器、起偏器、调制器以及波导环；
3、分束器、起偏器以及调制器均为薄膜铌酸锂器件，分束器、起偏器以及调制器通过薄膜铌酸锂波导进行光互联；
4、波导环为氮化硅材料器件，波导环与调制器通过层间耦合结构进行光互联。
5、优选的，分束器、起偏器以及调制器的波导芯层均为脊形波导结构；
6、薄膜铌酸锂波导为脊形波导结构，采用x切铌酸锂材料，脊形波导结构上下包覆有二氧化硅包层；
7、脊形波导结构为单模波导，脊形波导结构中的脊形波导顶部宽度为0.7-0.8μm，脊形波导和薄膜铌酸锂波导厚度均为150-250nm。
8、优选的，波导环为氮化硅波导环，氮化硅波导环的波导宽度为1.8-2.2μm，波导厚度为0.3μm，氮化硅波导环上下包覆有二氧化硅包层；
9、氮化硅波导环为单层结构，氮化硅波导环的外端设置有第一连接波导，第一连接波导包括依次设置的第一弧形波导和第一直线波导，第一直线波导的一端通过互易端口与调制器的输出端口通过层间耦合结构进行光互联；氮化硅波导环的内端设置有第二连接波导，第二连接波导包括依次设置的第二弧形波导、第二直线波导、s形波导以及第三直线波导，第三直线波导的一端通过互易端口与调制器的另一输出端口通过层间耦合结构进行光互联；
10、调制器的两个输出端口为锥形结构，第一直线波导和第三直线波导的互易端口为锥形结构，调制器的两个输出端口与互易端口上下设置且间距为2-5μm。
11、优选的，第三直线波导与氮化硅波导环具有至少一个交叉点，每一交叉点的损耗小于等于0.25db；
12、第三直线波导从交叉点向两侧的方向上宽度逐渐减小；氮化硅波导环从交叉点向两侧的方向上宽度逐渐减小。
13、优选的，分束器为y形分束器，y形分束器包括输入波导、传输波导以及输出波导，输入波导和输出波导均与传输波导相连接，输出波导通过薄膜铌酸锂波导与起偏器实现光互联；
14、输入波导和输出波导的间距大于等于250μm，输入波导和输出波导与光纤阵列端面通过锥形波导耦合。
15、优选的，起偏器包括上波导和下波导；
16、上波导包括依次设置的耦合弯曲波导和tm模式耗散波导；
17、下波导包括依次设置的单模输入波导、变径耦合波导以及te模式输出波导，变径耦合波导宽度先逐渐增大后逐渐减小，变径耦合波导宽度最大处与耦合弯曲波导相对设置。
18、一种复合材料集成光学陀螺用芯片的制备方法，具体步骤如下：
19、步骤s1：通过薄膜铌酸锂晶圆制备设置有分束器、起偏器和调制器的第一分立集成芯片；通过氮化硅晶圆制备设置有波导环的第二分立集成芯片；
20、步骤s2：第一分立集成芯片和第二分立集成芯片通过锥形波导之间的层间耦合实现互联。
21、优选的，步骤s1具体为：分别对薄膜铌酸锂晶圆和氮化硅晶圆图案转移后进行电子束曝光和光刻，实现对薄膜铌酸锂晶圆和氮化硅晶圆的刻蚀，再进行溅射电极层、上包层沉积以及化学机械抛光。
22、一种复合材料集成光学陀螺用芯片的工作方法，具体如下：
23、光由分束器的输入波导输入，通过传输波导进入起偏器，经过起偏器起偏后的光进入调制器进行分束和相位调制，再进入波导环，在芯片整体转动时产生萨格奈克效应，光信号再经过调制器和起偏器从分束器输出波导输出，实现闭环集成光学陀螺的检测功能。
24、因此，本发明采用上述结构的一种复合材料集成光学陀螺用芯片、制备方法及工作方法，具有以下有益效果：
25、(1)实现了铌酸锂功能器件与氮化硅波导环的片上集成，实现了小型化的同时，保证各集成光器件的性能，完成了多材料芯片间的混合集成。
26、(2)实现了对于片上集成光学陀螺用芯片的初步探索，其中铌酸锂部分整体芯片插入损耗约12db，铌酸锂调制器的理论调制效率1v·cm，铌酸锂起偏器的理论偏振消光比大于40db，氮化硅波导环的整体损耗小于2.5db/m，波导环的自身精度0.5～1°/h，对未来光学陀螺各有源、无源器件的全片上集成奠定一定基础，为光学陀螺的小型化、轻量化发展开辟一条新的道路。
27、(3)该芯片可适配目前已有的薄膜铌酸锂基加工工艺和氮化硅基加工工艺，可将相关器件加工形成pdk，具备规模化、批量化生产的前景，以降低集成光学陀螺系统的整体成本。
28、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：包括按照输入光的传输顺序设置有分束器、起偏器、调制器以及波导环；
2.根据权利要求1所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：分束器、起偏器以及调制器的波导芯层均为脊形波导结构；
3.根据权利要求1所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：波导环为氮化硅波导环，氮化硅波导环的波导宽度为1.8-2.2μm，波导厚度为0.3μm，氮化硅波导环上下包覆有二氧化硅包层；
4.根据权利要求3所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：第三直线波导与氮化硅波导环具有至少一个交叉点，每一交叉点的损耗小于等于0.25db；
5.根据权利要求1所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：分束器为y形分束器，y形分束器包括输入波导、传输波导以及输出波导，输入波导和输出波导均与传输波导相连接，输出波导通过薄膜铌酸锂波导与起偏器实现光互联；
6.根据权利要求1所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片，其特征在于：起偏器包括上波导和下波导；
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
8.根据权利要求7所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片的制备方法，其特征在于，步骤s1具体为：分别对薄膜铌酸锂晶圆和氮化硅晶圆图案转移后进行电子束曝光和光刻，实现对薄膜铌酸锂晶圆和氮化硅晶圆的刻蚀，再进行溅射电极层、上包层沉积以及化学机械抛光。
9.如权利要求1-6任意一项所述的一种复合材料集成光学陀螺用芯片的工作方法，其特征在于：光由分束器的输入波导输入，通过传输波导进入起偏器，经过起偏器起偏后的光进入调制器进行分束和相位调制，再进入波导环，在芯片整体转动时产生萨格奈克效应，光信号再经过调制器和起偏器从分束器输出波导输出，实现闭环集成光学陀螺的检测功能。
