干涉式集成光学陀螺关键技术及应用前景分析

焦洪臣，王凌宇，孙道鑫，卢志舟，金 里，冯俊波，许文渊，冯丽爽

（1.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2.北京航空航天大学 惯性技术国家级重点实验室，北京 100191；3.重庆联合微电子中心，重庆 401332；4.重庆自行者科技有限公司，重庆 402260）

集成光学陀螺基于光学Sagnac 效应，通过微纳米光电子集成技术逐步将光学器件、光电器件及检测电路集成在单一芯片上，实现对角速度的检测。近年来，无人机集群、无人驾驶等新概念运动载体的出现，惯性导航系统对兼顾高性能和小型化、低成本、轻量化的惯性器件提出迫切需求，同时面向光通信和光传感应用的微纳光子集成芯片技术的飞速发展，推动了集成光学陀螺技术的革命性变革。

2015 年美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）微系统技术办公室在发布的指南中指出，该计划致力于研究小型化、轻量化、低成本、低功耗等优势的惯性传感器，而基于光电子集成技术的集成光学陀螺极具前景，是重点发展的方向之一。2016 年在国际天基定位、导航与授时（Positioning,Navigation and Timing,PNT）咨询委员会报告中指出：集成光学陀螺发展面临的技术瓶颈，包括材料级的异质波导集成耦合技术、器件级的低损耗敏感单元设计与实现技术、系统级的集成光子引擎技术等[1]。近年来，光电子集成技术的迅猛发展为上述技术瓶颈的突破提供了有力的理论工具和技术基础[2,3]。2019 年DARPA 在公开报道中，将干涉式集成光学陀螺系统列为未来惯性传感器的重点发展方向之一[4]。

1 干涉式集成光学陀螺研究现状

以集成程度划分，可将干涉式集成光学陀螺分为无源集成、混合集成和单片集成三类。无源集成方案中，将分光器、起偏器等无源光纤器件采用无源集成芯片部分或全部集成，在一定程度上简化陀螺组成；在混合集成干涉式集成光学陀螺中，更进一步将光源管芯、探测器管芯和相位调制器等有源器件通过表贴或晶片级微加工技术等方式与无源集成芯片实现共封装集成；单片集成干涉式集成光学陀螺则旨在实现陀螺中所有光学器件的单基材料级芯片化集成。

目前单片集成干涉式仅为研究概念，尚无相关实际系统报道，因此重点针对当前无源集成干涉式和混合集成干涉式的技术发展进行梳理，代表性方案及其特点和性能如表1 所示。

表1 干涉式集成光学陀螺典型研究现状汇总Tab.1 Typical researches of interferometric integrated optical gyroscope.

2019 年，美国KVH 公司提出面向自动驾驶领域的基于无源集成芯片的干涉式陀螺方案。该方案利用无源集成芯片，结合PZT 相位调制器和光纤环构建高安全性和可靠性的陀螺仪，专注于更具有工程实现价值的技术。图2 为该公司研制的惯导系统（P-1775 IMU）[7]，其中采用了通过双Y 分支氮化硅波导制作光子集成芯片，代替传统光纤陀螺中的光纤耦合器和铌酸锂调制器的Y 分支，实现了分光器、起偏器的片上集成。敏感环则采用了110 m 长的传统光纤环，陀螺常温精度可达0.048 °/h，全温（@-40℃～75℃）精度为0.239 °/h，在国际上首次实现了具有实际应用价值的集成光学陀螺工程产品。2021 年，美国Anello Photonics 公司发布了多项集成光子陀螺芯片-硅光子光学陀螺仪（SiPhOG）专利。为进一步挖掘干涉式集成光学陀螺精度潜力，创新地提出利用多层氮化硅波导的层间耦合方法实现波导的层叠式延长[8]，通过多层导光方式降低波导交叉损耗。该方案如图3 所示，波导干涉环在设计上取得重大突破，具备实现50 m 量级低损耗长波导的潜力。

2022 年美国Anello Photonics 公司发布了为各类自主运行载体提供可靠、准确的导航和定位信息的干涉式集成光学陀螺研究成果[9]。该陀螺的技术方案如图4(a)所示，由光源模块、混合光子集成芯片和氮化硅波导干涉环芯片三部分构成。其中，混合光子集成芯片在2 mm×5 mm 尺寸内集成了分光器、耦合器、延迟线、偏振滤波器、调制器、探测器、加热器、可调光衰减器等无源器件和有源器件，研制的陀螺仪精度为0.5 °/h。同时，该公司在波导的背向散射抑制、高密度加工工艺等关键技术上均取得重大突破，并最终实现氮化硅干涉环的实物如图4(b)所示，实测波导传输损耗仅为0.2 dB/m。

2022 年，北京自动化控制设备研究所持续攻关了基于微组装工艺的芯片耦合连接方案，提出了“四合一”和“三合一”两种集成芯片方案[10]。“四合一”方案是将由光源、探测器和Y 分支组成的芯片与铌酸锂体材料组成的相位调制芯片进行了端面耦合，如图5(a)所示；“三合一”方案则在SiO2基底上通过片上耦合方式将光源、探测器和Y 分束器混合集成，工艺难度更低且不存在“双Y”分支波导结构的衬底模式耦合问题，如图5(b)所示。

基于“三合一”集成芯片方案，该单位实现了如图6 所示的集成光学陀螺系统样机[11]，采用580 m 光纤环，实现了陀螺精度0.1 °/h。

2023 年，西安飞行自动控制研究所进一步实践了基于硅基氮化硅无源集成芯片与分立有源器件及光纤环相结合的集成光学陀螺方案。与KVH 方案类似地，采用硅基氮化硅工艺将耦合器、起偏器等光路无源器件在单一芯片上进行了集成[12]。

结合传统SLD 光源、PZT 调制器以及250m 光纤环，研制了精度为0.2 °/h 的集成光学陀螺样机，进一步验证了当前领域工艺水平下采取无源集成方式的工程可实现性。

此外，许多国内外知名研究机构也对集成光学陀螺中涉及的集成光学芯片、波导干涉环、波导腔等关键部件开展了研究，典型如美国 UCSB[13-16]、UCSD[17]、特拉华大学[18]等，国内则有浙江大学[19]、华中科技大学[20]、中国航天时代光电公司[21]等。本课题组紧跟国际前沿，针对干涉式集成光学陀螺关键部件开展了大量研究，在波导干涉环、集成光学芯片领域形成了一系列创新性的成果，该部分将在第二章详细介绍。

2 干涉式集成光学陀螺关键部件

2.1 波导干涉环

课题组2018 年开始探索干涉式集成光学陀螺系统实现方案，并于2020 年研制了基于二氧化硅波导的干涉环路，如图8 所示。该二氧化硅干涉环采用阿基米德螺旋线结构，保证插入损耗最小化的前提下选择敏感环的最小弯曲半径以及波导环间距，通过计算选择最佳波导环长度，其直径为60 mm、长度为2.14 m，测试得到其总插入损耗8.37 dB。基于该二氧化硅干涉环的陀螺理论极限灵敏度达到战术级精度，这也意味着方案具备了进一步应用于干涉式集成光学陀螺系统的潜力。

然而，受传输机理限制，绝缘衬底薄膜硅（Silicon-on-insulator,SOI）波导的损耗仍然难以满足高精度干涉式集成光学陀螺对敏感环的设计需求，而二氧化硅波导则与调制器等波导功能器件存在材料和工艺兼容困难的问题。国内外学者也在不断寻求更适用的波导干涉环实现方案[22-26]，近年来出现的超低深宽比氮化硅材料[13]，因其超低损耗和可集成潜力而进入研究者视野。2022 年，本课题组进一步研制了长度为3 m 的超低深宽比氮化硅波导干涉环，并且通过弯曲波导设计实现起偏功能。干涉环如图9 所示，测试该环的传输损耗约为4 dB/m。

对于未来全集成方案，课题组同样开展了先期技术储备。针对敏感环这一核心敏感元件，开展了片上四级对称构型的创新性设计，在汲取传统光纤干涉环高温度适应性优势的同时，利用多圈波导层间耦合方案实现波导环的数十米乃至上百米立体延伸。具体结构如图10 所示。

图1 美国DARPA 提出：集成光学陀螺是未来光学陀螺的重点研究方向Fig.1 DARPA proposes: integrated optical gyroscope is the key research direction of the optical gyroscope

图2 KVH 干涉式集成光学陀螺产品Fig.2 Interferometric IOG production of KVH

图3 基于层间耦合方法的波导干涉环实现方案Fig.3 Wave guide interference ring scheme based on interlayer coupling method

图4 Anello Photonic 公司的集成光学陀螺仪评估产品Fig.4 integrated optical gyroscope evaluation product from Anello Photonic

图5 北京自动化控制设备研究所光子集成芯片方案Fig.5 Integrated photonic chipsdesignedby the Beijing Automation Control Equipment Research Institute

图6 北京自动化控制设备研究所干涉式集成光学陀螺Fig.6 Interferometric IOG developed by Beijing Automation Control Equipment Research Institute

图7 西安飞行自动控制研究所干涉式集成光学陀螺Fig.7 Interferometric IOG developed by AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute

图8 二氧化硅波导干涉环Fig.8 Silica dioxide waveguide interference ring

图9 氮化硅波导干涉环Fig.9 Silicon nitride waveguide interference ring

图10 片上四级对称氮化硅波导干涉环方案Fig.10 Scheme of on-chip quadruple symmetric silicon nitride waveguide interference ring scheme

图11 Si3N4 无源集成芯片Fig.11 Passive integrated chip based on Si3N4

图12 薄膜铌酸锂调制器Fig.12 Modulator of TFLN

图13 薄膜铌酸锂与Si3N4 异质集成方案Fig.13 Heterogeneous integration scheme between TFLN and Si3N4

图14 硅光-TFLN 晶圆级键合Fig.14 Wafer-Level Bonding of Si-TFLN

2.2 集成光学芯片

课题组在2023 年完成单偏振无源氮化硅波导芯片（2 mm×3 mm）研制，实现耦合与起偏功能的片上集成。芯片整体插入损耗小于13 dB，偏振消光比达到30 dB 以上，为高性能干涉式集成光波导陀螺的实现提供了器件级保障。

在调制功能集成方面，已完成薄膜铌酸锂（Thin Film Lithium Niobate,TFLN）调制器的设计与加工探索，得益于包层与芯层之间较大的折射率差（～0.7），大大降低了光模场的有效模式面积，提高光电耦合效率，使得同等长度下半波电压比传统铌酸锂体材料降低3 倍以上，达到～2 V·cm，为实现带有高性能片上调制的集成光学陀螺仪提供了解决方案。

在多功能多材料结构异质集成方面，开展理论研究积累与核心工艺探索。课题组在2019 年基于集成光学陀螺对于相位调制器的要求，设计了具有单模传输以及起偏性能的Y 波导器件，设计氮化硅双层锥形结构，实现传输光在氮化硅与TFLN 之间过渡[27]，理论计算得到该结构的偏振消光比为85.6 dB/mm，耦合效率接近99%。

现已具备硅光-TFLN 晶圆级键合能力，正进一步优化硅光晶圆CMP 工艺，提升晶圆表面一致性，解决键合良率难题。

针对探测集成需求，研制了分光、起偏、耦合无源结构与探测功能集成的芯片样片，如图15 所示。芯片包括一个1×3 耦合器，3 个2×2 耦合器，三个探测器，首次实现陀螺用三轴分光器件和探测器的集成，利用硅基Ge 外延工艺实现探测功能结构，尺寸5 mm×5 mm。实测探测器的响应度≥0.85 A/W，暗电流≤10 nA，3 dB 带宽≥30 GHz，不仅可满足FOG的应用需求，同时可以大大缩小三轴陀螺组合的体积和重量。

图15 无源结构与探测功能集成的芯片样片Fig.15 Chip integrating passive structures and detection

图16 混合光电集成光收发模块Fig.16 Optical transceiver module based on photoelectric hybrid integration

图17 基于无源芯片与光纤环结合的干涉式集成光学陀螺Fig.17 Interferometric integrated optical gyroscope based on the Passive chip and the fiber ring.

此外，在混合光电集成方面，已完成基于功能芯片混合集成方法的“三合一”光收发组件研发[28]。利用硅基SiO2芯片实现分光功能[29]，利用透镜耦合方式和光源管芯、探测器管芯实现高校耦合，并重点突破了温度场精密调控、低应力分布设计、高可靠封装等关键技术。在光纤传感器系统上应用该样品，并和分立器件进行比测。研究结果表明：使用该模块的传感器系统性能和使用分立器件的性能相当，不会造成劣化。

3 干涉式集成光学陀螺

在关键技术突破的基础上，课题组面向未来全集成需求，同步探索了基于波导敏感环的集成光学陀螺方案。于2020 年研制了2.14 m 硅基二氧化硅波导环，并初步开展了波导环在陀螺系统中的应用尝试。2022年，进一步研制了长度为3 m 的氮化硅波导干涉环，基于该环搭建了干涉式集成光学陀螺系统，实现精度11.8 °/h（Allan 方差），在40℃～60℃环境温度下，表现出良好的温度一致性，所设计的氮化硅波导干涉环结构可有效抑制由非理想偏振引入的温致陀螺零偏波动。研究成果实现了国内集成干涉式陀螺在敏感环集成技术领域的探索性突破，为我国未来全集成干涉式光学陀螺的研制积累了基础。

与此同时，课题组搭建了基于无源芯片与光纤环结合方案的干涉式集成光学陀螺样机。其中，采用了集成分光耦合和起偏功能的无源芯片，280 m 光纤环，配合外置SLD 光源与PZT 相位调制器，实现精度达到0.03 °/h（Allan 方差），为目前已有报道同类陀螺系统的最优精度。

4 应用前景分析

随着光子集成技术和光电子集成技术的发展，使得集成光学陀螺系统实现芯片化的可能性越来越高。美国Anello Photonics 公司和KVH 公布的基于无源光子集成芯片和混合集成光子芯片的陀螺产品，表明基于部分集成化的干涉式集成光学陀螺已形成工程化产品，关键技术已获重大突破。光子集成芯片技术的发展，有望带来惯性仪表产品形态的颠覆性变化，实现高性能和批量化生产，满足低体积、重量、功耗和成本（Size Weight and Power,plus Cost,SWaP+C）指标，在无人机集群、无人驾驶等军民用领域中产生巨大应用。

综合国内外现状及当前领域技术进展，对干涉式集成陀螺及其核心部件的发展趋势、应用前景做如下预测：

（1）集成光子芯片是集成光学陀螺技术的发展基础。目前，基于波导分束器、起偏器等无源器件的光子集成芯片、以及和光源管芯、探测管芯的混合集成技术已经成熟，可以形成模块化产品。未来2～3 年内的发展重点是铌酸锂薄膜相位调制器和其他材料的薄膜相位调制器，与长度接近100 m 的超低损耗波导干涉环，以及薄膜相位调制器和其他无源光子集成芯片的异质集成技术。

（2）干涉式集成光学陀螺在1～2 年内可研制出基于无源集成芯片的工程样机，在2～3 年内研制出基于“三合一”（光源、探测器和波导分束器）混合集成芯片的工程样机，在3～5 年内争取初步实现干涉式集成光学陀螺的系统级芯片（System on a chip）。

（3）干涉式集成光学陀螺利用集成工艺实现批量化生产和低成本，减少器件熔接点，保证产品的一致性和可靠性，可兼顾精度与成本，具有颠覆性优势，未来有望占领0.01～0.1 °/h 精度市场。根据市场调研预计，2024 年中国光学陀螺市场规模将达到257.7 亿元，集成光学陀螺的研发成功，必将助力占据陀螺技术的制高点，并产生巨大的经济效益。