CN100367002C - 干涉型硅基芯片微光学陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干涉型硅基芯片微光学陀螺。它具有依次连接的探测器、采样电路、数字信号处理电路、调制驱动电路、Y波导调制器、分束器、探测器，分束器与光源相接，Y波导调制器与螺旋光波导相接，螺旋光波导具有上层螺旋光波导、下层螺旋光波导、螺旋光波导的Si基底。本发明与光纤陀螺相比，微光学陀螺用光波导取代光纤，克服分立元件组合的不足，特别是光纤过长温度及振动影响大的缺点，可获得尺寸更小的高可靠性、高精度光陀螺；与微机械陀螺相比，可获得尺寸接近，无运动部件的全固化，精度更高、能批量生产的陀螺；新的光波导是在硅基上实现，因此微光学陀螺是芯片化陀螺。可将光源、光器件、处理电路做在一个硅芯片上，提高精度与可靠性。

Description

干涉型硅基芯片微光学陀螺
技术领域
本发明涉及一种干涉型硅基芯片微光学陀螺。
技术背景
高精度、高可靠、轻小型化一直是惯性导航陀螺所追求目标。利用Sagnac效应的光学陀螺与第一代的各种机械陀螺相比，就符合这个目标。因此光学陀螺中的激光陀螺(ROG)就成为第二代陀螺，是二十世纪七十年代的创新产物；光纤陀螺(FOG)是第三代陀螺，是二十世纪九十年代的创新产物，目前FOG已进入全面应用；微光学陀螺(MOG)可以说是第四代陀螺，是二十一世纪的新产物。MOG与微机械陀螺(MEMS陀螺)相比，虽然尺寸要略大一些，但精度要高1～2个数量级。微光学陀螺与光纤陀螺相比，具有突出的优势，是光陀螺技术的发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种干涉型硅基芯片微光学陀螺。
它具有依次连接的探测器、采样电路、数字信号处理电路、调制驱动电路、Y波导调制器、分束器，分束器与光源、探测器相接，Y波导调制器与螺旋光波导相接，螺旋光波导具有螺旋光波导的Si基底，在螺旋光波导的Si基底上设有上层螺旋光波导、下层螺旋光波导。
本发明的有益效果
1)与光纤陀螺相比，微光学陀螺用光波导取代光纤，克服分立元件组合的不足，特别是光纤过长(300～500m)温度及振动影响大的缺点，可获得尺寸更小的高可靠性、高精度光陀螺。
2)与微机械陀螺相比，可获得尺寸接近，无运动部件的全固化，精度更高、能批量生产的陀螺。
3)新的光波导是在硅(Si)基上实现，因此微光学陀螺是芯片化陀螺。可将光源、光器件、处理电路做在一个硅芯片上，提高精度与可靠性。
综上所述，从精度和集成度看微光学陀螺是优于微机械陀螺的新一代陀螺，是近年来在陀螺技术上的发展方向。
附图说明
图1是不带量子控制光路的干涉型硅基芯片微光学陀螺结构示意图；
图2是带量子控制光路的干涉型硅基芯片微光学陀螺结构示意图；
图3是本发明螺旋光波导的剖面图；
图4是本发明螺旋光波导的俯视图；
图5是本发明螺旋光波导的仰视图；
图6是本发明上层光波导的剖面图；
图7是本发明螺旋光波导主动式有源光波导原理图；
图8是本发明分束器光源偏振分光原理图；
图9是本发明量子控制光路原理图；
图中光源1、探测器2、分束器3、Y波导调制器4、螺旋光波导5、螺旋光波导的上层光波导6、螺旋光波导的下层光波导7、调制驱动电路8、数字信号处理电路9、采样电路10、量子控制光路11、螺旋光波导的Si基底12、SiO2层13、YiVO4双折射晶体14、磁致旋光器15、频移器16、相位补偿器17、第一Y波导器18，第二Y波导器19。
具体实施方式
微光学陀螺以硅基光波导取代光纤，并将其他光学器件集成在硅片上，本发明采用的结构组成是：
如图1所示，干涉型微光学陀螺(IMOG)结构。干涉型硅基芯片微光学陀螺具有依次连接的探测器2、采样电路10、数字信号处理电路9、调制驱动电路8、Y波导调制器4、分束器3，分束器3与光源1、探测器2相接，Y波导调制器4与螺旋光波导5相接，螺旋光波导5具有螺旋光波导的Si基底12，在螺旋光波导的Si基底12上设有上层螺旋光波导6、下层螺旋光波导7。上层螺旋光波导6、下层螺旋光波导7位于同一硅基底的上面，相对并且同心，外端分别与Y波导的两端连接。来自光源1的光束经分束器3、Y波导4后形成顺时针光束(CW)和逆时针光束(CCW)分别进入两个螺旋形波导6、7的输入端，又经过输入端返回到Y波导4，经分束器3在探测器2上形成干涉强度信号。根据Sagnac效应，当有角速度时CW与CCW两光束产生位相差，其值正比于转动速度。Y波导利用驱动电路8通过数字信号处理电路9实现对CW或CCW的位相调制，经调制的信号通过处理电路解调后获得输出信息。本方案的优点在于试验时光源、分束器、Y波导、探测器、处理电路等均可采用目前高精度光纤陀螺的技术来进行，该技术已达工程应用程度。
如图2所示，干涉型微光学陀螺(IMOG)结构，其特点是在光源1和分束器间3有一个量子控制光路11。
如图3所示，螺旋光波导的剖面图，从上到下依次是SiO2层13、螺旋光波导的上层光波导6、SiO2层13、螺旋光波导的下层光波导7、SiO2层13、螺旋光波导的Si基底12。
如图4所示，螺旋光波导的俯视图是顺时针螺旋形的光波导。
如图5所示，螺旋光波导的俯视图是逆时针螺旋形的光波导。
如图6所示，低损耗环形波导设计工艺工艺设计及微加工的方案。采用Full-FDTD的方法对弯曲波导的辐射损耗模拟，弯曲波导的折射率调制为0.02，曲率半径4mm，波导宽度3μm，深度1.5μm。根据理论设计我们提出的工艺设计及微加工的方案如图3所示。主要采用火焰水解(FHD)的方法和极坐标激光直写技术来实现。火焰水解法是制作光纤预制棒的方法，由这种方法制作的SiO2波导的纯度很高，吸收损耗小以石英或硅做基底，用火焰水解的方法在其上生成SiO2衬底和波导层，用极坐标激光直写技术光刻及蚀刻螺旋光波导，再在上面生长一层覆层。弯曲光波导层可采用掺杂的材料，如对1550nm波长的采用掺铒/镱的Al2O3，对1310nm波长则为掺Ge的SiO2。光波导的深度与宽度可根据理论研究模型用Full-FDTD的方法优化设计，使波导的损耗达到最低值。
如图7所示，主动式有源光波导的设计原理。螺旋光波导采用平行光泵浦及微透镜阵列，波导材料为掺铒/镱的SiO2。目前直波导及弯曲波导的损耗仍然比较大，影响MOG的实现及精度，在技术上未取得突破性进展之前。我们提出采用有源波导放大器的方法，这是补偿光损耗和提高精度的有效途径。采用激光侧泵的方式，可以用半导体激光器或LD泵浦及微透镜阵列来实现，波导材料为掺铒/镱的SiO2。
如图8所示，分束器光源偏振分光原理图。分束器3具有YiVO4双折射晶体14、磁致旋光器15。鉴于硅基光波导中的损耗以及有源弯曲波导放大器目前尚未取得突破，损耗远大于光纤传输的损耗。为提高微光学陀螺中的传输光强，可采用的偏振分光方案。此方案用具有较大双折射效应的钒酸钇(YiVO4)晶体替代传统的2×2耦合器，可使光源的利用效率提高4倍以上，等效于硅基光波导长度提高4倍以上，以保证微光学陀螺的灵敏度。在图5中，SLD光源的出射光为全偏振态，进入钒酸钇晶体14后发生双折射，其中的e光经磁光旋转器15后，可全部通过Y调制器进入微光学陀螺，并返回重新经过磁光旋转器后成为o光，经钒酸钇晶体到达探测器，因此该方案中，光源能量可利用50％。而传统2×2耦合器方案中，光束两次经过2×2耦合器，光能量仅为光源总能量的1/4，而全偏振态的光进入Y波导调制器时，又损失一半，因此光源能量仅利用了12.5％。
如图9所示，量子控制光路。量子控制光路11具有第一Y波导器18、第一Y波导器18分别经相位补偿器17、频移器16与第二Y波导器19相接。光波导是集成光路的基础元件，为了实现光集成器件的良好性能，极需要低损耗波导。通过量子相干控制探索集成光波导的损耗，可以极大的提高波导器件的性能。光从光源1出来，经过第一个Y波导器18分成两束光，一束光经过相位补偿器17，进入第二个Y波导器19，另一束光经过移频器16也进入第二个Y波导器19和第一束光合在一起，再进入分束器3。

Claims (7)

1.一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，它具有依次连接的探测器(2)、采样电路(10)、数字信号处理电路(9)、调制驱动电路(8)、Y波导调制器(4)、分束器(3)，分束器(3)与光源(1)、探测器(2)相接，Y波导调制器(4)与螺旋光波导(5)相接，螺旋光波导(5)具有螺旋光波导的Si基底(12)，在螺旋光波导的Si基底(12)上设有上层螺旋光波导(6)、下层螺旋光波导(7)。
2.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，在所述的光源(1)与探测器(2)之间连接有量子控制光路(11)。
3.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，所述的分束器(3)具有YiVO4双折射晶体(14)、磁致旋光器(15)。
4.根据权利要求2所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，所述的量子控制光路(11)具有第一Y波导器(18)、相位补偿器(17)、频移器(16)、第二Y波导器(19)，其中第一Y波导器(18)的两臂分别经相位补偿器(17)、频移器(16)与第二Y波导器(19)相接。
5.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，所述的螺旋光波导(5)是以石英玻璃或硅做基底，用火焰水解的方法在其上生成SiO2衬底和波导层，用极坐标激光直写技术光刻及蚀刻技术形成螺旋光波导，再在上面生长上覆层，形成低损耗光波导。
6.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，所述的上层螺旋光波导(6)、下层螺旋光波导(7)两个螺旋光波导位于硅片基底的同一面上，两者相对并且同心，螺旋光波导外端分别与Y波导的两端连接，形成干涉型光波导结构。
7.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，所述的螺旋光波导采用平行光泵浦及微透镜阵列，波导材料为掺铒或镱的SiO2。
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