CN100541129C

CN100541129C - 基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺

Info

Publication number: CN100541129C
Application number: CNB2007101773825A
Authority: CN
Inventors: 冯丽爽; 洪灵菲; 刘惠兰; 马迎建; 于怀勇; 魏鹏
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CN101149266A

Abstract

本发明公开了一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，该微光学陀螺中光源(1)的输出端和集成光学调制器(2)的A端相连；集成光学调制器(2)的B端与第一光纤耦合器(3)的C端相连，集成光学调制器(2)的C端与第二光纤耦合器(6)的C端相连；第一光纤耦合器(3)的B端与微光子结构无源谐振腔(5)的A端相连，第一光纤耦合器(3)的A端与第一探测器(4)相连；第二光纤耦合器(6)的B端与微光子结构无源谐振腔(5)的B端相连，第二光纤耦合器(6)的A端与第二探测器(7)相连；陀螺检测控制电路(8)的控制端与光源(1)的输入端相连；陀螺检测控制电路(8)接收第一探测器(4)和第二探测器(7)输出的光强信号。通过控制微光子结构使传播光的频率在其禁带范围内，构成反射镜的全角反射率可以接近100%。

Description

基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺

技术领域

本发明涉及一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺。该微光学陀螺将载体角速度产生的Sagnac效应在微光子结构无源谐振腔中表现出来，通过检测由Sagnac效应引起的在微光子结构无源谐振腔中顺、逆时针方向传输的光的频率差间接测量载体(微光学陀螺)角速度。

背景技术

微光学陀螺是实现转动检测的微型高精度惯性传感器件，与传统的机械陀螺和其他光学陀螺相比，其优势在于：体积小、重量轻、集成度高；与MEMS惯性器件相比：无运动部件，不需真空封装，且动态响应范围大，抗电磁干扰能力强，可在一些恶劣环境下使用。

谐振式微光学陀螺利用同一闭合回路中顺、逆时针方向传播的两束光之间的谐振频率差来测量旋转速度。谐振式微光学陀螺与干涉式陀螺相比，达到同样的灵敏度，谐振式光学陀螺需要的敏感环长度要短很多，降低了腔中温度分布不均匀引起的漂移；采用高相干光源，波长稳定性高；谐振频率与旋转角速度成正比，检测精度高，动态范围大。在航空、航天、航海等均用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。随着应用领域需要的发展，目前对陀螺体积和重量提出了更高的要求，要求体积更小，成本更低。而光纤陀螺的体积受到光纤环的限制，因此，综合微型化与光学高灵敏度的微光学陀螺的研究引起了国际上广泛的关注。

近年来，可以控制光传播路径的微光子结构越来越引人注意。微光子结构是一种人工的介质材料，是一种介质在另一种介质中周期性分布所组成的人造结构。电磁波在微光子结构中传播时，由于受到周期性势场的布拉格散射的影响而形成能带。这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间出现的带隙叫光子带隙。频率位于带隙中的电磁波不能在微光子结构中传播。因此，利用光子带隙原理能很好地控制晶体中光子的运动。

目前，微光学陀螺的敏感元件——谐振腔的形式主要有两种：分立元件式空气谐振腔、集成光波导谐振腔。微光子结构缺陷波导谐振腔可作为集成光波导谐振腔的一种，但由于目前的加工技术与水平达不到所需的要求，导致微光子结构缺陷波导的传输损耗很大，使得该方案不具有现实意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺。用微光子结构代替传统的反射镜构成分立元件谐振腔，光在空间传播，避免了微光子结构波导缺陷传输损耗大以及波导传光时的克尔效应(Kerr)、背向散射等噪声问题，与传统的微镜结构相比，易于实现一体化加工，体积小、集成度高。微光子结构是人工的介质材料，利用飞秒激光双光子技术进行三维和二维微光子结构的加工，利用谐振技术实现测量。光在微光子结构无源谐振腔构成的闭合空间光路中传播，由于微光子结构的周期性导致某些频率的传播禁带，通过控制传播光的频率在其禁带范围内，可以使微光子结构晶体反射镜的全角反射率接近100％。本发明中的微光子结构无源谐振腔为反射式结构，因此在入射光扫频的过程中会出现谐振凹陷点。

本发明是一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，包括有光电混合模块和陀螺检测控制电路。所述的光电混合模块由光源、集成光学调制器、第一光纤耦合器、第一探测器、微光子结构无源谐振腔、第二光纤耦合器、和第二探测器组成。光源的输出端和集成光学调制器的A端相连；集成光学调制器的B端与第一光纤耦合器的C端相连，集成光学调制器的C端与第二光纤耦合器的C端相连；第一光纤耦合器的B端与微光子结构无源谐振腔的A端相连，第一光纤耦合器的A端与第一探测器相连；第二光纤耦合器的B端与微光子结构无源谐振腔的B端相连，第二光纤耦介器的A端与第二探测器相连；陀螺检测控制电路的控制端与光源的输入端相连；陀螺检测控制电路接收第一探测器和第二探测器输出的光强信号。

本发明采用在正多边形基底的各个角上制作微光子结构，构成无源空间谐振腔，实现谐振式微光学陀螺。光路环形腔为闭环结构，通过由微光子结构构成的微反射结构反射光束实现。微光子结构包括二维及三维微结构，分别构成平面微反射镜及球面微反射镜。平面微反射镜只是作为反射光用；球面微反射镜除了反射外还有会聚光的作用，从而可减小光路的散射损耗。

本发明在分析离子刻蚀技术、自组装技术、全息成像技术、蒸汽冷凝技术和双光子加工技术等三维精细加工方法的基础上，采用电子束制版和干法刻蚀方法相结合的方法实现二维微光子结构的加工，采用飞秒激光双光子技术实现三维微光子结构的加工。

本发明与现有的微光学陀螺相比具有以下优点：(1)采用微纳米加工工艺，体积小、重量轻，利于系统的微型化；(2)可实现在基底上一体加工，还可能实现包括光源、探测器、集成光学调制器及耦合器等所有光输入输出元器件的全部集成，利于高度集成化，适合批量化生产；(3)光在空间光路传播，光路噪声小、传播损耗低；(4)反射镜反射率接近100％，损耗小。(5)采用微光子结构构成陀螺敏感元件，受外界环境的影响小，具有更高的温度稳定性和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺的结构原理框图。

图2是本发明中集成光学调制器的结构图。

图3是本发明中微光子结构无源谐振腔未封装的结构图。

图3A是四边形微光子结构无源谐振腔的光路走向示意图。

图3B是另一结构形式的四边形微光子结构无源谐振腔的光路走向示意图。

图4是三角形微光子结构无源谐振腔的光路走向示意图。

图5是多边形微光子结构无源谐振腔的光路走向示意图。

图中： 1.光源 2.集成光学调制器 201.基片202.Y分支耦合器 203.波导槽 231.A支臂 232.B支臂204.A电极 205.B电极 206.C电极 207.D电极 208.入纤209.A尾纤 210.B尾纤 3.第一光纤耦合器 4.第一探测器5.微光子结构无源谐振腔 51.基板 501.A凸台 502.B凸台503.第一侧边 504.第四侧边 52.A光纤 53.B光纤 54.介质柱55.A线缺陷 56.B线缺陷 511.A反射镜 512.B反射镜 513.C反射镜514.A输入输出镜 515.D反射镜 516.E反射镜 517.F反射镜518.B输入输出镜 519.C输入输出镜 520.G反射镜521.H反射镜 522.I反射镜 523.J反射镜 524.K反射镜6.第一光纤耦合器 7.第二探测器 8.陀螺检测控制电路

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于微光子结构无源谐振腔5的微光学陀螺，为谐振型光学陀螺，工作原理基于Sagnac效应，通过检测在谐振腔中顺时针和逆时针传播的光束之间的频率差来间接测量载体的旋转角速率。参见图1所示，本发明的微光学陀螺，由光电混合模块和陀螺检测控制电路8组成。所述的光电混合模块由光源1、集成光学调制器2、第一光纤耦合器3、第一探测器4、微光子结构无源谐振腔5、第二光纤耦合器6、和第二探测器7组成。光源1的输出端和集成光学调制器2的A端相连；集成光学调制器2的B端与第一光纤耦合器3的C端相连，集成光学调制器2的C端与第二光纤耦合器6的C端相连；第一光纤耦合器3的B端与微光子结构无源谐振腔5的A端相连，第一光纤耦合器3的A端与第一探测器4相连；第二光纤耦合器6的B端与微光子结构无源谐振腔5的B端相连，第二光纤耦合器6的A端与第二探测器7相连；陀螺检测控制电路8的控制端与光源1的输入端相连；陀螺检测控制电路8接收第一探测器4和第二探测器7输出的光强信号。

参见图2所示，集成光学调制器2由LiNbO₃基片201、Y分支耦合器202、波导槽203、A电极204、B电极205、C电极206、D电极207、入纤208、A尾纤209、B尾纤210组成，在LiNbO₃基片201上采用钛内扩散或者退火质子交换方法制作出波导槽203，波导槽203上的交汇点形成一个Y分支耦合器202，在波导槽203的A支臂231上下平行设有A电极204、B电极205，在波导槽203的B支臂232上下平行设有C电极206、D电极207；入纤208连接在Y分支耦合器202的A端；A尾纤209连接在波导槽203的A支臂231的末端；B尾纤210连接在波导槽203的B支臂232的末端。利用LiNbO₃晶体的线性电光效应，通过在A电极204与B电极205上加载激励电压引起A支臂231光波导介质折射率的变化，进而引起波导光传播相位的变化，实现对经A支臂231输出光的相位调制；通过在C电极206与D电极207上加载激励电压引起B支臂232光波导介质折射率的变化，进而引起波导光传播相位的变化，实现对经B支臂232输出光的相位调制。

微光子结构无源谐振腔5由基板51、二个以上反射镜、一个输入输出镜、两段光纤组成。参见图3所示，四边形微光子结构无源谐振腔由基板51、A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513、A输入输出镜514、A光纤52、B光纤53组成；A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513分别设置在四边形基板51的三个角上，A输入输出镜514设置在四边形基板51的第四个角上；在四边形基板51的第一侧边503上设有A凸台501，A凸台501上连接有A光纤52；在四边形基板51的第四侧边504上设有B凸台502，B凸台502上连接有B光纤53；A凸台501与B凸台502结构相同。A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513结构相同，A反射镜511由介质柱54按照三角晶格、正方晶格或者六角晶格阵列排布，介质柱54为圆柱，其直径为波长λ的0.05～2倍，高度为1～10μm；反射镜边长h为基板51边长的1/4，一个介质柱中心与另一个介质柱中心之间的间距a(或者称作微光子结构的晶格常数)为波长λ的0.1～10倍。A输入输出镜514由介质柱54按照三角晶格、正方晶格或者六角晶格阵列排布，且在第一侧边503上的反射镜边长h的1/2处未设有介质柱54形成A线缺陷55，在第四侧边504上的反射镜边长h的1/2处未设有介质柱54形成B线缺陷56(参见图3A所示)，A线缺陷55与B线缺陷56结构相同，线缺陷宽度为2倍晶格常数a或者4倍晶格常数a；介质柱54为圆柱，其直径为波长λ的0.05～2倍，高度为1～10μm；反射镜边长h为基板51边长的1/4，一个介质柱中心与另一个介质柱中心之间的间距a(或者称作微光子结构的晶格常数)为波长λ的0.1～10倍。

在本发明中，反射镜的反射面可以是平面、球面(如图3B所示的D反射镜515)。具有球面的D反射镜515除按照平面的A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513结构设计以外，D反射镜515的反射面可以多或者少布局几个介质柱，使其反射面形成球面。

微光子结构无源谐振腔5作为微光学陀螺的核心敏感元件，其光路走向为(参见图3A所示)：从A光纤52、A线缺陷55进入微光子结构无源谐振腔5中的光为顺时针传播，顺时针传播光先后经过C反射镜513、B反射镜512、A反射镜511的反射，到达A输入输出镜514；一小部分光从A输入输出镜514的B线缺陷56出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿顺时针方向传播。从B光纤53、B线缺陷56进入微光子结构无源谐振腔5中的光为逆时针传播，逆时针传播光先后经过A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513的反射，到达A输入输出镜514；一小部分光从A输入输出镜514的A线缺陷55出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿逆时针方向传播。A反射镜511、B反射镜512、C反射镜513和A输入输出镜514是一个二维微光子结构，采用电子束制版和干法刻蚀方法相结合的方法实现加工。设置微光子结构参数(介质柱的尺寸、排布方式)，使入射光频率处于微光子结构禁带内，从而得到接近100％的反射率。

参见图3B所示，D反射镜515是一个三维球面微光子结构，采用飞秒激光双光子三维加工技术实现加工。三维微光子结构中介质单元为球状、立方体状周期性结构，球直径或立方体边长为0.05～2λ，晶格常数为0.1～10λ，结构层厚度为1～10μm，其中λ为在谐振腔中传播的光的波长。微光子结构所围环形谐振腔的面积为0.5～2×10^-3m²，基座的面积为谐振腔面积的1～4倍。D反射镜515设计成三维微光子球面结构，与二维微光子结构的原理相同，设计三维微光子结构参数(介质柱的尺寸、排布方式)，使入射光频率处于微光子结构禁带内，得到接近100％的反射率。并且该结构靠近谐振腔内侧界面为球面，可达到会聚光束的目的，从而实现减少光传播过程中散射损耗的目的。

在本发明中，根据基板51的形状不同，则反射镜与输入输出镜的构形也将有差异，其介质柱的可以是以三角形、或者四边形的形式的连接构图。A输入输出镜514、B输入输出镜518、C输入输出镜519使特定频率的光入射到该界面后，反射光与透射光之比为80∶20～95∶5，以达到要求的谐振深度和谐振清晰度。基板51的形状可以是三角形、四边形(如图2所示)、六边形(如图5所示)或者多边形等。当基板为三角形时(如图4所示)，其光在微光子结构无源谐振腔5中的传播是相似的，即顺时针传播光先后经过F反射镜517、E反射镜516，到达B输入输出镜518；一小部分光从B输入输出镜518的缺陷出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿顺时针方向传播。逆时针传播光先后经过E反射镜516、F反射镜517的反射，到达B输入输出镜518；一小部分光从B输入输出镜518的缺陷出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿逆时针方向传播。E反射镜516、F反射镜517和B输入输出镜518是一个二维微光子结构，采用电子束制版和干法刻蚀方法相结合的方法实现加工。当基板为六边形时(如图5所示)，其光在微光子结构无源谐振腔5中的传播是相似的，即顺时针传播光先后经过K反射镜524、J反射镜523、I反射镜522、H反射镜521、G反射镜520的反射，到达C输入输出镜519；一小部分光从C输入输出镜519的缺陷出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿顺时针方向传播。逆时针传播光先后经过G反射镜520、H反射镜521、I反射镜522、J反射镜523、K反射镜524的反射，到达C输入输出镜519；一小部分光从C输入输出镜519的缺陷出射出，大部分光反射后继续在微光子结构无源谐振腔5中沿逆时针方向传播。

本发明基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，由光源1发出的光经过集成光学调制器2，经调制器起偏、分光、调制后输出线偏光注入第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器6，光经第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器6后达到A输入输出镜514。

第一光纤耦合器3出射的光经过A输入输出镜514的A线缺陷55达到微光子结构界面时，一部分光注入微光子结构谐振腔在腔内沿顺时针方向传播，另一部分光通过界面反射，直接通过B线缺陷56耦合出射；经过B线缺陷56直接出射和在谐振腔中传播后再经B线缺陷56出射的光经过第二光纤耦合器6达到第二光电探测器7。

第二光纤耦合器6出射的光经过A输入输出镜514的B线缺陷56达到微光子结构界面时，一部分光注入微光子结构谐振腔在腔内沿逆时针方向传播，另一部分光通过界面反射，直接通过A线缺陷55耦合出射；经过A线缺陷55直接出射和在谐振腔中传播后再经A线缺陷55出射的光经过第一光纤耦合器3达到第一光电探测器4。

作为用于检测光电混合模块的陀螺检测控制电路8，是对光信号进行调制使得能够从探测器输出的信号中提取出能反映载体旋转角速率的物理量，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光频率变化的PZT电压和集成光学调制器的调制电压，实现对光路的反馈，最终达到使在谐振腔中顺逆时针传播的光路都谐振的目的。本发明中通过检测微光子结构无源谐振腔5中顺、逆时针传播的光的频率差，并经过特定频率-转速转换关系，间接测量载体的旋转角速率。检测控制电路至少应包括数模转化模块、数字信号处理模块、模数转化模块以及信号输出模块等。

本发明是一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，该无源谐振腔是微光学陀螺的敏感元件，是最关键器件之一。本发明基于微光子结构微镜技术，构成微光学陀螺的新型无源环形谐振腔。采用微光子结构制作高反射率的微纳反射镜，并与具有一定透过率(5～20％)的微光子结构输入输出镜形成环形谐振腔。通过调整微光子的结构参数，可使输入输出镜达到最佳的反射率及透射率、反射镜的反射率接近100％。本发明在降低了谐振腔中各种噪声的同时，大大提高了光在谐振腔中的传输效率，有利于微光学陀螺性能的提高。

Claims

1、一种基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，包括有光电混合模块和陀螺检测控制电路(8)，其特征在于：所述的光电混合模块由光源(1)、集成光学调制器(2)、第一光纤耦合器(3)、第一探测器(4)、微光子结构无源谐振腔(5)、第二光纤耦合器(6)、和第二探测器(7)组成；

光源(1)的输出端和集成光学调制器(2)的A端相连；集成光学调制器(2)的B端与第一光纤耦合器(3)的C端相连，集成光学调制器(2)的C端与第二光纤耦合器(6)的C端相连；第一光纤耦合器(3)的B端与微光子结构无源谐振腔(5)的A端相连，第一光纤耦合器(3)的A端与第一探测器(4)相连；第二光纤耦合器(6)的B端与微光子结构无源谐振腔(5)的B端相连，第二光纤耦合器(6)的A端与第二探测器(7)相连；陀螺检测控制电路(8)的控制端与光源(1)的输入端相连；陀螺检测控制电路(8)接收第一探测器(4)和第二探测器(7)输出的光强信号；

集成光学调制器(2)由基片(201)、Y分支耦合器(202)、波导槽(203)、A电极(204)、B电极(205)、C电极(206)、D电极(207)、入纤(208)、A尾纤(209)、B尾纤(210)组成，在基片(201)上采用钛内扩散或者退火质子交换方法制作出波导槽(203)，波导槽(203)上的交汇点形成一个Y分支耦合器(202)，在波导槽(203)的A支臂(231)上下平行设有A电极(204)、B电极(205)，在波导槽(203)的B支臂(232)上下平行设有C电极(206)、D电极(207)；入纤(208)连接在Y分支耦合器(202)的A端；A尾纤(209)连接在波导槽(203)的A支臂(231)的末端；B尾纤(210)连接在波导槽(203)的B支臂(232)的末端；

微光子结构无源谐振腔(5)由基板(51)、A反射镜(511)、B反射镜(512)、C反射镜(513)、A输入输出镜(514)、A光纤(52)、B光纤(53)组成；A反射镜(511)、B反射镜(512)、C反射镜(513)分别设置在四边形基板(51)的三个角上，A输入输出镜(514)设置在四边形基板(51)的第四个角上；在四边形基板(51)的第一侧边(503)上设有A凸台(501)，A凸台(501)上连接有A光纤(52)；在四边形基板(51)的第四侧边(504)上设有B凸台(502)，B凸台(502)上连接有B光纤(53)；A凸台(501)与B凸台(502)结构相同；A反射镜(511)、B反射镜(512)、C反射镜(513)结构相同，A反射镜(511)由介质柱(54)按照三角晶格、正方晶格或者六角晶格阵列排布；A输入输出镜(514)由介质柱(54)按照三角晶格、正方晶格或者六角晶格阵列排布，且在第一侧边(503)上的反射镜边长h的1/2处未设有介质柱(54)形成A线缺陷(55)，在第四侧边(504)上的反射镜边长h的1/2处未设有介质柱(54)形成B线缺陷(56)，A线缺陷(55)与B线缺陷(56)结构相同。

2、根据权利要求1所述的基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：基片(201)采用LiNbO₃薄板。

3、根据权利要求1所述的基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：基板(51)形状为三角形、四边形、六边形或正多边形。

4、根据权利要求1所述的基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：介质柱(54)为圆柱，其直径为波长λ的0.05～2倍，高度为1～10μm；反射镜边长h为基板(51)边长的1/4，一个介质柱中心与另一个介质柱中心之间的间距a为波长λ的0.1～10倍。

5、根据权利要求1所述的基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：A线缺陷(55)与B线缺陷(56)的线缺陷宽度为2倍晶格常数a或者4倍晶格常数a。