CN101294809B - 基于硅基二氧化硅波导双谐振腔的微光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，所述微光学陀螺由光源(1)、集成光学调制器(2)、硅基二氧化硅波导双谐振腔(3)、第一探测器(4)和第二探测器(5)和陀螺检测控制电路(6)组成，本发明微光学陀螺通过检测在A谐振腔3c、B谐振腔3d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。

Description

基于硅基二氧化硅波导双谐振腔的微光学陀螺

技术领域

本发明涉及一种微光学陀螺，更特别地说，是指一种基于硅基二氧化硅波导双谐振腔结构的微光学陀螺。

背景技术

公开号CN1O1149266A中公开了一种名为“基于微光子结构无源谐振腔的微光学陀螺”。该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，第二光纤耦合器的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。

近年来，硅基二氧化硅波导结构的谐振腔由于其自身特性的优势引起了广泛的关注。硅基二氧化硅材料的优势主要集中在材料损耗比较低，材料加工的一致性比较好，通过优化的设计可以使其与尾纤的模场匹配度高，但是如果正反两束光在一个谐振腔中传播，依旧会导致由于介质的缺陷而导致背向散射光与另一路光的干涉，从而对陀螺输出产生影响。为了减弱这部分噪声，并结合当前不断的微加工技术，本专利申请提出了一种具有双腔型硅基二氧化硅无源谐振腔。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于硅基二氧化硅波导双谐振腔的微光学陀螺。将传统的单谐振腔敏感型谐振陀螺，通过微加工工艺手段转变为双谐振腔敏感型陀螺。此种方案将正反两束输入光分别在两个谐振腔中传播，有效的减小了光路系统的瑞利背向散射噪声，与传统单谐振腔型陀螺相比本发明陀螺集成度与精度更高。硅基二氧化硅材料主要是通过PECVD(等离子化学汽相淀积)、RIE(反应离子刻蚀)等手段实现加工，其测量主要是通过材料分析仪、台阶仪来进行鉴定。双腔型的谐振腔最后是通过硅-硅键合技术实现的。光在硅基二氧化硅波导的传播机理是光的全发射。本发明中提出的双谐振腔结构为反射式结构，其输出为谐振谷的形式。

本发明是一种基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，所述微光学陀螺由光源(1)、集成光学调制器(2)、硅基二氧化硅波导双谐振腔(3)、第一探测器(4)和第二探测器(5)和陀螺检测控制电路(6)组成；

硅基二氧化硅波导双谐振腔(3)包括有A衬底(3a)、A谐振腔(3c)、A腔外波导(31)、B衬底(3b)、B谐振腔(3d)、B腔外波导(34)，A谐振腔(3c)、A腔外波导(31)采用硅-硅键合技术加工在A衬底(3a)的上衬面(33a)上，B谐振腔(3d)、B腔外波导(34)采用硅-硅键合技术加工在B衬底(3b)的上衬面(33c)上；A谐振腔(3c)输出A路光给第一探测器(4)；B谐振腔(3d)输出B路光给第二探测器(5)；A衬底(3a)的下衬面(33b)与B衬底(3b)的下衬面(33d)连接在一起，A衬底(3a)与B衬底(3b)的结构相同；A谐振腔(3c)与B谐振腔(3d)的结构相同；

A谐振腔(3c)为弧角长方形结构，A谐振腔(3c)按顺时针方向顺次设计为A弯曲波导(321)、D直波导(334)、D弯曲波导(324)、C直波导(333)、C弯曲波导(323)、B直波导(332)、B弯曲波导(322)、A直波导(331)；所述D直波导(334)上设有D过渡区(303)、B耦合区(301)、C过渡区(302)，且A腔外波导(31)的A耦合区(313)与D直波导(334)上的B耦合区(301)相邻5～10μm；D直波导(334)、C直波导(333)、B直波导(332)和A直波导(331)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；A弯曲波导(321)、D弯曲波导(324)、C弯曲波导(323)、B弯曲波导(322)的曲率半径为6mm；

A腔外波导(31)按光入口到出口顺次设计为A直通端(311)、A过渡区(312)、A耦合区(313)、B过渡区(314)、B直通端(315)；A腔外波导(31)位于D直波导(334)的外侧，A过渡区(312)、B过渡区(314)为余弦曲线；

B谐振腔(3d)为弧角长方形结构，B谐振腔(3d)按顺时针方向顺次设计为H弯曲波导(354)、G直波导(364)、E弯曲波导(351)、H直波导(361)、F弯曲波导(352)、E直波导(362)、G弯曲波导(353)、F直波导(363)；所述G直波导(364)上设有G过渡区(372)、D耦合区(371)、H过渡区(373)；G直波导(364)、H直波导(361)、E直波导(362)、F直波导(363)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；H弯曲波导(354)、E弯曲波导(351)、F弯曲波导(352)、G弯曲波导(353)的曲率半径为6mm；

B腔外波导(34)按B路光入口到出口顺次设计为D直通端(345)、F过渡区(344)、C耦合区(343)、E过渡区(342)、C直通端(341)；B腔外波导(34)位于G直波导(364)的外侧，E过渡区(342)、F过渡区(344)为余弦曲线。

本发明的微光学陀螺可以采用电子束制版、等离体化学汽相淀积、干法刻蚀、硅-硅键合相结合的方法实现硅基二氧化硅双谐振腔的加工。

本发明的主要优点：(1)硅基二氧化硅材料损耗低，目前的加工水平可以做到0.01dB/cm。(2)波导与光纤的模场直径匹配度高，耦合效率高。(3)两束输入光在不同的谐振腔中传播，瑞利背向散射噪声小。(4)采用微加工工艺制作，体积小，重量轻，便于系统微型化。(5)光源、探测器、光调制器和光耦合器的一体化加工，便于批量生产。

附图说明

图1是本发明基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺的结构原理框图。

图2是本发明硅基二氧化硅波导的双谐振腔的结构图。

图2A是本发明的A谐振腔、A腔外波导的结构图。

图2B是本发明的A谐振腔与A腔外波导的耦合示图。

图2C是本发明的B谐振腔、B腔外波导的结构图。

图2D是本发明的B谐振腔与B腔外波导的耦合示图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，该微光学陀螺通过检测在A谐振腔3c、B谐振腔3d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。本发明基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺由光源1、集成光学调制器2、硅基二氧化硅波导双谐振腔3、第一探测器4和第二探测器5和陀螺检测控制电路6组成。

光源1输出出射光给集成光学调制器2；

出射光经集成光学调制器2的起偏、分光、调制后输出A路线偏振光、B路线偏振光；

A路线偏振光进入硅基二氧化硅波导结构双谐振腔3的A谐振腔3c；

B路线偏振光进入硅基二氧化硅波导结构双谐振腔3的B谐振腔3d；

经A路出光口输出的光被第一探测器4接收后轮换为第一光功率信号V₄输出给陀螺检测控制电路6；

经B路出光口输出的光被第二探测器5接收后轮换为第二光功率信号V₅输出给陀螺检测控制电路6；

陀螺检测控制电路6对接收的第一光功率信号V₄、第二光功率信号V₅进行调制处理后输出光源出射光频率信号f₁加载至光源1上，用于实时控制光源1的出射光频率；

陀螺检测控制电路6对接收的第一光功率信号V₄、第二光功率信号V₅进行调制处理后输出相位调制信号f₂加载至集成光学调制器2上，用于实时控制集成光学调制器2的相位。

参见图2、图2A、图2B、图2C、图2D所示，硅基二氧化硅波导结构双谐振腔3包括有A衬底3a、A谐振腔3c、A腔外波导31、B衬底3b、B谐振腔3d、B腔外波导34，A谐振腔3c、A腔外波导31采用硅-硅键合技术加工在A衬底3a的上衬面33a上，B谐振腔3d、B腔外波导34采用硅-硅键合技术加工在B衬底3b的上衬面33c上；A谐振腔3c输出A路光给第一探测器4；B谐振腔3d输出B路光给第二探测器5；A衬底3a的下衬面33b与B衬底3b的下衬面33d连接在一起，A衬底3a与B衬底3b的结构相同，且厚度为400μm；A谐振腔3c与B谐振腔3d的结构相同；

参见图2A所示，A谐振腔3c为弧角长方形结构，A谐振腔3c按顺时针方向顺次设计为A弯曲波导321、D直波导334、D弯曲波导324、C直波导333、C弯曲波导323、B直波导332、B弯曲波导322、A直波导331；所述D直波导334上设有D过渡区303、B耦合区301、C过渡区302，且A腔外波导31的A耦合区313与D直波导334上的B耦合区301相邻5～10μm。

A谐振腔3c的高度为100～150μm；

四个直波导(D直波导334、C直波导333、B直波导332、A直波导331)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；

四个弯曲波导(A弯曲波导321、D弯曲波导324、C弯曲波导323、B弯曲波导322)的曲率半径为6mm；

参见图2A、图2B所示，A腔外波导31按光入口到出口顺次设计为A直通端311、A过渡区312、A耦合区313、B过渡区314、B直通端315；A腔外波导31位于D直波导334的外侧，且A腔外波导31的A耦合区313与D直波导334上的B耦合区30 1相邻5～10μm。A耦合区313的长度与B耦合区301的长度相同为10mm。A过渡区312、B过渡区314为余弦曲线。

参见图2C所示，B谐振腔3d为弧角长方形结构，B谐振腔3d按顺时针方向顺次设计为H弯曲波导354、G直波导364、E弯曲波导351、H直波导361、F弯曲波导352、E直波导362、G弯曲波导353、F直波导363；所述G直波导364上设有G过渡区372、D耦合区371、H过渡区373，且B腔外波导34的C耦合区343与G直波导364上的D耦合区371相邻5～10μm。

B谐振腔3d的高度为100～150μm；

四个直波导(G直波导364、H直波导361、E直波导362、F直波导363)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；

四个弯曲波导(H弯曲波导354、E弯曲波导351、F弯曲波导352、G弯曲波导353)的曲率半径为6mm；

参见图2C、图2D所示，B腔外波导34按B路光入口到出口顺次设计为D直通端345、F过渡区344、C耦合区343、E过渡区342、C直通端341；B腔外波导34位于G直波导364的外侧，且B腔外波导34的C耦合区343与G直波 导364上的D耦合区371相邻5～10μm。C耦合区343的长度与D耦合区371的长度相同为10mm。E过渡区342、F过渡区344为余弦曲线。

在本发明中，集成光学调制器2的结构与申请号200710177382.5中公开的相同，此处不在详细说明。

在本发明中，硅基二氧化硅波导双谐振腔3作为微光学陀螺的核心敏感元件，A路线偏振光(逆时针传输的光)经由A衬底3a上的A路光入口进入A谐振腔3c中进行传播，一小部分光从硅基二氧化硅谐振腔中耦合射出，大部分光继续在A谐振腔3c中传播。B路线偏振光(顺时针传输的光)经由B衬底3b上的B路光入口进入B谐振腔3d中进行传播，一小部分光从硅基二氧化硅谐振腔中耦合射出，大部分光继续在B谐振腔3d中传播。其中，A谐振腔3c、B谐振腔3d中硅基二氧化硅波导耦合器的分光比为95∶5，以达到最佳的谐振深度和谐振清晰度。

集成光学调制器2输出的A路线偏振光进入硅基二氧化硅波导双谐振腔3中的A谐振腔3c中，当到达耦合区(A耦合区313、B耦合区301)时，一部分光通过光耦合作用进入A谐振腔3c中，另一部分光保留在陀螺中继续传播；耦合进谐振腔中的光由于波导设计满足光全反射传播的原理，使得光在直波导与弯曲波导和弯曲进行传播，经过一圈后，会经由光的耦合作用输出至谐振腔外波导，从而进入第一光电探测器4中，光电探测器检测到的光功率信号V₄会输送至陀螺检测控制电路6进行处理。

集成光学调制器2输出B路线偏振光进入硅基二氧化硅波导双谐振腔3中的B谐振腔3d中，当到达耦合区(C耦合区343、D耦合区371))时，一部分光通过光耦合作用进入B谐振腔3d中，另一部分光保留在陀螺中继续传播；耦合进谐振腔中的光由于波导设计满足光全反射传播的原理，使得光在直波导与弯曲波导和弯曲进行传播，经过一圈后，会经由光的耦合作用输出至谐振腔外波导，从而进入第二光电探测器5中，光电探测器检测到的光功率信号V₅会输送至陀螺检测控制电路6进行处理。

硅基二氧化硅波导双谐振腔3中，其弯曲波导起到反光的作用，弯曲波导的曲率半径是其主要的设计要素，因为弯曲波导曲率半径与其损耗成正比。参见图2A、图2C所示，A衬底3a的上衬面33a上的A谐振腔3c中的四个弯曲波导，即A弯曲波导321、D弯曲波导324、C弯曲波导323、B弯曲波导322。B衬底3b的上衬面33c上的B谐振腔3d中的四个弯曲波导，即H弯曲波导354、E弯曲波导351、F弯曲波导352、G弯曲波导353。

陀螺检测控制电路6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的频率和集成光学调制器的相位调制电压，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。本发明中通过检测硅基二氧化硅波导双谐振腔3中顺、逆时针传播的光的频率差，并经过频率-转速转换关系，间接测量载体的旋转角速率。陀螺检测控制电路6至少应包括数模转化模块、数字信号处理模块、模数转模块以及信号输出模块等。关于陀螺检测控制电路6可以参见专利发明人冯丽爽在专利申请号200710177376.X中公开的一种“微光学陀螺的调制解调和反馈控制装置”。

本发明的基于硅基二氧化硅波导双谐振腔微光学陀螺，通过改变谐振腔的结构形成了一种新型的微光学陀螺。该新型微光学陀螺通过检测在双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。

Claims (4)

1.一种基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，所述微光学陀螺由光源(1)、集成光学调制器(2)、谐振腔、第一探测器(4)和第二探测器(5)和陀螺检测控制电路(6)组成，其特征在于：所述谐振腔为硅基二氧化硅波导双谐振腔(3)；

硅基二氧化硅波导双谐振腔(3)包括有A衬底(3a)、A谐振腔(3c)、A腔外波导(31)、B衬底(3b)、B谐振腔(3d)、B腔外波导(34)，A谐振腔(3c)、A腔外波导(31)采用硅-硅键合技术加工在A衬底(3a)的上衬面(33a)上，B谐振腔(3d)、B腔外波导(34)采用硅-硅键合技术加工在B衬底(3b)的上衬面(33c)上；A谐振腔(3c)输出A路光给第一探测器(4)；B谐振腔(3d)输出B路光给第二探测器(5)；A衬底(3a)的下衬面(33b)与B衬底(3b)的下衬面(33d)连接在一起，A衬底(3a)与B衬底(3b)的结构相同；A谐振腔(3c)与B谐振腔(3d)的结构相同；

A谐振腔(3c)为弧角长方形结构，A谐振腔(3c)按顺时针方向顺次设计为A弯曲波导(321)、D直波导(334)、D弯曲波导(324)、C直波导(333)、C弯曲波导(323)、B直波导(332)、B弯曲波导(322)、A直波导(331)；所述D直波导(334)上设有D过渡区(303)、B耦合区(301)、C过渡区(302)，且A腔外波导(31)的A耦合区(313)与D直波导(334)上的B耦合区(301)相邻5～10μm；D直波导(334)、C直波导(333)、B直波导(332)和A直波导(331)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；A弯曲波导(321)、D弯曲波导(324)、C弯曲波导(323)、B弯曲波导(322)的曲率半径为6mm；

A腔外波导(31)按光入口到出口顺次设计为A直通端(311)、A过渡区(312)、A耦合区(313)、B过渡区(314)、B直通端(315)；A腔外波导(31)位于D直波导(334)的外侧，A过渡区(312)、B过渡区(314)为余弦曲线；

B谐振腔(3d)为弧角长方形结构，B谐振腔(3d)按顺时针方向顺次设计为H弯曲波导(354)、G直波导(364)、E弯曲波导(351)、H直波导(361)、F弯曲波导(352)、E直波导(362)、G弯曲波导(353)、F直波导(363)；所述G直波导(364)上设有G过渡区(372)、D耦合区(371)、H过渡区(373)；G直波导(364)、H直波导(361)、E直波导(362)、F直波导(363)长度分别为20mm、18mm、20mm、18mm；H弯曲波导(354)、E弯曲波导(351)、F弯曲波导(352)、G弯曲波导(353)的曲率半径为6mm；

B腔外波导(34)按B路光入口到出口顺次设计为D直通端(345)、F过渡区(344)、C耦合区(343)、E过渡区(342)、C直通端(341)；B腔外波导(34)位于G直波导(364)的外侧，E过渡区(342)、F过渡区(344)为余弦曲线。

2.根据权利要求1所述的基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：A衬底(3a)、B衬底(3b)的厚度为400μm。

3.根据权利要求1所述的基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：A谐振腔(3c)、B谐振腔(3d)的高度为100～150μm。

4.根据权利要求1所述的基于硅基二氧化硅波导的双谐振腔的微光学陀螺，其特征在于：A耦合区(313)、B耦合区(301)、C耦合区(343)、D耦合区(371)的长度相同为10mm。

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