CN101793520B - 基于光学微腔的集成光波导陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学领域和微机电领域，具体是一种基于光学微腔的集成光波导陀螺。解决了现有光纤陀螺仪性能提高受光纤环质量限制、不利于光纤陀螺仪在高精度领域应用等问题，包括光源、分束器、由信号处理单元和两个光电探测器构成的光检测装置，还包括采用MEMS加工工艺在半导体衬底上加工得到的光学微腔、平行对称设置于光学微腔两侧的光波导，两光波导分别与光学微腔构成光波导-微腔耦合结构，分束器的两出射口分别经入射光纤与两光波导的入射端一一对应建立两路入射光路，两光波导的出射端分别经出射光纤与光检测装置中两光电探测器的输入端一一对应建立两路出射光路。本发明结构合理、简单，灵敏度高，应用范围广，能适合应用于高精度测量领域。

Description

基于光学微腔的集成光波导陀螺

技术领域

本发明涉及光学领域和微机电领域，具体是一种基于光学微腔的集成光波导陀螺。

背景技术

陀螺仪是惯性系统的核心部件，能够精确地确定运动物体的方位，它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的惯性导航仪器。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式陀螺仪，机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，测量精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，光学陀螺成为现代陀螺仪的发展主体，包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪，两者均基于1913年法国科学家G.Sagnac发现的Sagnac效应(即在一个任意几何形状的闭合光学环路中，从任意一点发出的沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点时，如果闭合光路在其平面内相对惯性空间有旋转，则两束光波的相位将发生变化)实现。其中，由于光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了传统机械式陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，皆以光纤环敏感载体的转动，将入射光分为两束，分别沿着光纤环的顺时针和逆时针传播，最后在某点回合，通过测量二者的相位变化和频率变化来计算载体产生的转动角速度。对于干涉式陀螺，光纤环由多圈光纤在特制的骨架上按特定的方式绕制而成，为光纤陀螺提供大等效面积的闭合光路，以便在增强Sagnac效应的同时，减小光学陀螺的体积。干涉式陀螺的性能直接受光纤环的稳定性和抗干扰能力影响，而光纤环的稳定性和抗干扰能力与光纤环的制作技术相关。例如：1983年NicholasJ.Frigo提出的四极对称绕环方法是光纤环制作技术的经典方法，在一定程度上改善了光纤环的抗干扰能力及其温度性能，但操作相当复杂，无法保证环质量，必须在绕制后对光纤环的性能检测和筛选。且由于光纤环的绕置结构，使得其体积必然占据一定空间，无法进一步减少，不利于光学陀螺仪向微小型化发展。且光纤环有弯曲损耗、交叉损耗等问题，从而影响干涉信号检测而最终影响光纤陀螺的精度。对于谐振式光纤陀螺，其优点不需要制备很长的光纤，不存在额外损耗，但其光线环集成性及抗震性不佳。光纤陀螺的一个重要优势是抗震性能优越，耐冲击是光纤陀螺优于其他类型陀螺的一个很重要的方面，光纤环是影响光纤陀螺抗震性能的主要器件，因此，提高光纤环的抗震性能是保证光纤陀螺抗震性能的关键。而要提高光纤环的抗震性能，目前的做法是在绕制光纤环时涂胶。固胶虽然改善了光纤环的抗震性能，但仍受涂胶量及涂胶的均匀度的影响，而且胶的温度性能及自身固化后状态对光纤环性能也会产生影响，进而使装配后的光纤陀螺性能不稳定。总之，光纤环的质量不但限制了光纤陀螺性能的进一步提高，而且会影响光纤陀螺在高精度领域的应用。

随着微加工技术的发展，高Q光学微腔为研制新型光学陀螺仪提供了新的思路。光学微腔是指线度约为5μm至500μm的、尺寸可与光波波长相比拟的光学介电谐振器，是凝聚态介观物理研究中的活跃领域。目前研究的光学微腔主要集中在均匀介质的圆环或圆球等结构，由于其具有极高的品质因素和极小的模式体积，使其在空间和时域上能很好地实现光存储，成为研究腔量子电动力学效应、提高或抑制自发辐射率、降低激光器域值、制备光学滤波器、产生确定性单光子源、实现波长调制转换器和光存储器等的理想研究平台。并随着近年来微加工技术的飞速发展，也促进了光学微腔的实现、发展和进一步研究。

发明内容

本发明为了解决现有光纤陀螺仪性能提高受光纤环质量限制、不利于光纤陀螺仪在高精度领域应用等问题，提供了一种基于光学微腔的集成光波导陀螺。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于光学微腔的集成光波导陀螺，包括光源、分束器及由信号处理单元和两个光电探测器构成的光检测装置，光源正对分束器的入射口设置，两个光电探测器的输出端与信号处理单元信号采集端相连，还包括采用MEMS加工工艺在半导体衬底上加工得到的光学微腔、以及平行对称设置于光学微腔两侧的光波导(即双波导)，且两光波导分别与光学微腔构成光波导-微腔耦合结构，光学微腔、光波导设置于分束器与光检测装置之间，分束器的两出射口分别经入射光纤与两光波导的入射端一一对应建立两路入射光路，两光波导的出射端分别经出射光纤与光检测装置中两光电探测器的输入端一一对应建立两路出射光路。

所述光波导两端采用MEMS加工工艺分别加工有波导光栅，入射光纤和出射光纤分别经波导光栅与光波导垂直耦合；

所述光学微腔为平面环形微腔；分束器采用Y形波导管，且Y形波导管的入射口与光源之间设置有滤光光栅；

光源发出的光束经滤光光栅滤光后入射Y形波导管，分为两束，分别沿着入射光纤进入平面环形微腔两侧的光波导，并在光波导的传输中与平面环形微腔相耦合，在平面环形微腔内顺时针和逆时针传输。当所述光学陀螺静止时，陀螺内平面环形微腔中顺时针和逆时针传输的光波的传输光程一致，平面环形微腔会对顺时针和逆时针传输的光波在同一特定频率产生谐振；而当光学陀螺转动时，即使是一个很小的转角，平面环形微腔中沿着光波传播方向上的光程会发生变化，即平面环形微腔中沿着光波顺时针传播方向上的光程与光波逆时针传播方向上的光程存在光程差，平面环形微腔会对顺时针和逆时针传输的光波在不同特定频率产生谐振，通过光检测装置中两光电探测器分别采集平面环形微腔两侧光波导内传输的光波信号，确定光学陀螺发生转动时，两路光波在平面环形微腔内产生谐振的频率，然后经由信号处理单元分析两路光波在平面环形微腔内谐振频率的变化，获得频差，即可换算为光学陀螺所在载体的转动角速度，达到测量角速度的目的。所述MEMS加工工艺是现有公知技术。

与现有技术相比，本发明以具有极高品质因数和极小模式体积的光学微腔作为光回路载体，以光波导传输光波，不但克服了现有传感器的应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等非常严格的环境中；且光学微腔和传统光纤环相比，体积小，结构精巧、简单，且由于MEMS加工工艺的快速发展，其加工更适合批量生产和易于与其他部件的集成，适合应用于高精度测量领域；在光波导两端设置波导光栅，使光波导与入射光纤、出射光纤之间垂直耦合，可大大提高光纤与光波导之间的耦合效率，有利于陀螺的集成化、固态化；另外，在光源与Y形波导管入射口间增设滤光光栅，限定Y形波导管的入射光频率范围，以降低光检测装置检测、分析量，来提高陀螺的测量效率、精度。总的来说，光学微腔特有的“回音壁”模式(WGM)而拥有其极高的品质因数(Q)，并在保持高品质因数的同时其加工更适合批量生产和易于与其他部件的集成，使得以光学微腔作为光回路载体的光波导陀螺，具有体积小、重量轻、集成性好等优点。

本发明结构合理、简单，集成性好，灵敏度高，应用范围广，能适合应用于高精度测量领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为入射/出射光纤经波导光栅与光波导垂直耦合的示意图；

图3为本发明光学微腔与双波导集成的CCD照片；

图中：1-光源；2-信号处理单元；3、4-光电探测器；5-光学微腔；6、7-光波导；8、9-入射光纤；10、11-出射光纤；12-波导光栅；13-Y形波导管；14-滤光光栅。

具体实施方式

如图1、3所示，基于光学微腔的集成光波导陀螺，包括光源1、分束器及由信号处理单元2和两个光电探测器3、4构成的光检测装置，光源1正对分束器的入射口设置，两个光电探测器3、4的输出端与信号处理单元2信号采集端相连，并包括采用MEMS加工工艺在半导体衬底上加工得到的光学微腔5、以及平行对称设置于光学微腔5两侧的光波导6、7，且两光波导6、7分别与光学微腔5构成光波导-微腔耦合结构，光学微腔5、光波导6、7设置于分束器与光检测装置之间，分束器的两出射口分别经入射光纤8、9与两光波导6、7的入射端一一对应建立两路入射光路，两光波导6、7的出射端分别经出射光纤10、11与光检测装置中两光电探测器3、4的输入端一一对应建立两路出射光路。所述光学微腔5为平面环形微腔；分束器采用Y形波导管13，且Y形波导管13的入射口与光源1之间设置有滤光光栅14。

所述光波导6、7两端采用MEMS加工工艺分别加工有波导光栅，如图2所示，入射光纤8、9和出射光纤10、11分别经波导光栅12与光波导6、7进行垂直耦合，箭头则表示光的传播方向。本发明所述陀螺涉及的各项尺寸参数(如：光学微腔和光波导的尺寸大小、材质、以及光波导与光学微腔的间距等)应以保证光学微腔与光波导间的高效耦合效果和透射谱的明显变化为前提，根据所做器件或集成时的具体情况确定。

Claims (2)

1.一种基于光学微腔的集成光波导陀螺，包括光源(1)、分束器及由信号处理单元(2)和两个光电探测器(3、4)构成的光检测装置，光源(1)正对分束器的入射口设置，两个光电探测器(3、4)的输出端与信号处理单元(2)信号采集端相连，其特征在于：还包括采用MEMS加工工艺在半导体衬底上加工得到的光学微腔(5)、以及平行对称设置于光学微腔(5)两侧的光波导(6、7)，且两光波导(6、7)分别与光学微腔(5)构成光波导-微腔耦合结构，光学微腔(5)、光波导(6、7)设置于分束器与光检测装置之间，分束器的两出射口分别经入射光纤(8、9)与两光波导(6、7)的入射端一一对应建立两路入射光路，两光波导(6、7)的出射端分别经出射光纤(10、11)与光检测装置中两光电探测器(3、4)的输入端一一对应建立两路出射光路；所述光波导(6、7)两端采用MEMS加工工艺分别加工有波导光栅(12)，入射光纤(8、9)和出射光纤(10、11)分别经波导光栅(12)与光波导(6、7)垂直耦合。

2.根据权利要求1所述的基于光学微腔的集成光波导陀螺，其特征在于：所述光学微腔(5)为平面环形微腔；分束器采用Y形波导管(13)，且Y形波导管(13)的入射口与光源(1)之间设置有滤光光栅(14)。

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