CN105659810B - 一种集成光学陀螺光路系统结构 - Google Patents

Abstract

一种集成光学陀螺光路系统结构，包括光源、探测器、分束器、多功能相位调制器和敏感线圈，还可能包括消偏器，除消偏器外，光路系统结构中各组成元件分别布置于敏感芯片和混合芯片上，敏感芯片和混合芯片中的波导材料不同，其中光源和多功能相位调制器位于混合芯片上，敏感线圈位于敏感芯片上，探测器或分束器可以布置于敏感芯片上，也可以布置于混合芯片上。本发明将发射调制单元和传输单元分别集成在两个芯片上，这样可以根据不同的功能，芯片采用不同的材质，使各功能单元的性能同时达到最优。<pb pnum="1" />

Description

一种集成光学陀螺光路系统结构

技术领域

本发明涉及一种光路结构，特别是一种集成光学陀螺光路系统中各组成元器件的集成方式。

背景技术

集成光学陀螺具有体积小、重量轻、抗振动冲击、高可靠、低成本、适宜批量生产等特点，已成为光学陀螺在未来的发展方向之一。

目前集成光学陀螺光路系统结构方案大致分为两类：一类是将整个光路系统集成在一个芯片上，另一类是将敏感线圈集成在一个芯片上，而其它元器件为分立器件。第一类研究方案的优点是高度集成，实现了真正意义上的单芯片陀螺，但其技术难度非常高，继续提高性能比较困难，这是由于集成光学陀螺系统包含发射接收单元、调制单元和传输单元，而调制单元和传输单元实现单片集成存在较大难度，因为很难通过一种材料实现高效的调制和低损耗的传输，这严重阻碍了该方案的性能提高。第二类研究方案虽然在技术难度上大大降低，但陀螺的集成度很低，体积仍然比较大，不能充分体现出集成光学陀螺高度集成的特点。

和集成光学陀螺类似的一种陀螺是采用了空间光路集成方式的小型化陀螺，如将光源、探测器、分束器等陀螺光路系统的部分器件通过微透镜等宏观元器件将其集成在一个管壳内，实现小型化的单元模块。该方法仍然为宏观尺度上的集成，其集成度较低、体积较大。

另外一种和集成光学陀螺类似的是集成化光纤陀螺，集成化光纤陀螺是将光源、探测器、甚至分束器通过单片集成技术或混合集成技术集成在一个芯片上，但陀螺光路系统的其它元件仍处于分立状态，尤其是敏感线圈仍然为光纤形式，因此该种系统结构仍然处于光纤陀螺范畴，而光纤陀螺的体积主要由光纤线圈的体积决定，因此集成化光纤陀螺方案也无法明显降低陀螺体积。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种集成度高，可减小陀螺体积的集成光学陀螺光路系统结构。

本发明的技术解决方案是：一种集成光学陀螺光路系统结构，包括光源、探测器、分束器、多功能相位调制器和敏感线圈，所述光路系统结构中各组成元件分别布置于敏感芯片和混合芯片上，敏感芯片和混合芯片中的波导材料不同，其中所述的光源和多功能相位调制器位于混合芯片上，所述的敏感线圈位于敏感芯片上，所述的探测器或分束器可以布置于敏感芯片上，也可以布置于混合芯片上。

所述的敏感芯片和混合芯片之间通过光纤连接，或通过芯片端面对准粘接的方式连接。

所述的集成光学陀螺光路系统结构中还包含有消偏器，所述的消偏器位于敏感芯片和混合芯片之间，并通过光纤与敏感芯片和混合芯片连接。

所述的光源通过帖装工艺将其管芯固定于混合芯片的表面。

所述的多功能相位调制器通过光波导加工工艺直接加工在混合芯片上。

所述的敏感线圈通过光波导加工工艺直接加工在敏感芯片上。

所述的探测器通过帖装工艺将其管芯固定于其所在芯片表面。

所述的分束器通过光波导加工工艺直接加工在其所在芯片上。

所述的光源为波长范围在800～1600nm的半导体激光器芯片。

所述的敏感线圈为干涉式陀螺的干涉线圈，或谐振式陀螺的谐振腔，或循环干涉式陀螺的谐振腔。

所述的多功能相位调制器至少具备分束功能和相位调制功能。

所述的分束器为在正向传输时可将一路光至少分为两路，并且对于分束器上相同的端口，在逆向传输时可实现合束功能的波导器件、结构或功能单元。

所述的谐振式陀螺的谐振腔，或循环干涉式陀螺的谐振腔包括一个闭合的波导线圈，所述的波导线圈上至少包含一个耦合器，波导线圈通过耦合器和外部进行光的输入和输出。

所述的干涉式陀螺的干涉线圈为一根连续的波导。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对的是集成光学陀螺，敏感线圈和其他光学元器件都采用集成的方式，因此整个光路系统具有体积小、重量轻的特点；整个光路系统无任何活动部件，因此具有抗振动、冲击的特点，具有高可靠性；另外，集成光学芯片的加工采用平面半导体工艺，可实现低成本、大批量生产；

(2)本发明将发射调制单元和传输单元分别集成在两个芯片上，这样可以根据不同的功能，芯片采用不同的材质，可以使各功能单元的性能同时达到最优，此外，所有元器件都集成在两个芯片上，保证了集成光学陀螺体积小、重量轻的特点；

(3)本发明根据不同功能单元的特点和工艺可行性采用不同的集成方式，光源和探测器通过帖装工艺固定于芯片表面，而敏感线圈、光纤耦合器和集成光学调制器通过光波导加工工艺直接加工在芯片上，解决了调制和传输不能同时集成，或同时集成不能同时达到最佳状态的问题，在保证工作性能的同时提高了集成度；

(4)本发明考虑到目前波导加工工艺中存在的难以克服的保偏问题，在干涉式集成光学陀螺光路系统中引入了消偏器，采用的消偏器保证输入/输出敏感线圈的光为低偏光或无偏光，因此抑制了波导干涉线圈中的偏振噪声，提高了陀螺性能。

附图说明

图1为本发明干涉式集成光学陀螺光路系统结构；

图2为本发明反射谐振式集成光学陀螺光路系统结构；

图3为本发明透射谐振式集成光学陀螺光路系统结构；

图4为本发明反射循环干涉式集成光学陀螺光路系统结构；

图5为本发明双耦合器反射谐振式集成光学陀螺光路系统结构；

图6为本发明透射循环干涉式集成光学陀螺光路系统结构；

图7为本发明消偏干涉式集成光学陀螺光路系统的结构。

具体实施方式

本发明陀螺光路系统结构包括两个芯片，敏感芯片7和混合芯片8，还可能包括消偏器13，敏感芯片7和混合芯片8中的波导材料不同。敏感芯片7和混合芯片8之间通过光纤连接，或通过芯片端面对准粘接的方式连接，当系统中含有消偏器13时，通过消偏器13连接。敏感芯片7上至少集成了敏感线圈6，还可能集成了分束器3，或帖装了探测器2，或两者皆有。混合芯片8上至少集成了多功能相位调制器4并表面帖装了光源1，还可能集成了分束器3，或帖装了探测器2，或两者皆有。集成是指通过光波导加工技术在芯片上直接加工形成，帖装是指经过对准后把被帖装的器件焊接或粘接在芯片的表面。光源1一般为波长范围在800～1600nm的半导体激光器芯片。

为进一步说明本发明的技术方案，以下结合实施例详细说明。

实施例1

如图1所示，为一种采用本发明布置方式的干涉式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7及两者之间的连接光纤5组成。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为二氧化硅基材料。混合芯片8集成了分束器3和多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1和探测器芯片2。敏感芯片7集成了波导线圈6。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和光探测器芯片2分别位于分束器3同一端的两个端口，分束器3另一端的一个端口和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个输出端口分别通过光纤5和敏感芯片7中干涉线圈6的输入输出端口相连。

实施例2

如图2所示，为一种采用本发明布置方式的反射谐振式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7及两者之间的连接光纤5组成。混合芯片8的波导材料为绝缘体上的硅(SOI)材料，敏感芯片7的波导材料为二氧化硅基材料。混合芯片8集成了多功能相位调制器4和两个分束器3，还帖装了光源芯片1和两个光探测器芯片2，敏感芯片7集成了谐振腔9。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个端口分别和两个分束器3连接，并且两个分束器3和多功能相位调制器4连接端的另一端口分别和探测器芯片2连接，两个分束器3的另外一端的一个端口通过光纤5分别和敏感芯片7中谐振腔9的输入输出耦合器10的两个端口相连。

实施例3

如图3所示，为一种采用本发明布置方式的透射谐振式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7及两者之间的连接光纤5组成。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为掺饵二氧化硅材料。混合芯片8集成了多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1和两个光探测器芯片2，敏感芯片7集成了谐振腔9。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个端口通过光纤5分别和谐振腔9的输入耦合器11的两个端口相连。谐振腔9的输出耦合器12的两个端口通过光纤5和混合芯片8上的光探测器芯片2的输入波导端口相连。

实施例4

如图4所示，为一种采用本发明布置方式的反射循环干涉式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7组成，两者通过端面粘接的方式连接。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为砷化镓基材料。混合芯片8集成了分束器3和多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1和光探测器芯片2，敏感芯片7集成了谐振腔9。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和光探测器芯片2分别位于分束器3同一端的两个端口，分束器3另一端的一个端口和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个输出端口分别和敏感芯片7中的谐振腔9的输入输出耦合器10的两个端口对准。

实施例5

如图5所示，为一种采用本发明布置方式的双耦合器反射谐振式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7组成，两者通过光纤5连接。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为磷化铟基材料。混合芯片8集成了多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1，敏感芯片7集成了谐振腔9和两个光探测器芯片2。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个输出端口分别通过光纤5和敏感芯片7中谐振腔9的两个输入输出耦合器10的两个输入端口相连，两个输入输出耦合器10的输出端口分别和两个光探测器芯片2连接。

实施例6

如图6所示，为一种采用本发明布置方式的反射循环干涉式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7组成，两者通过端面直接对准粘接。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为砷化镓基材料。混合芯片8集成了多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1，敏感芯片7集成了谐振腔9、分束器3和光探测器芯片2。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个输出端口和敏感芯片7中谐振腔9的输入耦合器11的两个端口相连，谐振腔9的输出耦合器12和分束器3的两个端口连接，分束器3另一个端口和光探测器芯片2连接。

实施例7

如图7所示，为一种采用本发明布置方式的消偏干涉式集成光学陀螺光路系统的结构，其整体结构由混合芯片8、敏感芯片7及两者之间的消偏器13组成。混合芯片8的波导材料为铌酸锂基材料，敏感芯片7的波导材料为二氧化硅基材料。混合芯片8集成了分束器3和多功能相位调制器4，还帖装了光源芯片1和探测器芯片2。敏感芯片7集成了波导线圈6。各组成部分的连接方式为：光源芯片1和光探测器芯片2分别位于分束器3同一端的两个端口，分束器3另一端的一个端口和多功能相位调制器4的非调制端相连，多功能相位调制器4的调制端的两个输出端口分别通过消偏器13和敏感芯片7中干涉线圈6的输入输出端口相连。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种集成光学陀螺光路系统结构，包括光源(1)、探测器(2)、分束器(3)、多功能相调制器(4)和敏感线圈(6)，其特征在于：所述光路系统结构中各组成元件分别布置于敏感芯片(7)和混合芯片(8)上，敏感芯片(7)和混合芯片(8)中的波导材料不同，其中所述的光源(1)和多功能相位调制器(4)位于混合芯片(8)上，所述的敏感线圈(6)位于敏感芯片(7)上，所述的探测器(2)或分束器(3)可以布置于敏感芯片(7)上，也可以布置于混合芯片(8)上；所述的敏感芯片(7)和混合芯片(8)之间通过光纤(5)连接，或通过芯片端面对准粘接的方式连接；所述的集成光学陀螺光路系统结构中还包含有消偏器(13)，所述的消偏器(13)位于敏感芯片(7)和混合芯片(8)之间，并通过光纤(5)与敏感芯片(7)和混合芯片(8)连接；所述的光源(1)通过帖装工艺将其管芯固定于混合芯片(8)的表面；所述的多功能相位调制器(4)通过光波导加工工艺直接加工在混合芯片(8)上；所述的敏感线圈(6)通过光波导加工工艺直接加工在敏感芯片(7)上；所述的探测器(2)通过帖装工艺将其管芯固定于其所在芯片表面；所述的分束器(3)通过光波导加工工艺直接加工在其所在芯片上。

2.根据权利要求1所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的光源(1)为波长范围在800～1600nm的半导体激光器芯片。

3.根据权利要求1所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的敏感线圈(6)为干涉式陀螺的干涉线圈，或谐振式陀螺的谐振腔，或循环干涉式陀螺的谐振腔。

4.根据权利要求1所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的多功能相位调制器(4)至少具备分束功能和相位调制功能。

5.根据权利要求1所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的分束器(3)为在正向传输时可将一路光至少分为两路，并且对于分束器(3)上相同的端口，在逆向传输时可实现合束功能的波导器件、结构或功能单元。

6.根据权利要求3所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的谐振式陀螺的谐振腔，或循环干涉式陀螺的谐振腔包括一个闭合的波导线圈，所述的波导线圈上至少包含一个耦合器，波导线圈通过耦合器和外部进行光的输入和输出。

7.根据权利要求3所述的一种集成光学陀螺光路系统结构，其特征在于：所述的干涉式陀螺的干涉线圈为一根连续的波导。