CN108645405B - 一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，包括硅基底及位于其上的光源、第一信号探测器、第二信号探测器、功率探测器、以及混合波导芯片；光信号由光源发出，Y分支波导实现分光，一半的光进入马赫曾德干涉结构，另一半的光进入定向耦合结构，实现光源的复用。由光源、Y分支波导、第二信号探测器、马赫曾德干涉结构和微悬梁结构组成加速度测量光路。由光源、Y分支波导、第一信号探测器、定向耦合结构、Y波导调制器及连接的光纤环组成角速度测量光路。本发明的惯性传感单元集成度高、体积小，实现光学陀螺仪和加速度计的高度融合。
Description
技术领域
本发明属于集成光学和传感技术领域，具体是一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元。
背景技术
惯性导航（Inertial Navigation）是 20 世纪中期发展起来的完全自主式的导航技术。通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角等），故广泛应用于航天、航空、航海等领域。惯性导航系统由光学陀螺仪和加速度计组成，光学陀螺仪测量载体相对惯性空间的角速率，加速度计测量载体相对惯性空间的加速度。IMU的小型化和轻质化是技术发展的大趋势。
但是现有技术中，光学陀螺仪和加速度计产品均为独立封装，二者各自具有较大的体积和重量。加速度计采用MEMS工艺制备，传感原理为加速度变化引起振梁电容变化或者谐振频率变化，传感信号不是光信号，将光学陀螺和加速度计进行一体化芯片集成在工艺上不可行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元。
一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，加速度计光路系统与光学陀螺光路系统实现融合，复用光源且集成在同一衬底上；加速度计光路系统包括所述的光源、Y分支波导、第二信号探测器、马赫曾德干涉结构和微悬梁结构；光学陀螺光路系统包括所述的光源、所述的Y分支波导、第一信号探测器、定向耦合结构、Y波导调制器及连接的光纤环。
所述的惯性传感单元，具体包括：硅基底及位于其上的光源、第一信号探测器、第二信号探测器、功率探测器、以及混合波导芯片；硅基底上刻蚀形成光源探测器台阶，光源、第一信号探测器、第二信号探测器、功率探测器均位于光源探测器台阶上；混合波导芯片位于硅基底上的铌酸锂层，在铌酸锂层设有Y分支波导、Y波导调制器、定向耦合结构、马赫曾德干涉结构和微悬梁结构；Y分支波导的基波导端口作为光输入端口，光源正对光输入端口，Y分支波导的两个分支端分别连接定向耦合结构和马赫曾德干涉结构；定向耦合结构由耦合区波导Ⅰ和耦合区波导Ⅱ耦合而成，耦合区波导Ⅰ的一个端口a作为第一信号探测端口，第一信号探测器的光敏面正对第一信号探测端口，耦合区波导Ⅰ的另一个端口c作为功率探测端口，功率探测器的光敏面正对功率探测端口，耦合区波导Ⅱ的一个端口b连接 Y分支波导的一个分支，耦合区波导Ⅱ的另一个端口d连接Y波导调制器的基波导；Y波导调制器的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，每个分支的两侧均设有金属调制电极；马赫曾德干涉结构包括输入端Y分支波导、输出端Y分支波导、参考臂波导、信号臂波导，和金属调制电极，输入端Y分支波导的基波导连接Y分支波导的另一个分支，输入端Y分支波导的两分支端分别连接参考臂波导和信号臂波导，参考臂波导和信号臂波导连接输出端Y分支波导的两分支端，输出端Y分支波导的基波导端口作为第二信号探测端口，第二信号探测器的光敏面正对第二信号探测端口；输入端Y分支波导的参考臂与信号臂等长，输出端Y分支波导的参考臂与信号臂等长，所述的参考臂波导和信号臂波导等长；参考臂波导和信号臂波导相互平行，波导两端的两侧均设置有金属调制电极；信号臂波导中部的两侧刻蚀有凹形通孔，形成微悬梁结构。
所述的微悬梁结构包括微悬梁和质量块，由信号臂波导中部的两侧刻蚀凹形通孔形成，微悬梁和信号臂波导平行，质量块位于微悬梁的正中部，并凸出垂直于信号臂波导。
所述的光源为宽谱光源。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，提出了融合方案及其制备工艺，实现将光学陀螺和加速度计进行高度融合，加速度计与光学陀螺光路系统复用光源且采用相同的制作工艺集成在同一衬底上，二者可以复用信号处理电路，制备方法简单，可封装在一个壳体内，有利于惯性测量组件系统的小型化、轻质化与集成化。
附图说明
图1是光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元的整体结构示意图；
图2是光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元的一种具体实施结构示意图；
图中：硅基底—1、光源探测器台阶—2、铌酸锂层—3、混合波导芯片—4、光源—5、输入端Y分支波导—6、输出端Y分支波导—7、参考臂波导—8、信号臂波导—9、金属调制电极—10、微悬梁—11、质量块—12、凹形通孔—13、Y分支波导—14、Y波导调制器—15、第一信号探测器—16、第二信号探测器—17、功率探测器—18、光输入端口—19、第一信号探测端口—20、功率探测端口—21、第二信号探测端口—22、耦合区波导Ⅰ—23、耦合区波导Ⅱ—24、第一尾纤耦合端口—25、第二尾纤耦合端口—26、带尾纤支座—27、马赫曾德干涉结构—28、微悬梁结构—29、定向耦合结构—30。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明所提出的一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元的结构，加速度计光路系统与光学陀螺光路系统实现融合，复用光源且集成在同一衬底上。加速度计光路系统包括所述的光源5、Y分支波导14、第二信号探测器17、马赫曾德干涉结构28和微悬梁结构29；光学陀螺光路系统包括所述的光源5、所述的Y分支波导14、第一信号探测器16、定向耦合结构30、Y波导调制器15及连接的光纤环。
如图1-2所示，一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元的一种具体实施方式，具体包括：硅基底1及位于其上的光源5、第一信号探测器16、第二信号探测器17、功率探测器18、以及混合波导芯片4。
硅基底1上刻蚀形成光源探测器台阶2，光源5、第一信号探测器16、第二信号探测器17、功率探测器18均位于光源探测器台阶2上；混合波导芯片4位于硅基底上的铌酸锂层3，在铌酸锂层3设有Y分支波导14、Y波导调制器15、定向耦合结构30、马赫曾德干涉结构28和微悬梁结构29；Y分支波导14的基波导端口作为光输入端口19，光源5正对光输入端口19，两个分支端分别连接定向耦合结构30和马赫曾德干涉结构28。
定向耦合结构 30由耦合区波导Ⅰ 23和耦合区波导Ⅱ 24耦合而成，耦合区波导Ⅰ23的一个端口a作为第一信号探测端口20，第一信号探测器16的光敏面正对第一信号探测端口20，耦合区波导Ⅰ23的另一个端口c作为功率探测端口21，功率探测器18的光敏面正对功率探测端口21，耦合区波导Ⅱ 24的一个端口b连接 Y分支波导14的一个分支，耦合区波导Ⅱ 24的另一个端口d连接Y波导调制器15的基波导。
Y波导调制器15的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口25和第二尾纤耦合端口26，每个分支的两侧均设有金属调制电极10。
马赫曾德干涉结构28包括输入端Y分支波导6、输出端Y分支波导7、参考臂波导8、信号臂波导9，和金属调制电极10，输入端Y分支波导6的基波导连接Y分支波导14的另一个分支，输入端Y分支波导6的两分支端分别连接参考臂波导8和信号臂波导9，参考臂波导8和信号臂波导9连接输出端Y分支波导7的两分支端，输出端Y分支波导7的基波导端口作为第二信号探测端口22，第二信号探测器17的光敏面正对第二信号探测端口22。
输入端Y分支波导6的参考臂与信号臂等长，输出端Y分支波导7的参考臂与信号臂等长，所述的参考臂波导8和信号臂波导9等长。
参考臂波导8和信号臂波导9相互平行，波导两端的两侧均设置有金属调制电极10。
信号臂波导9中部的两侧刻蚀有凹形通孔13，形成微悬梁结构29。
所述的微悬梁结构29包括微悬梁11和质量块12，由信号臂波导9中部的两侧刻蚀凹形通孔13形成，微悬梁11和信号臂波导9平行，质量块12位于微悬梁11的正中部，并凸出垂直于信号臂波导9。
所述的光源5为宽谱光源，可以是1310nm波段SLD光源，也可以是1550nm波段ASE光源。
所述的铌酸锂层3中的波导可以是掩埋式条形光波导，也可以是脊型光波导。
所述的Y分支波导14的分束比可以是任意分光比。
所述的微悬梁11可以是直臂梁，也可以是蛇形梁等结构，可以有两个支撑臂，也可以有多个支撑臂。
所述的质量块12可以是矩形，也可以是其他形状，可以通过镀膜或者其它工艺调节质量块的质量。
实施例
本发明在使用时，将带尾纤支座27粘结在Y波导调制器15的尾纤耦合边缘，分别与第一尾纤耦合端口25和第二尾纤耦合端口26相连，第一尾纤耦合端口25和第二尾纤耦合端口26连接光纤环。
光信号由光源5发出，由光输入端口19进入Y分支波导14，Y分支波导14实现分光，一半的光进入马赫曾德干涉结构28，另一半的光进入定向耦合结构30，实现光源的复用。
光信号从马赫曾德干涉结构28输入端Y分支波导6的基波导进入，传输到输入端Y分支波导6处被分为两束光，分别在参考臂和信号臂中传输，信号臂通过微悬梁结构29感受外界加速度变化，使得信号臂中的光传输相位发生变化，在输出端Y分支波导7处双光束相互叠加产生干涉效果，通过第二信号探测端口22被第二信号探测器17接收。
光信号从定向耦合结构30耦合区波导Ⅱ 24的端口b进入，由定向耦合结构30实现3dB分光，一半的光通过耦合进入耦合区波导Ⅰ23的端口c，通过功率探测端口21被功率探测器18接收，另一半的光直接通过耦合区波导Ⅱ 24的端口d进入Y波导调制器15的基波导，在Y波导调制器15处被分为两束光，两束光分别通过第一尾纤耦合端口25和第二尾纤耦合端口26进入光纤环并且以相反的方向传播，光纤环敏感外界角速度变化，使得反向传输的两束光传输相位发生变化，返回的光信号则通过耦合区波导Ⅱ 24的端口d，耦合进入耦合区波导Ⅰ 23的端口a，通过第一信号探测端口20被第一信号探测器16接收。
上述光源为1310nm波段SLD光源或者1550nm波段ASE光源，硅基底的厚度0.3mm，铌酸锂薄膜的厚度10μm，铌酸锂薄膜的切向为X切，质量块尺寸0.5*0.5*0.3mm，悬臂梁横截面20*20μm，悬臂梁长度5mm；
上述传感单元的制备工艺如下：
（1）清洗：分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗基片表面2分钟，氮气吹干；
（2）光刻镀膜：一次光刻形成Y分支波导14、Y波导调制器15、定向耦合结构30、马赫曾德干涉结构图案；在图案上表面磁控溅射100nm二氧化硅薄膜，在丙酮溶液中浸泡4分钟，超声2分钟，形成掩模图案；
（3）质子交换退火：苯甲酸锂和苯甲酸按质量比1:97配置形成混合酸液，230℃交换2小时，350℃有氧退火4小时，形成光波导；
（4）套刻、镀膜：一次光刻形成金属电极10；
（5）刻蚀：飞秒激光刻蚀形成悬臂梁结构和光源探测器台阶2。飞秒激光器刻蚀，波长796nm，脉冲时间120fs，重复频率1KHz，脉冲能量0.32μJ，聚焦物镜NA=0.65，样品移动速度500μm/s。
Claims (3)
1.一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，其特征在于，
加速度计光路系统与光学陀螺光路系统实现融合，复用光源且集成在同一衬底上；
加速度计光路系统包括所述的光源（5）、Y分支波导（14）、第二信号探测器（17）、马赫曾德干涉结构（28）和微悬梁结构（29）；
光学陀螺光路系统包括所述的光源（5）、所述的Y分支波导（14）、第一信号探测器（16）、定向耦合结构（30）、Y波导调制器（15）及连接的光纤环；
具体包括：硅基底（1）及位于其上的光源（5）、第一信号探测器（16）、第二信号探测器（17）、功率探测器（18）、以及混合波导芯片（4）；
硅基底（1）上刻蚀形成光源探测器台阶（2），光源（5）、第一信号探测器（16）、第二信号探测器（17）、功率探测器（18）均位于光源探测器台阶（2）上；
混合波导芯片（4）位于硅基底上的铌酸锂层（3），在铌酸锂层（3）设有Y分支波导（14）、Y波导调制器（15）、定向耦合结构（30）、马赫曾德干涉结构（28）和微悬梁结构（29）；
Y分支波导（14）的基波导端口作为光输入端口（19），光源（5）正对光输入端口（19），Y分支波导（14）的两个分支端分别连接定向耦合结构（30）和马赫曾德干涉结构（28）；
定向耦合结构（30）由耦合区波导Ⅰ（23）和耦合区波导Ⅱ（24）耦合而成，耦合区波导Ⅰ（23）的一个端口a作为第一信号探测端口（20），第一信号探测器（16）的光敏面正对第一信号探测端口（20），耦合区波导Ⅰ（23）的另一个端口c作为功率探测端口（21），功率探测器（18）的光敏面正对功率探测端口（21），耦合区波导Ⅱ（24）的一个端口b连接Y分支波导（14）的一个分支，耦合区波导Ⅱ（24）的另一个端口d连接Y波导调制器（15）的基波导；
Y波导调制器（15）的两个分支端分别为第一尾纤耦合端口（25）和第二尾纤耦合端口（26），每个分支的两侧均设有金属调制电极（10）；
马赫曾德干涉结构（28）包括输入端Y分支波导（6）、输出端Y分支波导（7）、参考臂波导（8）、信号臂波导（9），和金属调制电极（10），输入端Y分支波导（6）的基波导连接Y分支波导（14）的另一个分支，输入端Y分支波导（6）的两分支端分别连接参考臂波导（8）和信号臂波导（9），参考臂波导（8）和信号臂波导（9）连接输出端Y分支波导（7）的两分支端，输出端Y分支波导（7）的基波导端口作为第二信号探测端口（22），第二信号探测器（17）的光敏面正对第二信号探测端口（22）；
输入端Y分支波导（6）的参考臂与信号臂等长，输出端Y分支波导（7）的参考臂与信号臂等长，所述的参考臂波导（8）和信号臂波导（9）等长；
参考臂波导（8）和信号臂波导（9）相互平行，波导两端的两侧均设置有金属调制电极（10）；
信号臂波导（9）中部的两侧刻蚀有凹形通孔（13），形成微悬梁结构（29）。
2.根据权利要求1所述的一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，其特征在于，所述的微悬梁结构（29）包括微悬梁（11）和质量块（12），由信号臂波导（9）中部的两侧刻蚀凹形通孔（13）形成，微悬梁（11）和信号臂波导（9）平行，质量块（12）位于微悬梁（11）的正中部，并凸出垂直于信号臂波导（9）。
3.根据权利要求1所述的一种光学陀螺与加速度计高度融合的惯性传感单元，其特征在于，所述的光源（5）为宽谱光源。
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