CN109307506A - 一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺 - Google Patents

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卢孜筱
田亚会
柯亚兵
程利娜
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
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Abstract

本发明涉及一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，包括：基底材料(11)、设置于基底材料(11)上的叉指换能器(15)和声光波导区域(16)、多模式光纤(12)、起偏器(13)和检偏器(18)；所述叉指换能器(15)产生的声表面波覆盖声光波导区域(16)，所述的多模式光纤(12)用于向起偏器(13)输入多模式光信号，所述的多模式光信号依次经起偏器(13)、声光波导区域(16)和检偏器(18)处理后，生成经声表面波调制的不同模式偏振光信号。本发明的微光机电陀螺，在光信号输入时采用多模式光纤，结构相对比较简单，相对于现有技术中的微光机电陀螺，具有较高的灵敏度，测角速度的结果更加精确。

Description

一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺
技术领域
本发明涉及微光机电陀螺领域，特别涉及一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺。
背景技术
近年来，声表面波传感器不断发展。1980年，Lao提出声表面波陀螺效应，即利用在介质中传播的声表面波来感应运动物体的角速度。由于声表面波陀螺具有尺寸小、重量轻、成本低和功耗低等优点，其在微小型角速度传感器领域具有广阔的应用前景。虽然SAW陀螺发展迅速，但是其精度和灵敏度相比于光纤、激光陀螺还有待提高。由于SAW陀螺利用哥氏力的影响来改变声波波速，可通过计算找出压电基底的敏感切向，之后，或通过压焊金属点阵增大哥氏力，或改变探测方式，或改变SAW陀螺芯片结构来提高其精度和灵敏度。
目前已报道的改进SAW陀螺采用的方案有双通道差分SAW陀螺，质量块驻波SAW陀螺，光偏转型声光SAW陀螺等，双通道差分SAW陀螺采用差分设计有效降低温度扰动等影响，但是其频率随角速度变化十分微弱，灵敏度比较低。质量块驻波SAW陀螺通过增大质量来提高陀螺的灵敏度，但其结构复杂，加工困难。光偏转型声光SAW陀螺利用了光学探测精度高的特点改进SAW陀螺，但通过计算，其灵敏度不及质量块驻波SAW陀螺。因此，现有技术中所提供的上述各种SAW陀螺均有待于进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的微光机电陀螺存在灵敏度低或结构复杂的技术问题，提出一种高灵敏度多模式光纤结构的微光机电陀螺，利用该微光机电陀螺测量角速度，在光纤与声表面波结合进行声光调制的基础上，输入光纤采用多模式光纤，通过对光纤多模式输出信号做差分处理，以减小背景噪音，进而提高检测灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，包括：基底材料、设置于基底材料上的叉指换能器和声光波导区域，所述叉指换能器产生的声表面波覆盖声光波导区域，该微光机电陀螺还包括：多模式光纤、起偏器和检偏器；所述的多模式光纤用于向起偏器输入多模式光信号，所述的多模式光信号依次经起偏器、声光波导区域和检偏器处理后，生成经声表面波调制的不同模式偏振光信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的微光机电陀螺还包括声吸收带，所述叉指换能器的两端各设有一个声吸收带，用于吸收基底材料因声表面波作用产生的超声回波。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的微光机电陀螺还包括电光调制器，所述声光波导区域的两侧各设有一个电光调制器，用于对声光波导区域内传输的光信号进行幅度调制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的声光波导区域通过在基底材料上采用光刻、镀膜、扩散或刻蚀工艺制成；所述的基底材料采用声光波导介质，包括：LiNbO3、PbMoO4、GaAs、Si、TeO2晶体或合成有机材料。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的声光波导区域利用钛扩散技术在基底材料上制成嵌入式条状结构。
本发明的一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺优点在于：
本发明的高灵敏度多模式光纤结构的微光机电陀螺，在光信号输入时采用多模式光纤，结构相对比较简单，相对于现有技术中的微光机电陀螺，具有较高的灵敏度，测角速度的结果更加精确。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺结构示意图；
图2为本发明实施例中的叉指换能器结构示意图。
附图标记
11、基底材料 12、多模式光纤 13、起偏器
14、声吸收带 15、叉指换能器 16、声光波导区域
17、电光调制器 18、检偏器 21、汇流条焊盘
22、桥连电极 23、叉指电极
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
如图1所示，本发明提供的一种高灵敏度多模式光纤结构的微光机电陀螺，包括：输入光纤、起偏器13、叉指换能器15、声光波导区域16、检偏器18和基底材料11。所述的输入光纤改变原有单模式光纤，改用多模式光纤12，提高其灵敏度。在基底材料11上可采用光刻、镀膜、扩散或刻蚀工艺制成嵌入式条状声光波导区域。所述的叉指换能器15和声光波导区域16设置于基底材料11上，所述叉指换能器15跨越声光波导区域16，其产生的声表面波覆盖声光波导区域16。所述的多模式光纤12用于向起偏器13输入多模式光信号，所述的多模式光信号依次经起偏器13、声光波导区域16和检偏器18处理后，生成经声表面波调制的不同模式偏振光信号。
基于上述结构的微光机电陀螺，所述的多模式光纤容许不同模式的光于同一光纤上传输，这样通过对光纤输出信号做差分处理，减小背景噪音，进而提高检测灵敏度。其内芯直径相对于单模式光纤较宽，多模式光纤可采用多根单光纤组合而成。这样光纤内部有足够的光功率传输，输出信号的采集就更方便更灵敏。
所述起偏器和检偏器，起偏器是使光纤传输的光信号转换为偏振光，检偏器是只允许特定偏振态的光波通过，以得到所需波长的光信号，从而达到模式转换的目的。
在本实施例中，所述基底材料可采用声光波导介质，包括：LiNbO3、PbMoO4、GaAs、Si、TeO2晶体或合成有机材料。所述声光波导区域可利用钛扩散技术在基底材料上制成嵌入式条状结构。
另外，如图1所示，所述的微光机电陀螺还可包括声吸收带14和电光调制器17。所述叉指换能器15的两端各设有一个声吸收带14，所述的声吸收带，用于吸收基底材料11因声表面波作用产生的超声回波，其目的是为了防止声波在遇到基片边界后发生强反射而干扰有用信号。所述声光波导区域16的两侧各设有一个电光调制器17，所述的电光调制器，用于将声光波导区域16上传输过来的光信号进行幅度调制,方便后续对光信号的采集处理，其目的是为了方便解调并增加陀螺的灵敏度，设置电光调制器调整光波的相位。
所述的叉指换能器15包含：汇流条焊盘21、桥连电极22和叉指电极23。
声光波导区域16表面加一组叉指换能器15作为SAW发射器和接收器，叉指换能器15的电极结构分为两组，分别位于声光波导区域16的上下两侧，两组电极之间通过桥连电极22相连从而穿越声光波导区域16。汇流条焊盘21作为接入输入电压信号端，在接收到多模式光纤12的信号后，通过汇流条焊盘21上的电压加载在叉指电极23上，利用压电效应激发声波。
所述的桥连电极22起到连接上下通道叉指换能器15的作用。桥连电极提供了光波导在换能器区域存在的空间，在保持声光作用区声波场不变的前提下，采用桥连的形式减少光波导区域的金属电极面积，既可以保持声波导的性质，又可以有效降低金属电极对光波的吸收。
在本实施例中，基底材料11利用钛扩散或质子交换技术制作出嵌入式条状的声光波导区域16，其上制作叉指换能器15的发射极和反射极，经声波驱动电路驱动的叉指换能器15产生声表面波沿声光波导区域16方向传输，形成密度光栅，使在声波导下方光波导中传输的偏振光被调制，此时检偏器18只允许特定偏振态的光波通过，由于物体在旋转时会产生哥氏力，使得声波的传播特征参量发生变化，引起声光耦合的轻微适配，最终导致衍射偏振光光强改变，探测器接收到衍射光波后，从偏振光强的变化中解调出哥氏力敏感的角速度信息。
本发明提供的微光机电陀螺的具体工作原理为：
当叉指换能器受到电压激励后产生声表面波并传播，当物体旋转时产生哥氏力，声表面波受到哥氏力的作用，其传播速度发生变化，发生速度变化的声表面波会对声光波导区域传播的多模式光信号的光波能量产生不同的影响，受到作用后的光波继续沿声光波导区域传播，由电光调制器对光信号进行信号幅度的调制，使得信号能量得以加载，方便后续信号的解调读取。通过采用不同的检偏器，分别提取得到不同模式的光波信号，如E1、E2、E3等模式信号，将不同模式光波信号能量做差分处理，如E1-E2，E3-E1，这就去除了外界环境噪音带来的影响，再通过差分处理后的信号能量建立与哥氏力大小的对应线性关系，即可解调出哥氏力大小，进而标定出物体的旋转加速度。
以上说明可以看出，本发明通过对微光机电陀螺的输入光纤模式进行改进，由单模式光纤改为多模式光纤，由此增加输入信号的模式，从而提高了微光机电陀螺的灵敏度，扩大了其使用范围，同时其制作成本较低。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，包括：基底材料(11)、设置于基底材料(11)上的叉指换能器(15)和声光波导区域(16)，所述叉指换能器(15)产生的声表面波覆盖声光波导区域(16)，其特征在于，该微光机电陀螺还包括：多模式光纤(12)、起偏器(13)和检偏器(18)；所述的多模式光纤(12)用于向起偏器(13)输入多模式光信号，所述的多模式光信号依次经起偏器(13)、声光波导区域(16)和检偏器(18)处理后，生成经声表面波调制的不同模式偏振光信号。
2.根据权利要求1所述的基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，其特征在于，所述的微光机电陀螺还包括声吸收带(14)，所述叉指换能器(15)的两端各设有一个声吸收带(14)，用于吸收基底材料(11)因声表面波作用产生的超声回波。
3.根据权利要求1所述的基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，其特征在于，所述的微光机电陀螺还包括电光调制器(17)，所述声光波导区域(16)的两侧各设有一个电光调制器(17)，用于对声光波导区域(16)内传输的光信号进行幅度调制。
4.根据权利要求1所述的基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，其特征在于，所述的声光波导区域(16)通过在基底材料(11)上采用光刻、镀膜、扩散或刻蚀工艺制成；所述的基底材料(11)采用声光波导介质，包括：LiNbO3、PbMoO4、GaAs、Si、TeO2晶体或合成有机材料。
5.根据权利要求4所述的基于多模式光纤结构的微光机电陀螺，其特征在于，所述的声光波导区域(16)利用钛扩散技术在基底材料(11)上制成嵌入式条状结构。
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