CN110736455A - 包括环形光学谐振器的装置 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括具有四个端口的光学谐振器，四个端口包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。第一电子电路被配置为计算表示由四个端口中的两个端口提供的光学信号之间的功率差的第一信息。还公开了一种操作装置的方法。

Description

包括环形光学谐振器的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月19日提交的法国专利申请No.1856692的优先权，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体涉及包括环形光学谐振器的装置，例如，包括这样的环形光学谐振器的陀螺仪。

背景技术

包括环形光学谐振器的陀螺仪是已知的。在这样的陀螺仪中，当环形光学谐振器未围绕其轴旋转并且光学信号传播通过谐振器时，谐振器呈现谐振波长，两个相继的谐振波长之间的间隔是恒定的并且通常称为自由光谱范围(FSR)。考虑固定阶谐振(具有静止时的谐振波长λR)，当环形光学谐振器围绕其轴旋转时，在谐振器中以与旋转相同的方向传播的光学信号相对于静止时的波长λR经历谐振波长的增加，并且在谐振器中以与旋转相反的方向传播的光学信号相对于静止时的波长λR经历谐振波长的减小。静止时的谐振波长λR与旋转时的谐振波长之间的差异取决于谐振器的旋转速度，从而能够确定陀螺仪的旋转速度。

发明内容

实施例克服了包括光学谐振器的已知装置的全部或部分缺点，并且特别是包括使用例如谐振环形波导的环形光学谐振器的已知装置。

实施例提供了包括谐振环形波导的陀螺仪，其中以比包括谐振环形波导的已知陀螺仪更高的精度确定旋转速度。

实施例提供了包括谐振环形波导的陀螺仪，其中诸如温度变化的某些变化不影响旋转速度的计算。

实施例提供了包括谐振环形波导的陀螺仪，其中测量噪声相对于包括谐振环形波导的已知陀螺仪的测量噪声减小。

实施例提供了一种装置，包括：光学谐振器，具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；以及第一电子电路，用于计算第一信息，第一信息表示由四个端口中的两个端口提供的光学信号之间的功率差。

根据一个实施例，光学谐振器包括第一环形波导。

根据一个实施例，谐振器进一步包括：第二波导，被耦合到第一波导并且将第一端口链接到第二端口；以及第三波导，被耦合到第一波导并且将第三端口链接到第四端口。

根据一个实施例，当第一光学信号被提供给第一端口时，第一信号被传送到第二端口和第三端口。

根据一个实施例，第二端口和第三端口形成四个端口中的所述两个端口。

根据一个实施例，装置进一步包括第二电子电路，用于计算第二信息，第二信息表示由四个端口中的另外两个端口提供的光学信号之间的功率差。

根据一个实施例，装置进一步包括链接到第一端口和第二端口的激光源。

根据一个实施例，激光源具有根据控制信号可调节的波长。

根据一个实施例，谐振器的谐振波长是根据控制信号可调节的。

根据一个实施例，第二电路基于第二信息确定控制信号。

根据一个实施例，第二电路确定控制信号，使得第二信息表示零差异。

根据一个实施例，装置进一步包括至少一个光学调制器。

根据一个实施例，光学调制器被配置为使得被提供给第一端口和第二端口的光学信号以不同的频率被调制。

根据一个实施例，第一电路被配置为基于第一信息确定角速度。

实施例提供了一种陀螺仪，包括如上定义的装置。

实施例提供了一种集成电路，包括如上定义的装置或如上定义的陀螺仪。

实施例提供了一种用于确定如上定义的装置或如上定义的陀螺仪的旋转速度的方法，其中基于第一信息确定旋转速度。

附图说明

在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其它特征和优点，其中：

图1示意性地呈现包括环形光学谐振器的装置的实施例；

图2示出了图1的装置的端口之间的光学信号的功率传输系数根据波长的变化；并且

图3示意性地呈现包括环形光学谐振器的装置的另一实施例。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。特别地，不同实施例共用的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。

为清楚起见，仅示出了并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，未描述诸如调制器、开关、耦合器、分路器、循环器等的当前光学和电光部件的操作。

除非另有说明，否则当提及(电气地或光学地)彼此连接的两个元件时，这意味着直接地连接而没有除了导体或波导之外的中间元件，并且当涉及(电气地或光学地)彼此链接的两个元件时，这意味着这两个元件可以通过一个或多个其它元件连接或者(电气地或光学地)链接。另外，当在没有进一步细节的情况下提及链接或连接在一起的两个元件时，这意味着这两个元件是光学地链接或连接的。

除非另有说明，否则当提及耦合在一起的两个波导时，这意味着波导包括彼此足够接近的部分，以使信号通过倏逝耦合从一个波导传递到另一个波导。

除非另有说明，否则术语“大约”、“大致”和“在……的量级”在本文中用于表示所讨论的值的正负10％(优选正负5％)的公差。

图1示意性地呈现装置1的实施例，这里是包括环形光学谐振器的陀螺仪。

装置1包括具有四个端口103、105、107和109的光学谐振器101。更具体地，谐振器101包括环形波导111、波导113和波导115。波导113耦合到波导111并且链接谐振器101的输入/输出端口103和105。波导115耦合到波导111并且链接谐振器101的输出端口107和109。

端口103和105链接到装置1的输入端口117，端口117被链接(优选地被连接)到形成装置1的一部分或未形成装置1的一部分的激光源119。作为示例，激光源119提供具有红外波长(例如，在大约750nm至大约3000nm的范围内)的信号，应当理解，所描述的装置可以适于以其它波长操作。

在这个实施例中，端口103和105进一步连接到相应的光电探测器121(PD1)和123(PD2)，例如，光电二极管。连接网络125使得能够将端口103和105链接到端口117并且链接到相应的光电探测器121和123。

在图1的示例中，连接网络125包括光学分路器127和两个光学耦合器129和131(这里是X耦合器)。光学分路器127的输入被链接(优选地连接)到端口117。分路器127的输出通过耦合器129链接到端口103，耦合器129还将端口103链接到光电探测器121。分路器127的另一输出通过耦合器131链接到端口105，耦合器131还将端口105链接到光电探测器123。

端口107和109被链接(优选地被连接)到相应的光电探测器133(PD3)和135(PD4)(例如，光电二极管)。

装置1包括电子电路137(CIRC1)。电路137被配置为计算表示由端口105和107提供的谐振器101的两个输出信号之间的功率差的信息。更具体地，电路137计算光电探测器123和133的输出信号(例如，分别表示由这些光电探测器接收的光学功率的电流I2和I3)之间的差异。因此，电路137被电气地链接(优选地被电气地连接)到光电探测器123和133，以接收输出信号I2、I3。

装置1进一步包括电子电路139(CIRC2)。电路139计算表示由端口103和109提供的谐振器101的两个输出信号之间的功率差的信息。更具体地，电路139被配置为计算光电探测器121和135的输出信号(例如，分别表示由这些光电探测器接收的光学功率的电流I1和I4)之间的差异。因此，电路139被电气地链接(优选地被电气地连接)到光电探测器121和135，以接收输出信号I1、I4。作为示例，电路139实现接收I1和I4作为输入信号并且输出控制信号cmd的反馈回路，信号I1和I4之间的差异的计算在反馈回路中实现。

在这个实施例中，考虑固定阶谐振，谐振器101具有可调节的谐振波长。谐振器101的谐振波长的值(换句话说，波导111的谐振波长的值)通过由电路139提供的控制信号cmd确定。作为示例，波导111包括接收信号cmd的至少一个相位调制器141，例如，至少一个累积、注入或损耗相位调制器，或优选地，至少一个热相位调制器。

在未示出的替代实施例中，激光源119具有可调节的操作波长。在这个变型中，源119的操作波长的值通过由电路139提供的控制信号确定。鉴于针对固定阶谐振，谐振器101的谐振波长是可调节的这一事实，这个替代实施例可以组合或独立地实现。

在装置1中，当源119将光学信号L提供给端口117时，连接网络125在这个示例中经由相应的耦合器129和131将对应的信号L1和L2提供给相应的端口103和105。然后，信号L1的功率的一部分在这个示例中从端口103传送到端口105，然后经由耦合器131传送到光电探测器123。信号L1的功率的另一部分经由波导113、111和115之间的耦合从端口103传送到链接到光电探测器133的端口107。对称地，信号L2的功率的一部分在这个示例中从端口105传送到端口103，然后经由耦合器129传送到光电探测器121，信号L2的功率的另一部分从端口105传送到端口109。然后，在波导111中，信号L1和L2相对于彼此以相反的方向传播。

图2示出了在装置1的不同端口之间的信号L1和L2的功率的传输系数T(纵坐标)根据波长λ(横坐标)在三个操作步骤A、B和C处的变化。更具体地，曲线201和203分别示出了端口103与105之间和端口103与107之间的信号L1的系数T的变化，曲线205和207分别示出了端口105与103之间和端口105与109之间的信号L2的系数T的变化。

在步骤A处，装置1处于未围绕环形波导111的轴旋转的状态，并且针对固定阶谐振，环形波导111的谐振波长λR还不受电路139的控制。激光源119向装置1提供波长为λL的信号L，并且环形波导111在波长λR处谐振。对于信号L1和L2，当改变它们的波长时，可以观察到在波长λR处，从端口103传送到端口105的信号L1的功率(曲线201)和从端口105传送到端口103的信号L2的功率(曲线205)将是最小的，而从端口103传送到端口107的信号L1的功率(曲线203)和从端口105传送到端口109的信号L2的功率(曲线207)将是最大的。进一步，波长与波长λR相距越远，这样的现象就越可逆转。由于装置1未在旋转的事实，曲线201和203(信号L1)与相应的曲线205和207(信号L2)混淆。

在步骤B处，电路139将控制信号cmd提供给波导111，以修改波导111的谐振波长λR。更具体地，电路139计算光电探测器121和135的输出信号I1与I4之间的差异。这样的差异或信息表示由端口103提供的信号L2的功率与由端口109提供的信号L2的功率之间的差异，因此表示曲线205与207之间的差异。电路139被配置为基于这个信息确定信号cmd，使得在信号L1和L2的波长λL处，传送到端口103的信号L2的功率(曲线205)大致等于(优选地等于)传送到端口109的信号L2的功率(曲线207)。这相当于在曲线205和207的交叉点处，如图2步骤B所示。由于装置未在旋转，曲线201和203(信号L1)仍然与相应的曲线205和207(信号L2)混淆。

在步骤C处，装置1相对于波导111的中心轴以角速度Ω(图1)旋转。由此旋转产生的萨格纳克(Sagnac)效应导致，对于沿波导111的旋转方向行进通过波导111的信号L1，波导111在大于步骤B的波长λR的波长λR1处谐振，并且相反地，对于沿波导111的旋转方向相反的方向行进通过波导的信号L2，波导111在小于步骤B的波长λR的波长λR2处谐振。

因此，曲线201和203相对于曲线205和207偏移。同时，波导111的谐振波长λR2由电路139控制，使得在激光源119的波长λL处，曲线205和207相互交叉。然后，曲线201和203的交叉发生在波长λL附近，并且在波长λL处，曲线201和203表现出斜率。

电路137计算光电探测器123和133的输出信号I2和I3之间的差异。这样的差异或信息表示传送到端口105的信号L1的功率(系数T2，曲线201)与传送到端口107的信号L1的功率(系数T3，曲线203)之间的差异，或者换句话说，系数T2与T3之间的差异。由于萨格纳克效应，系数T2和T3之间的差异与曲线201、203和曲线205、207之间的偏移大致成比例或成比例。因此，系数T2和T3之间的差异与波导111的旋转速度Ω大致成比例或成比例，因此与装置1的旋转速度大致成比例或成比例。

电路137被配置为从信号I2与I3之间的差异推导出速度Ω的值SΩ(图1)，例如借助于具有旋转速度值的查找表，其中这样的表格可以在先前校准步骤期间确定并且例如存储在电路137的静态存储器(图1中未示出)中。

基于电流I2与I4之间的差异(特别是在曲线201和203的交叉点附近)计算速度Ω的优点在于，速度Ω的变化的检测的增益大于直接从波长λR1与λR2之间的差异计算速度Ω的情况。由于谐振器101的品质因数高，曲线201和203的斜率随着品质因数而增加，这变得更加真实。

在将要检测电流I1和I2的最小值以测量波长λR1与λR2之间的差异的装置中，对于在其最小值的水平处测量的每个电流I1和I2，与光生电流部分相比，暗电流部分将是显著的。在装置1中，在曲线201和203的交叉点附近，电流I2和I3中的每个电流中的暗电流部分与光生电流部分相比较小，例如至少小两倍。用于确定速度Ω的测量的电流中暗电流部分的减小导致确定速度的精度的增加。

基于光电探测器121和135的输出信号之间的差异来控制波长λR2的优点在于：光电探测器123和133的输出信号之间的差异(以及因此根据这个差异计算的速度Ω)对于相对于允许这样的控制的信号cmd的更新时间的缓慢变化不敏感，即，频率的变化小于电路139的反馈回路的带宽。装置1的温度的变化，特别是波导111的温度的变化是相对于装置1的响应时间的缓慢变化的示例。

上述操作可以适用于电路139控制波长λL而不是波导111的谐振波长λR2的情况。这个操作也可以适用于电路139控制波导111的谐振波长λR2和激光源119的波长λL的情况。

在未示出的变型中，提供给相应端口103和105的信号L1和L2以不同的频率进行功率调制，例如，在一个或多个数百千赫兹的量级的频率。然后，相对于信号L1的调制频率同步地执行对由每个光电探测器123和133接收的信号L1的功率的检测，相对于信号L2的调制频率同步地执行对由每个光电探测器121和135接收的信号L2的功率的检测。这使得能够减小甚至抑制测量噪声。特别地，这使得能够减小甚至抑制，在信号L1的功率的测量中由于信号L2一直到光电探测器123和/或133的寄生反射而产生的噪声，以及在信号L2的功率的测量中由于信号L1一直到光电探测器121和/或135的寄生反射而产生的噪声。结果，速度Ω的值SΩ以更高的精度被计算。

作为示例，在装置1中，通过在分路器127与耦合器129之间添加调制器，并且在分路器127与耦合器131之间添加调制器来实现这个变化，例如，调制器是马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)或电吸收型。

在结合图1描述的装置1的其它备选的实施例中，可以修改连接网络125。特别地，耦合器129、131可以用光学循环器而不是X耦合器来实现。光学循环器优于X耦合器的优点是功耗和寄生反射减少。

图3示意性地呈现装置3的另一实施例，这里是包括谐振环形波导的陀螺仪。

与装置1一样，装置3包括谐振器101；光电探测器133和135，被链接、(优选地被连接)到相应的端口107和109；电路137，被电气地链接(优选地被电气地连接)到光电探测器133；电路139，被电气地链接(优选地被电气地连接)到光电探测器135；以及端口117，被链接(优选地被连接)到激光源119。

然而，与装置1不同，在装置3中，谐振器的端口103和105通过光学开关303(例如，马赫-曾德尔型调制器)交替地链接到同一光电探测器301(PD)(例如，光电二极管)。端口117也通过开关303交替地链接到端口103和105。因此，开关303起到连接网络的作用。两个电路137和139被电气地链接(优选地被电气地连接)到光电探测器301的输出，以接收光电探测器的输出信号，在这个示例中，电流I表示由光电探测器接收的光学信号的功率。

装置3通过交替第一和第二操作阶段操作。

在对应于开关303的第一状态的第一操作阶段中，基于信号L，开关将信号L2提供给端口105，并且将端口103链接到光电探测器301，使得由端口103提供的信号L2一直传送到光电探测器301。然后，光电探测器301的输出信号I表示从端口105向端口103传送的信号L2的功率。类似于结合图2所描述的，然后电路139基于信号I和I4之间的差异确定信号cmd。

在对应于开关303的第二状态的第二操作阶段中，开关从信号L向端口103提供信号L1，并且将端口105链接到光电探测器301，使得由端口105提供的信号L1被传送到光电探测器301。然后，光电探测器301的输出信号I表示从端口103传送到端口105的信号L1的功率。类似于关于图2已经描述的内容，电路137然后基于信号I和I3之间的差异确定速度Ω的值SΩ。在这个第二操作阶段中，电路139优选地被配置为将信号cmd维持在先前的第一阶段期间确定的值。

第一阶段和第二阶段的频率优选地比装置3服从的变化的频率(例如，温度的变化、速度Ω的变化等)更大，例如，至少大十倍。例如，每个第一阶段和每个第二阶段的持续时间在大约1μs至大约1ms的范围内。作为示例，第一和第二阶段之间的交替可以由信号(例如，周期性)控制，然后这个信号被提供给开关303并且被提供给电路137和139。

由于在第一和第二阶段中的每个阶段期间，单个信号L1或L2流过装置3的事实，这使得能够抑制信号L2对从信号L1执行的测量的可能的影响，反之亦然。

进一步，在装置1和3中以相同的方式计算速度Ω，装置3受益于与装置1相同的关于速度Ω的计算的优点。

进一步，如在装置1中，在装置3的实施例的变型(未示出)中，信号L1和L2以不同的频率被调制。在这种情况下，第一阶段期间的电流I和I4的测量以与信号L2的调制频率同步的方式执行，第二阶段期间的电流I和I3的测量以与信号L1的调制频率同步的方式执行。

作为示例，通过在开关303与端口103之间提供第一调制器以调制信号L1的功率，以及在开关303与端口105之间提供第二调制器以调制信号L2的功率来实现这个替代的实施例。除了降低或甚至抑制测量噪声之外，这样的配置能够避免信号L的功率的一部分返回到激光器119。优选地，第一调制器仅在第二操作阶段期间有效，第二调制器仅在第一操作阶段期间有效。

在以上描述中，环形波导表示自身闭合的波导，例如，圆形或矩形波导或螺旋形波导。应当注意，对于相同的占据的表面区域，使用螺旋形波导111使得能够形成比其已经是圆形的波导111更长的波导。

在优选的实施例中，上述装置1或3在同一芯片中或在同一集成电路中实现。例如，相同的硅层包括装置的波导、光电子部件和电子部件(电路CIRC1和CIRC2)。

已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员应该理解，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员将想到其它变型。特别地，尽管电路137和139已经被示出并描述为两个分离的电子电路，但是电路137和139可以对应于单个电子电路。

此外，虽然没有描述，但是角速度的值也可以从第一信号与第二信号之间的差异推导出，第一信号表示由端口103提供的信号L2的功率与由端口109提供的信号L2的功率之间的差异，第二信号表示由端口105提供的信号L1的功率与由端口107提供的信号L1的功率之间的差异，例如，第一和第二信号由相应的电路CIRC2和CIRC1提供。

最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际的实现在本领域技术人员的能力范围内。特别地，在所描述的实施例和变型中，谐振器101、光学和光电子部件以及电路137和139可以形成在同一芯片上，或者谐振器的至少一部分可以形成在与形成电路137和139的芯片不同的芯片上，以受益于不同的制造技术。

Claims (23)

1.一种装置，包括：

光学谐振器，具有包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的四个端口；以及

第一电子电路，被配置为计算第一信息，所述第一信息表示由所述四个端口中的两个端口提供的光学信号之间的功率差。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学谐振器包括第一环形波导。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述光学谐振器进一步包括：第二波导，被耦合到所述第一波导并且将所述第一端口链接到所述第二端口；以及第三波导，被耦合到所述第一波导并且将所述第三端口链接到所述第四端口。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为使得当第一光学信号被提供给所述第一端口时，第一信号被传送到所述第二端口和所述第三端口。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第二端口和所述第三端口形成所述四个端口中的所述两个端口。

6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：第二电子电路，被配置为计算第二信息，所述第二信息表示由所述四个端口中的另外两个端口提供的光学信号之间的功率差。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学谐振器的谐振波长是根据控制信号可调节的。

8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括链接到所述第一端口和所述第二端口的激光源。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述激光源具有根据控制信号可调节的波长。

10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：第二电子电路，被配置为计算第二信息，所述第二信息表示由所述四个端口中的另外两个端口提供的光学信号之间的功率差，其中所述第二电子电路基于所述第二信息确定所述控制信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二电子电路被配置为确定所述控制信号，使得所述第二信息表示零差异。

12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括光学调制器。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述光学调制器被配置为使得被提供给所述第一端口和所述第二端口的光学信号以不同频率被调制。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电子电路被配置为基于所述第一信息确定角速度。

15.一种装置，包括：

光学谐振器，具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；

第一电子电路，被配置为计算第一信息，所述第一信息表示由所述第二端口和所述第三端口提供的光学信号之间的功率差；

第二电子电路，被配置为计算第二信息，所述第二信息表示由所述第一端口和所述第四端口提供的光学信号之间的功率差；以及

激光源，链接到所述第一端口和所述第二端口。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述光学谐振器包括：

第一波导；

第二波导，被耦合到所述第一波导并且将所述第一端口链接到所述第二端口；以及

第三波导，被耦合到所述第一波导并且将所述第三端口链接到所述第四端口。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述装置被配置为使得当第一光学信号被提供给所述第一端口时，第一信号被传送到所述第二端口和所述第三端口。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述激光源具有根据控制信号可调节的波长，其中所述第二电子电路被配置为基于所述第二信息确定所述控制信号。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述第二电子电路被配置为确定所述控制信号，使得所述第二信息表示零差异。

20.一种用于确定装置的旋转速度的方法，所述装置包括具有四个端口的光学谐振器，所述四个端口包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述方法包括：

计算第一信息，所述第一信息表示由所述四个端口中的两个端口提供的光学信号之间的功率差；以及

基于所述第一信息确定所述旋转速度。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：当第一光学信号被提供给所述第一端口时，将第一信号传送到所述第二端口和所述第三端口，其中所述第二端口和所述第三端口形成所述四个端口中的所述两个端口。

22.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：计算第二信息，所述第二信息表示由所述四个端口中的另外两个端口提供的光学信号之间的功率差。

23.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：基于所述第一信息确定角速度。

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