CN112684542A - 一种双y分支光波导相位调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双Y分支光波导相位调制器，包括依次连接的光源、相位调制器芯片和光纤环，所述相位调制器芯片还依次连接有光电探测器和信号处理电路，所述相位调制器芯片包括衬底以及制作在该衬底上的第一Y分支光波导、第二Y分支光波导和基波导，所述第一Y分支光波导的输出端与所述基波导的一端连接，所述基波导的另一端与所述第二Y分支光波导的输入端连接；所述第一Y分支光波导的输出端相对于所述第二Y分支光波导的输入端在垂直于光信号传播的方向上偏移取值范围为100μm～4000μm的距离d，以使得在第一Y分支光波导合束点产生的辐射模从相位调制器芯片的端面辐射出去，以此来消除辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题。
Description
技术领域
本发明涉及相位调制器技术领域，特别是涉及一种双Y分支光波导相位调制器。
背景技术
光纤陀螺仪是一种基于萨格奈克相移效应的角速率传感仪表，具有全固态结构、小体积、抗电磁干扰、高精度及长寿命等一系列优点。图1为现有的光纤陀螺仪的原理图，光纤陀螺仪由光源、耦合器、Y波导、保偏光纤环、光电探测器和信号处理电路组成，各光学元件以尾纤熔接的方式相连接形成闭合光路，电路部分采用全数字闭环检测方案。当保偏光纤环相对惯性空间以角速率Ω转动时，其中分别沿保偏光纤环的正反两个方向传输的两列光波经历的不同的光程而产生萨格奈克相位差Фs，信号处理电路在Y波导相位调制器上引入一个调制信号抵消光纤环旋转引起的萨格奈克相位差Фs，通过检测该调制信号即可获得系统相对于惯性空间转动的角速率信息。
为提高光纤陀螺的光路集成度和简化光路装调工艺，业界提出了采用双Y分支光波导相位调制器替代原光路中的光纤耦合器和Y波导相位调制器组合的方案。然而，将双Y分支光波导相位调制器应用于光纤陀螺时，输入光在第一个Y分支光波导的合束点处被第一次分光，第一次分光后近一半的光信号沿基波导继续向前传播，并在第二个Y分支光波导的分束点处被再次分光然后传输进光纤环中，而第一次分光后的另外近一半的光信号被辐射进衬底中形成非对称辐射模，辐射模在衬底中向前传播，当辐射模传播至第二个Y分支光波导处的分束点处时，一部分辐射模将耦合回到第二个Y分支光波导中，并在第二个Y分支光波导的两分支上产生一个寄生相位差，该相位差对温度非常敏感，会在光路中形成串扰和噪声，进而影响光纤陀螺的零偏稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双Y分支光波导相位调制器，以解决现有双Y分支光波导调制器中辐射模耦合引入的噪声问题。
为解决上述问题，本发明提供一种双Y分支光波导相位调制器，包括依次连接的光源、相位调制器芯片和光纤环，所述相位调制器芯片还依次连接有光电探测器和信号处理电路，所述相位调制器芯片包括衬底以及制作在该衬底上的第一Y分支光波导、第二Y分支光波导和基波导，所述第一Y分支光波导具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第二Y分支光波导具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一Y分支光波导的输出端与所述基波导的一端连接，所述基波导的另一端与所述第二Y分支光波导的输入端连接，所述第一Y分支光波导用于接收光信号，所述基波导用于将所述第一Y分支光波导接收的光信号传输给第二Y分支光波导，所述第二Y分支光波导用于对基波导传输来的光信号分束后传输给光纤环；所述第一Y分支光波导的输出端相对于所述第二Y分支光波导的输入端在垂直于光信号传播的方向上偏移取值范围为100μm～4000μm的距离d；所述第二Y分支光波导上设有调制电极，所述调制电极与所述信号处理电路连接，所述调制电极用于对所述第二Y分支光波导上的光信号进行相位调制。
进一步的，所述第一Y分支光波导的第一输入端与所述光源的输出端连接，所述第一输入端用于接入光信号，所述第一Y分支光波导的第二输入端与光电探测器连接。
进一步的，所述光纤环具有第一端口和第二端口，所述第二Y分支光波导的第一输出端与光纤环的第一端口连接，所述第二Y分支光波导的第二输出端与光纤环的第二端口连接。
进一步的，所述基波导呈上升余弦函数曲线。
进一步的，所述光纤环为保偏光纤环。
进一步的，所述调制电极为推挽调制电极。
本发明的有益效果：将第一Y分支光波导的输出端相对于第二Y分支光波导的输入端在垂直于光信号传播方向上偏移100μm～4000μm的距离，同时第一Y分支光波导和第二Y分支光波导之间通过一段呈上升余弦函数曲线的基波导连接，当光信号沿第一Y分支光波导向前传输时，在第一Y分支光波导的合束点处，近一半的光信号沿基波导向前传输至第二Y分支光波导，与此同时，另外近一半的光信号辐射进衬底形成辐射模并沿衬底向前传播，由于第一Y分支光波导的输出端相对于第二Y分支光波导的输入端发生了偏移，因此产生的辐射模沿衬底传播并最终从相位调制器芯片的端面辐射出去，避免了在第二Y分支光波导的分束点处部分辐射模重新耦合进入第二Y分支光波导内，以此来消除辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题。
附图说明
图1是现有的光纤陀螺仪的工作原理图。
图2是本发明一种双Y分支光波导相位调制器的较佳实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图2所示，是本发明一种双Y分支光波导相位调制器的较佳实施方式的结构图。本发明所述的一种双Y分支光波导相位调制器包括依次连接的光源1、相位调制器芯片2和光纤环3，所述相位调制器芯片2还依次连接有光电探测器4和信号处理电路5。所述光源1用于产生光信号并传输给相位调制器芯片2；所述相位调制器芯片2用于将光信号分束后传输至光纤环3；光纤环3中的两个光信号在光纤环3内沿相反的方向传输后再次回到相位调制器芯片2发生干涉并形成干涉信号，所述光纤环3为保偏光纤环；所述光电探测器4用于检测该干涉信号的强度变化；所述信号处理电路5根据光电探测器4的检测结果，对相位调制器芯片2上的光信号进行相位调制，以抵消因光纤环3相对惯性空间旋转而引入的相位差，从而计算得出相应的角速率。
所述相位调制器芯片2包括衬底21以及制作在该衬底21上的第一Y分支光波导22、基波导23和第二Y分支光波导24。所述衬底21优选为铌酸锂晶体材料。所述第一Y分支光波导22用于接收光信号，所述基波导23用于将所述第一Y分支光波导22接收的光信号传输给第二Y分支光波导24，所述第二Y分支光波导24用于对基波导23传输来的光信号分束后传输给光纤环3。
所述第一Y分支光波导22具有第一输入端221、第二输入端222和输出端223；所述第一输入端221与所述光源1的输出端连接，所述第一输入端221用于接入光信号；所述第二输入端222与所述光电探测器4连接，所述第二输入端222用于将第二Y分支光波导24的两分支光波导上的两个光信号干涉后形成的强度变化信号传输给光电探测器4；所述第一Y分支光波导22的输出端223与所述基波导23的一端连接，所述输出端223用于将光信号传输给基波导23。所述第二Y分支光波导24具有输入端241、第一输出端242和第二输出端243；所述第二Y分支光波导24的输入端241与基波导23的另一端连接，所述输入端241用于接收基波导23传输的光信号；所述光纤环3具有第一端口31和第二端口32，所述第二Y分支光波导24的第一输出端242与光纤环3的第一端口31连接，所述第二Y分支光波导24的第二输出端243与光纤环3的第二端口32连接，所述第一输出端242和第二输出端243用于将光信号传输至光纤环3。
所述第一Y分支光波导22的输出端223相对于所述第二Y分支光波导24的输入端241在垂直于光信号传播的方向上偏移100μm～4000μm的距离；光信号从第一输入端221进入第一Y分支光波导22并在第一Y分支光波导22的合束点处被近似3dB分光，随后，近一半的光信号沿基波导23向前传播至第二Y分支光波导24，另外近一半的光信号辐射进衬底21内形成辐射模并沿衬底21向前传播并最终从相位调制器芯片2的端面辐射出去，避免在第二Y分支光波导24的分束点处部分辐射模重新耦合进第二Y分支光波导24内产生寄生相位差，以此来消除辐射模耦合引起的噪声问题。所述基波导23呈上升余弦函数曲线，以降低基波导23中因弯曲引入的光信号传输损耗。
所述第二Y分支光波导24上设有调制电极25，所述调制电极25与所述信号处理电路5连接，所述调制电极25用于对所述第二Y分支光波导24上的光信号进行相位调制，所述调制电极25为推挽调制电极。所述信号处理电路5根据光电探测器4的检测结果，在所述调制电极25上引入一个调制信号对第二Y分支光波导24上的光信号进行相位调制，使第二Y分支光波导24上两分支光波导中的折射率发生变化，进而使第二Y分支光波导24上两分支光波导中的光信号在传输时产生一相位差来抵消因光纤环3相对惯性空间旋转而引入的相位差。
本发明的工作原理：
所述光源1产生的光信号通过第一Y分支光波导22的第一输入端221进入第一Y分支光波导22，光信号在第一Y分支光波导22的合束点处被第一次近似3dB分光，其中近一半的光信号沿基波导23传播到达第二Y分支光波导24，并在第二Y分支光波导24的分束点处被第二次分光，经第二Y分支光波导24分光后的两个光信号分别沿第二Y分支光波导24的两个分支光波导传输。
第二Y分支光波导24中沿上侧的分支光波导传输的光信号依次经第二Y分支光波导24的第一输出端242和光纤环3的第一端口31进入光纤环3中，并沿光纤环3传输，然后依次通过光纤环3的第二端口32和第二Y分支光波导24的第二输出端243传输至第二Y分支光波导24下侧的分支光波导；第二Y分支光波导24中沿下侧的分支光波导传输的光信号依次经第二Y分支光波导24的第二输出端243和光纤环3的第二端口32进入光纤环3中，并沿光纤环3传输，然后依次通过光纤环3的第一端口31和第二Y分支光波导24的第一输出端242传输至第二Y分支光波导24上侧的分支光波导中。经光纤环3回到第二Y分支光波导24两个分支光波导的两个光信号在第二Y分支光波导24的合束点处发生干涉并产生干涉信号，干涉信号依次经第二Y分支光波导24的输入端241、基波导23和第一Y分支光波导22的输出端223进入第一Y分支光波导22中，并经第一Y分支光波导22的第二输入端222进入光电探测器中，光电探测器4对干涉信号的强度变化进行检测并将检测结果传输给信号处理电路5，信号处理电路5根据光电探测器4传输的检测结果向调制电极25施加电压，以抵消因光纤环3相对惯性空间旋转而引入的相位差，根据信号处理电路5向调制电极25施加的电压信号即可计算得出光纤环3相对惯性空间的旋转角度率。
在第一次分光后的另外近一半的光信号被辐射进衬底21中形成辐射模，由于第一Y分支光波导22的输出端223相对于第二Y分支光波导24的输入端241在垂直于光信号传播的方向上偏移了相应的距离，使得辐射模在衬底21中向前传播并最终从相位调制器芯片2的端面辐射出去，避免了在第二Y分支光波导24的分束点处部分辐射模重新耦合进第二Y分支光波导24内，以此来消除辐射模在光路中耦合形成的串扰和噪声问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：包括依次连接的光源、相位调制器芯片和光纤环，所述相位调制器芯片还依次连接有光电探测器和信号处理电路，所述相位调制器芯片包括衬底以及制作在该衬底上的第一Y分支光波导、基波导和第二Y分支光波导，所述第一Y分支光波导具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第二Y分支光波导具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一Y分支光波导的输出端与所述基波导的一端连接，所述基波导的另一端与所述第二Y分支光波导的输入端连接，所述第一Y分支光波导用于接收光信号，所述基波导用于将所述第一Y分支光波导接收的光信号传输给第二Y分支光波导，所述第二Y分支光波导用于对基波导传输来的光信号分束后传输给光纤环；所述第一Y分支光波导的输出端相对于所述第二Y分支光波导的输入端在垂直于光信号传播的方向上偏移取值范围为100μm～4000μm的距离d；所述第二Y分支光波导上设有调制电极，所述调制电极与所述信号处理电路连接，所述调制电极用于对所述第二Y分支光波导上的光信号进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：所述第一Y分支光波导的第一输入端与光源的输出端连接，所述第一输入端用于接入光信号，所述第一Y分支光波导第二输入端与光电探测器连接。
3.根据权利要求1所述的一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：所述光纤环具有第一端口和第二端口，所述第二Y分支光波导的第一输出端与光纤环的第一端口连接，所述第二Y分支光波导的第二输出端与光纤环的第二端口连接。
4.根据权利要求1所述的一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：所述基波导呈上升余弦函数曲线。
5.根据权利要求1所述的一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：所述光纤环为保偏光纤环。
6.根据权利要求1所述的一种双Y分支光波导相位调制器，其特征在于：所述调制电极为推挽调制电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210420 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |