CN113167583A - 紧凑型光纤萨格纳克干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有环形或者直线型光纤的萨格纳克干涉仪。根据本发明，所述干涉仪包括：混合集成光学电路(200)，其具有至少第一电光衬底(1)和具有共同界面(20)的第二透明衬底(2)，所述第一衬底(1)包括第一光波导(11)、第二光波导(12)，所述第一光波导(11)和所述第二光波导(12)连接到所述光纤线圈(6)的至少一端(61)，以及输入‑输出光波导(10)，其连接到光源(4)和探测系统(5)，所述第二衬底(2)包括至少一个U形光波导(21)，并且所述混合集成光学电路(200)包括具有共同分支(160)和两个次级分支(161,162)的平面波导Y连接(26)。

Description

紧凑型光纤萨格纳克干涉仪

技术领域

本发明大体涉及干涉测量系统领域。

本发明更特别地涉及环形、或涉及直线型(in-line)光纤萨格纳克(Sagnac)干涉测量系统。此类干涉测量系统特别地适用于光纤陀螺仪(FOG)或者光纤电流传感器(FOCS)。

本发明特别地涉及高准确度、紧凑、轻量和更低制造成本的光纤干涉测量系统和方法。

背景技术

图1A示意性地示出了现有技术的环形光纤萨格纳克干涉测量系统。该光纤干涉测量系统通常包括发射光束100的光源4、光纤线圈6、光电探测器5和两个光束分离器：线圈分离器19和源接收机分离器45，被称为接收机分离器。线圈分离器19将源束100空间分成第一分离束150和第二分离束250，该第一分离束150和第二分离束250在光纤线圈6中的相反方向上传播。在线圈出口处，线圈分离器19将这两个束重组以形成干涉测量束300。源-接收机分离器45将干涉测量束300引导到光电探测器5。

当干涉测量系统休止时，由于光纤线圈中的光路的互易性，所以两个分离束从光纤线圈同相发出。

然而，在易于在光纤线圈6中的两个对向传播束的光路上产生非互易效应的物理现象的情况下，相位差在探测的干涉测量束中出现。

在引起非互易效应的主要物理现象中间，干涉测量系统关于光纤线圈的轴的旋转引起与旋转速率成正比的相位差。根据该特性，被称为萨格纳克效应，结果是萨格纳克环形干涉仪到陀螺仪的主要应用以测量关于光纤线圈轴的旋转速率。

有利地，如图1A所示，光纤萨格纳克干涉测量系统包括多功能集成光学电路(MIOC)39。集成光学电路39包括优选地由例如由铌酸锂制成的平面电光学衬底上的质子交换(APE，退火质子交换)形成的光波导。铌酸锂上的质子交换导致单偏振引导的形成并且输入波导29因此形成仅引导一个线偏振的单模波导偏振器。集成光学电路39还包括通过将波导29分成两个单模次级分支形成的Y连接类型(Y-junction type)的线圈分离器19。有利地，集成光学电路39还包括电极9，该电极9连接到发电机以形成电光调制器，该电光调制器适于调制两个对向传播束之间的相移。多功能集成光学电路39的平面衬底可以在一侧容易地连接到光纤线圈6的两端，并且在相对侧通过光纤49的部分连接到源-接收机分离器45。

多轴光纤陀螺仪包括与一个或多个多功能集成光学电路、相同源或多个源和一个或多个探测器组合的多个光纤线圈。

由于光纤陀螺仪的灵敏度、线性和稳定性性能，所以光纤陀螺仪日益用于引导或惯性导航系统中的旋转测量。

由于光纤的使用，所以使用一个或多个光纤线圈的光纤陀螺仪提供紧凑性优点。

其他物理现象，诸如磁光法拉第效应，也可以易于引起非互易相位差，并且可以借助于环形或直线型光纤萨格纳克干涉仪测量，并且例如使用在电流传感器中(J.Blake,P.Tantaswadi,R.T.de Carvalho,“In-line Sagnac interferometer current sensor(直线型萨格纳克干涉仪电流传感器)”,IEEE Transactions on power delivery,第11卷,第1号,1996年)。

举例来说，图1B示意性地示出了现有技术的直线型光纤萨格纳克干涉测量系统。相同参考标记表示类似于图1A的元件的元件。光纤线圈66在本文中使用例如所谓的“纺成纤维”技术由圆偏振保持光纤形成。光纤线圈66关于电流(表示I)的导体定位在其上的轴盘绕。光纤线圈66的第一端661连接或者附接到四分之一波片68。光纤线圈66的第二端662被紧固到反射镜77。偏振分离器/组合器70接收根据正交偏振线偏振的两个束122,123并且将其注入线偏振保持光纤67的部分(section)中。四分之一波片68将这两个线偏振束122,123转换为第一右圆偏振束133和第二左圆偏振束132。第一右圆偏振束133和第二左圆偏振束132在光纤线圈66中传播直到反射镜77，在该反射镜77上，其通过交换其偏振反射并且分别地形成第一左圆偏振束143和第二右圆偏振束142。第一左圆偏振束143和第二右圆偏振束142在相反方向上行进通过光纤线圈66。因此，每个光束在圆偏振的两个相反状态中连续地行进通过光纤线圈66。四分之一波片68将第一左圆偏振束143和第二右圆偏振束142转换为横向偏振的两个线偏振束。通过磁光法拉第效应，在线圈轴上对准的电流I引起在光纤线圈66中传播的圆偏振束之间的相位差。

通常，希望增加紧凑性和/或减少环形或直线型光纤萨格纳克干涉测量系统的重量和制造成本，同时保持其灵敏度、稳定性和比例因子技术性能。

发明内容

为了补救现有技术的上文所提到的缺点，本发明提出一种包括光源、探测系统和至少一个光纤线圈的环形或直线型光纤萨格纳克干涉仪。

更特别地，根据本发明，提出了一种光纤萨格纳克干涉仪，包括：混合集成光学电路，其包括由电光材料制成的至少一个第一平面衬底和由对于所述源波长透明的材料制成的一个第二平面衬底，所述第一衬底和所述第二衬底具有两个相邻侧之间的共同界面；所述第一衬底，其包括输入-输出光波导，其连接到所述光源和所述探测系统；一对其他光波导，其包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导被连接到所述光纤线圈的至少一端；电光调制系统，其包括沿着所述第一光波导和/或所述第二光波导布置的至少一个电极；所述第二衬底，其包括至少一个U形光波导；所述混合集成光学电路，其包括具有共同分支和两个次级分支的平面波导Y连接；所述第一衬底和所述第二衬底以这样的方式布置：所述U形光波导的一端与所述输入-输出光波导的一端对准，并且所述U形光波导的另一端与所述Y连接的共同分支对准，所述Y连接的两个次级分支中的每一个与所述一对其他光波导中的一个光波导的一端对准。

单独或者根据所有技术可能组合取得的根据本发明的光纤萨格纳克干涉仪的其他非线性和有利特性是以下：

-所述Y连接被形成在所述第一衬底上；

-所述Y连接被形成在所述第二衬底上；

-所述U形光波导展现关于第二衬底的至少0.05并且在优选地0.1与0.2之间的折射率的差；

-所述U形光波导具有小于或等于1mm、并且优选地小于或等于0.5mm的曲率半径。

在特定实施例中，所述光纤线圈具有所述圆偏振保持类型，所述光纤线圈的第一端经由四分之一波片连接到偏振分离器耦合器的共同分支，所述光纤线圈的第二端连接到反射镜，所述混合集成电路的Y连接在所述衬底平面内形成束分离器，所述第一光波导连接到所述偏振分离器-组合器的第一次级分支，并且所述第二光波导连接到所述偏振分离器-组合器的第二次级分支。

在另一特定实施例中，所述第一光波导连接到所述光纤线圈的第一端，并且所述第二光波导连接到所述光纤线圈的第二端。

根据特定和有利实施例，所述干涉仪包括：N个光纤线圈，其中，N是高于或等于二的自然整数；所述第一衬底，其包括N个输入-输出光波导；N对其他光波导，所述N对其他光波导中的每个波导连接到所述N个光纤线圈中的一个的一端；所述电光调制系统，其包括至少N个电极，所述至少N个电极中的每一个沿着所述N对其他光波导中的一个波导而布置；所述第二衬底，其包括N个U形光波导；所述混合集成光学电路，其包括N个平面波导Y连接，所述N个Y连接中的每个Y连接具有共同分支和两个次级分支；所述第一衬底和所述第二衬底以这样的方式布置：所述U形光波导的一端与所述N个输入-输出光波导中的一个的一端对准，每个U形光波导的另一端与所述N个Y连接中的一个的共同分支对准，所述N个Y连接中的两个次级分支中的每一个与所述N对其他光波导中的一个波导的一端对准。

单独或者根据所有技术可能组合取得的根据本发明的光纤萨格纳克干涉仪的其他非线性和有利特性是以下：

-所述探测系统包括至少一个第一探测器；

-所述混合集成光学电路还包括由透明材料制成的第三平面衬底，所述第三衬底和所述第一衬底具有两个相邻侧之间的另一共同界面，所述第三衬底包括多个光波导，在另一界面上的第一衬底的每个光波导端连接到所述第三衬底的一个光波导端；

-所述第三衬底集成所述光源和至少一个探测器；

-所述探测系统包括N个探测器；

-所述干涉仪包括N个光源；

-所述第一衬底由在铌酸锂、磷化铟、砷化镓和铝砷化镓中间选择的材料形成；

-所述第二衬底由在光学玻璃、氮化硅、绝缘体上硅和硅基二氧化硅中间选择的材料形成。

附图说明

通过非限制性示例给出的关于附图的以下描述将允许本发明包括什么并且其可以如何实现的好的理解。

在附图中：

-图1A示意性地示出了根据现有技术的环形光纤萨格纳克干涉测量系统；

-图1B示意性地示出了根据现有技术的直线型光纤萨格纳克干涉测量系统；

-图2示意性地示出了根据第一实施例的环形光纤和混合集成光学电路萨格纳克干涉测量系统；

-图3示意性地示出了根据第二实施例的环形光纤和混合集成光学电路萨格纳克干涉测量系统；

-图4示意性地示出了根据第二实施例的替代方式的三个环形光纤线圈和一个混合集成光学电路萨格纳克干涉测量系统；

-图5示意性地示出了根据第三实施例的环形光纤和混合集成光学电路萨格纳克干涉测量系统；

-图6示意性地示出了根据第三实施例的替代方式的三个环形光纤线圈和一个混合集成光学电路萨格纳克干涉测量系统；

-图7示意性地示出了根据特定实施例的直线型光纤萨格纳克干涉测量系统。

具体实施方式

考虑光纤萨格纳克干涉测量系统，其包括由质子交换(APE，退火质子交换)形成的铌酸锂集成光学电路，如例如图1A所示。铌酸锂集成光学电路39可操作以收集多个光学和电光组件，因此实现多个功能。由质子交换形成的输入-输出波导29可操作以使源束100线偏振。而且，该输入-输出波导29还用作空间单模滤波器。在前向方向上，Y连接19可操作以将源束100光学分成两个分离入射束150、250。在反向方向上，Y连接19可操作以重组各自在相反方向上行进通过线圈的两个分离束，以形成干涉束。沿着Y连接的两个次级分支布置的电极9连接到发电机并且可操作以电光调制分离入射束150、250之间的相位。

设备

本公开提出使用混合集成光学电路的光纤干涉仪。混合集成光学电路组合例如由铌酸锂制成的第一平面电光衬底1，以及至少例如由光学玻璃(例如，硼硅酸盐类型)制成的第二平面透明衬底2。

作为替代方式，第一衬底1由在磷化铟(InP)、砷化镓(AsGa)和铝砷化镓(AlGaAs)中间选择的电光材料形成。这些材料是半导电的并且使执行相位调制可能。

作为替代方式，第二衬底2由在氮化硅、绝缘体上硅(SOI)或硅基二氧化硅中间选择的对于使用的波长(例如，高于0.5微米)透明的材料形成。

更特别地，第一衬底1和第二衬底2端到端布置并且通过其侧中的一个直接接触，也被称为衬底的厚度。有利地，在第一衬底1与第二衬底2之间使用紧固装置。紧固装置包括例如胶水和/或机械支撑或任何其他适合的紧固装置。

第一衬底1包括多个集成光学组件和/或光波导。第二衬底2包括形成PLC(“平面光波电路”)类型的平面光学电路的至少一个U形光波导。

图2示出了根据第一实施例的环形光纤和混合集成电路萨格纳克干涉测量系统。干涉测量系统包括光源4、探测系统5、光纤线圈6和混合集成电路200。

混合集成电路200在本文中包括例如由铌酸锂制成的第一衬底1和例如由光学玻璃(硼硅酸盐)制成的第二衬底2。本文中的干涉测量系统仅包括一个光纤线圈6。

第一衬底1通常具有几何形状。在图2的平面U或者标准正交系(XYZ)中的YZ平面内，第一衬底1具有例如矩形形状。此处，X、Y和Z轴与铌酸锂第一衬底1的晶轴重合：光传播轴(沿着衬底1的长度)是晶Y轴，厚度是晶X轴并且宽度是晶Z轴。第一衬底1优选地由具有0.35mm与2mm之间包括的厚度的平面材料形成，例如在X轴方向上的0.5mm或1mm。以公知方式，在厚度方面取得的第一衬底1的两侧优选地围绕X轴或Z轴相对于XZ平面倾斜某个角度，以避免界面处的假背向反射。界面处的倾斜角根据Snell-Descartes定律适配。

第一衬底1包括第一光波导11、第二光波导12和输入-输出光波导10。光波导10,11,12优选地由铌酸锂衬底上的质子交换形成。有利地，光波导10,11,12的至少一部分在衬底1的长度L1的方向上平行布置。两个电极91沿着第一光波导11在任一侧布置。两个电极92沿着第二光波导12在任一侧应用。在该第一实施例中，第一衬底1包括具有共同分支160、次级分支161和另一次级分支162的平面波导Y连接类型的连接166。位于衬底1的一侧的第一光波导11的一端直接地连接到光纤线圈6的第一端61。位于衬底1的同一侧的第二光波导12的一端直接地连接到光纤线圈6的第二端62。第一光波导11的另一端直接地连接到Y连接的次级分支161。第二光波导12的另一端直接地连接到Y连接的另一次级分支162。优选地，在APE形成的铌酸锂衬底1中，Y连接的每个分支具有对于至少10mm的曲率半径。实际上，在铌酸锂衬底中，光波导与衬底之间的折射率差是约0.005至0.01。该小折射率差不允许对光波导的曲率损耗的好的阻力。而且，由APE铌酸锂衬底上的质子交换形成的光波导仅引导在晶Z轴的方向上对准的偏振。

输入-输出光波导10是单模并且形成仅引导一个偏振的波导偏振器。有利地，两个电极9沿着输入-输出光波导10在任一侧沉积。输入-输出光波导10的一端连接到输入-输出光纤49的一端101。输入-输出光纤49的另一端连接到源-接收机分离器45。因此，输入-输出光纤49的端101位于与光纤线圈6的两端61,62的衬底1的相同侧。光纤线圈6的端和输入-输出光纤的端例如以V形支撑(或者V形槽)布置。

第二衬底2也通常具有几何形状。在图2的平面或者YZ平面内，第二衬底2通常具有矩形形状。第二衬底2优选地由具有0.5mm与3mm之间的厚度的平面材料制成，例如在X轴方向上的约1mm。类似于衬底1，在厚度方面取得的第二衬底2的两侧优选地围绕Z轴或X轴相对于XZ-平面倾斜0度与25度之间的角度，以避免与第一衬底1处的界面的假反射。该界面20处的衬底1和衬底2的倾斜角根据Snell-Descartes定律适配。

第二衬底2的一个厚度侧被紧固到第一衬底1的一个厚度侧，其与光纤的端被紧固到其的一侧相对。第二衬底2包括U形光波导21。U形光波导21的一端沿着X和Z轴在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处与输入-输出光波导10的一端对准。U形光波导21的另一端沿着X和Z轴与相同界面20上的Y连接166的共同分支160的一端对准。U形光波导21例如由钠(Na)掺杂硼硅玻璃中的银离子交换，然后由热或电效应的扩散形成。

由第一衬底中的质子交换形成的光波导10,11,12通常具有椭圆形剖面。铌酸锂衬底的折射率沿着1550nm的波长处的普通X或Y轴为约2.21并且沿着特别Z轴为约2.14。等于在平行于第一衬底表面的平面的方向上的强度方面的1/e²处的高斯束的半径的半模具有约4微米。等于在横向于第一衬底表面的平面的方向上的强度方面的1/e²处的高斯束的半径的半模具有约2.5微米。在第二衬底中，U形波导具有根据第一衬底的波导的形状和大小适配的剖面。第一衬底1和第二衬底2以关于在界面20处将U形波导的端与第一衬底1的波导的端对准的这样的方式布置。

第一衬底1和第二衬底2的相邻侧横向于U形光波导21的端，在输入-输出光波导10的端处和形成Y连接的共同分支160的波导的端处。特别地有利地，邻近第一衬底1和第二衬底2的相邻侧倾斜0度与25度之间的角，例如围绕X轴和/或Z轴相对于XZ平面的8度，以便限制第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处的假背向反射。例如，第一和/或第二衬底被切割成平行四边形。在另一示例中，第一和/或第二衬底的边缘被切割成等腰梯形平行六面体形状。有利地，第一衬底1的宽度方向上的两个相对侧围绕X和/或Z轴相对于XZ平面倾斜，以便避免第一衬底1处的假背向反射。

在第二玻璃衬底2中，U形光波导21可以具有小于1mm并且优选地小于0.5mm的曲率半径，同时由于波导21的纤芯与衬底2之间的约0.02至0.1的折射率差，针对具有2与4微米(μm)之间的直径的波导，保持光导特性。关于第一衬底1，第二衬底2的宽度方向上的两个相对侧围绕X或Z轴相对于XZ平面倾斜，以便避免第二衬底2中的假背向反射。

应观察到，所有光纤端101,61,62被布置在混合集成光学电路200的相同侧。该布置使利用其连接光纤限制组件的总体积可能。该布置使增加光纤线圈6和/或输入-输出光纤49的端的曲率半径可能。有利地，光纤被布置为具有至少5mm的曲率半径，以避免曲率损耗。

而且，第二衬底使折叠铌酸锂衬底中的光路和限制混合集成光学电路200的长度可能。在示例中，第一衬底1具有16mm的长度L1、3mm的宽度W1和1mm的厚度，第二衬底2具有3mm的长度L2、3mm的宽度W2和1mm的厚度。总之，混合集成光学电路具有16+3＝19mm的长度、3mm的宽度和约1mm的厚度。通过比较，仅形成在串联集成输入-输出波导、Y连接和两个平行光波导11,12的铌酸锂衬底1上的集成光学电路(如图1A所示)具有针对3mm的宽度和1mm的厚度的24mm与40mm之间的总长度。

混合集成光学电路200可操作以将多个光学组件集成在降低宽度的复合衬底上。在示例性实施例中，混合集成光学电路200可操作以单独降低集成光学电路的长度和连接到光纤的集成光学电路的体积了约1/2倍。图2的混合集成光学电路因此可操作以增加光纤干涉测量系统的紧凑性。而且，混合集成光学电路的使用还使降低光纤干涉测量系统的重量可能。在另一示例性实施例中，混合集成光学电路200可操作以增加铌酸锂衬底的长度，其使延长光波导11,、12和电极91、92并且因此降低针对相同调制深度施加的调制电压可能。最后，混合集成光学电路的使用使消除某些安装操作并且允许自动化制造，因此降低制造成本可能。

图2所示的混合集成光学电路可操作以将Y连接形单模波导106和U形单模光波导21组合，U形单模光波导21的一端连接到Y连接形单模波导166的共同分支160。

在前向方向中，源束100在输入-输出光波导10中然后在U形单模光波导21中引导。源束然后在Y连接形单模波导106的共同分支160中透射和引导。Y连接166将源束分成第一分离束150和第二分离束250。第一分离束150以被引导式方式在Y连接的次级分支161中然后在第一光波导11中传播到光纤线圈的第一端61。类似地，第二分离束250以被引导式方式在Y连接的另一次级分支162中然后在第二光波导12中传播到光纤线圈的第二端62。第一分离束150在一个方向上行进通过线圈并且经由第二端62从其离开并且在第二光波导12中引导。相互地，第二分离束250在相反方向上行进通过线圈并且经由第一端61从其离开并且在第一光波导11中引导。

在相反方向上，Y连接形单模波导的每个次级分支161,162引导在互相相反方向上行进通过光纤线圈的束。Y连接166将这两个束重组以形成干涉束。干涉束的一部分由Y连接的共同分支160引导。然而，波导是单模，仅一个模在Y连接的共同分支160引导。通过能量守恒，干涉束的所有功率p被分布在引导束和非引导束之间。已知反对称模式在衬底中以非引导方式传播(Arditty等人，“Reciprocity properties of a branching waveguide”,Fiber-Optic Rotation Sensors,Springer series in optical sciences,第32卷、1982年、第102-110页)。该非引导反对称模式的一部分在第一衬底1中传播并且在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处折射，然后在第二衬底2中以非引导方式中传播。相反，干涉束300的引导部分在U形单模光波导21中然后在输入-输出光波导10中传播。在相反方向上，光波导21形成空间滤波器和输入-输出光波导10偏振滤波器，换句话说，偏振器。Y连接和U形波导的组合使避免收集输入-输出波导10中和/或输入-输出光纤49中的干涉束的非引导反对称模式可能。

在图2的混合集成光学电路中，源束100和引导式干涉束300各自执行输入-输出光波导10中的通路。现在，输入-输出光波导10是偏振。而且，光波导11和12也是偏振。光束在偏振输入-输出光波导10中通过两次，在光波导11中一次并且在光波导12中一次，用于每个对向传播束。因此，每个束执行波导偏振器中的四个通路。偏振铌酸锂光波导10、11、12中的该四元组通路等于四元组偏振滤波并且因此允许增加偏振消光比。偏振波导中的该四元组通路可以允许免于与波导偏振器10串联的附加偏振器并且因此节省附加偏振器的成本。

可选地，输入-输出光波导10上的电极9的使用使调制源束可能，例如，使源相干性模糊。

图3示出了根据第二实施例的环状形和混合集成电路干涉测量系统。

相同参考标记表示类似于图2的元件的元件。

混合集成电路在本文中包括例如由铌酸锂制成的第一衬底1和例如由光学玻璃(例如，硼硅酸盐类型)制成的第二衬底2。不同于第一实施例，Y连接形成在第二衬底上而非第一衬底上。第一衬底1包括第一光波导11、第二光波导12和输入-输出光波导10。光波导10、11、12优选地是直线的并且平行于彼此。

第二衬底2包括U形光波导21。第二衬底2还包括具有共同分支260、次级分支261和另一次级分支262的平面波导Y连接类型的连接26。U形光波导21的一端沿着X和Z轴在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处与输入-输出光波导10的一端对准。U形光波导21的另一端连接到第二衬底2上的Y连接的共同分支260的一端。第二衬底2的一侧的Y连接的次级分支261的一端直接地连接到第一衬底1的相邻侧的第一光波导11的一端。类似地，第二衬底2的相同侧的Y连接的次级分支162的一端连接到第一衬底1的相邻侧的第二光波导12的一端。换句话说，第二衬底上的Y连接的次级分支161和相应162的端沿着X和Z轴在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处与第一和相应第二光波导11、12对准。有利地，在第二衬底2中，Y连接的每个分支可以具有小于或等于1mm的曲率半径。

特别地有利地，第一衬底1和第二衬底2的相邻侧分别地倾斜根据第一衬底1和相应第二衬底2的引导的折射率由Snell-Descartes定律定义的角度。第一衬底1和第二衬底2的两侧的倾斜角被包括在0度与25度之间，例如围绕X或Z轴相对于XZ平面的约8度，以便限制界面处的多次内反射。更精确地，第一衬底1和第二衬底2的倾斜角适配为Snell-Descartes定律的函数。有利地，第二衬底2的宽度方向上的两个相对侧围绕X或Z轴相对于XZ平面倾斜以便避免第二衬底2中的多次假内反射。第一衬底1和第二衬底2的组件优选地自动化以便降低制造成本。

Y连接26和具有约1mm的大曲率半径的U形光波导21的组合使得然后在第二衬底2中传播的反对称模式强烈衰减可能。第二衬底2与空气之间的连接处的倾斜角使得第一衬底1的输入-输出波导10的反对称模式的假耦合进一步衰减可能。

根据第二实施例的混合集成电路甚至比第一实施例更有效地过滤反对称模式。

在该第二实施例的示例中，第一铌酸锂衬底1具有8mm的长度L1、3mm的宽度W1和1mm的厚度，第二衬底2具有4mm的长度L2、3mm的宽度W2和1mm的厚度。因此，混合集成光学电路具有8+4＝12mm的总长度、3mm的宽度和约1mm的厚度。通过与第一实施例的混合集成光学电路比较，该第二实施例使使混合集成光学电路的总长度、重量和成本进一步降低可能。根据第二实施例的光纤干涉仪甚至比第一实施例的光纤干涉仪更紧凑。

根据第二实施例的替代方式，玻璃上的集成光学电路以关于引入Y连接26的两个次级分支261、262之间的光路长度差的这样的方式配置。优选地，该长度差高于使用的光源的退相干(decoherence)长度。例如，针对具有6.5nm的中高度处的光谱宽度的铒源，该长度差被配置为高于0.6mm。该长度差使避免针对其中两个路径未去相关的陀螺仪的玻璃衬底中的Y连接的两端之间的米切尔森(Michelson)类型的干涉现象的生成可能。

根据实施例中的任一个的光纤干涉测量系统可以针对具有两个、三个或N个光纤线圈的干涉测量系统一般化，其中，N是高于或等于2的自然整数。

举例来说，图4示意性地示出了根据第二实施例的替代方式的三个光纤线圈和一个混合集成电路干涉测量系统。

相同参考标记表示类似于图2或3的元件的元件。

干涉测量系统包括第一光纤线圈6、第二光纤线圈7、第三光纤线圈8和混合集成电路200。混合集成电路200在本文中包括例如由铌酸锂制成的第一衬底1和例如由光学玻璃(硼硅酸盐)制成的第二衬底2。

第一衬底1包括各自具有连接到第一光纤线圈6的端中的一个的一端的第一光纤线圈11和第二光纤线圈12。电极91、92分别沿着第一光波导11和相应第二光波导12布置。第二衬底2包括第一Y连接26和第一U形光波导21，类似于关于图3所描述的第一Y连接26和第一U形光波导21。Y连接26的第一、相应第二次级分支的端在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到第一光波导11、相应第二光波导12的另一端。第一U形光波导21的一端连接到Y连接26的共同分支。第一衬底1还包括第一输入-输出波导10。可选地，电极9沿着第一输入-输出波导10布置。第一U形光波导21的另一端在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到第一输入-输出波导10的端。类似于图3，第一输入-输出波导10的另一端101连接到源和探测器。

第一衬底1还包括各自具有连接到第二光纤线圈7的端71、相应72中的一个的一端的第三光波导13、和相应第四光波导14。电极93、相应94沿着第三光波导13和相应第四光波导14布置。第二衬底2包括第二Y连接27和第二U形光波导22。第二Y连接27的第一、相应第二次级分支的端在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到第三光波导13、相应第四光波导14的另一端。第二U形光波导22的一端连接到第二Y连接27的共同分支。第一衬底1还包括第二输入-输出波导17。可选地，电极97沿着第二输入-输出波导17布置。第二U形光波导22的另一端在第一衬底1或第二衬底2之间的界面20处连接到第二输入-输出波导17的一端。第二输入-输出波导17的另一端102连接到至少源和探测器。

类似地，第一衬底1还包括各自具有连接到第三光纤线圈8的端81、相应82中的一个的一端的第五光波导15和第六光波导16。电极95、相应96沿着第五光波导15和相应第六光波导16布置。第二衬底2包括第三Y连接28和第三U形光波导23。第三Y连接28的第一、相应第二次级分支的端在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到第五光波导15、相应第六光波导16的另一端。第三U形光波导23的一端连接到第三Y连接28的共同分支。第一衬底1还包括第三输入-输出波导18。可选地，电极98沿着第三输入-输出波导18布置。第三U形光波导23的另一端在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到第一输入-输出波导18的一端。第三输入-输出波导18的另一端连接到至少一个源和一个探测器。

有利地，光波导10、11、12、13、14、15、16、17和18是直线的并且在第一衬底中平行于彼此布置。

在示出的示例中，应观察到，在没有这些波导之间的交叉的情况下，第一光波导21、第二光波导22和第三U形光波导23以互锁的方式被布置在第二衬底上。在可替代实施例中，在没有引导束之间的干扰的情况下，第一光波导21、第二光波导22和/或第二光波导23可以优选地以直角彼此交叉。针对每个光纤线圈，Y连接和U形波导的组合使获得非引导反对称模式的有效过滤成为可能。该过滤使在相同混合集成电路上组合三个线圈同时避免来自不同光纤线圈的信号之间的串扰成为可能。

有利地，干涉测量系统还包括：未示出的光源；探测系统，其包括连接到第一输入-输出波导10的端101；第二探测器，其连接到第二输入-输出波导17的端102；以及第三探测器，其连接到第三输入-输出波导18的端103。

图4的干涉测量系统可以用于制造惯性导航单元，三个光纤线圈的轴沿着3D参考系的轴布置。在可替代实施例中，至少两个线圈的轴平行于彼此布置以便获得关于该轴的冗余测量结果。图4的干涉测量系统可以一般化用于制造具有N个光纤线圈的其他传感器，其中，N是高于或等于二的自然整数。

在图4的干涉仪的示例性实施例中，第一衬底1具有8mm的长度L1、3mm的宽度W1和1mm的厚度，第二衬底2具有6mm的长度L2、3mm的宽度W2和1mm的厚度。总之，混合集成光学电路具有8+6＝14mm的总长度、3mm的宽度和约1.2mm的厚度。混合集成光学电路的使用使显著地增加具有多个光纤线圈的干涉测量系统的紧凑性同时降低总重量可能。最后，多线圈混合集成光学电路的使用使得消除某些安装操作成为可能，并且允许自动化制造，因此降低制造成本。

图5示出了根据第三实施例的环形光纤和混合集成电路干涉测量系统。

相同参考标记表示类似于图3的元件的元件。

混合集成电路200在本文中包括例如由铌酸锂制成的第一衬底1、第二衬底2和第三衬底3。第二衬底2和第三衬底3例如由光学玻璃(硼硅酸盐)制成。作为替代方式，第二衬底2和/或第三衬底3由在氮化硅或绝缘体上硅(SOI)或硅基二氧化硅中间选择的材料形成。

第三衬底3也通常具有几何形状。在图2的平面或者XY图平面内，第三衬底3通常具有矩形形状。第三衬底3优选地由具有0.5mm与3mm之间的厚度的平面材料制成，例如在X轴方向上的约1mm。在厚度方面取得的第三衬底3的两侧优选地围绕X或Z轴相对于XZ平面倾斜0度与25度之间的角度，例如8度，以避免界面处的假反射。第三衬底3的倾斜角适配为Snell-Descartes定律的函数。

第一衬底1和第二衬底2通过相邻侧紧固到彼此，形成界面20，类似于图3所示的系统。第三衬底3通过与第一侧相对的另一侧紧固到第一衬底，形成另一界面50。

更精确地，第三衬底3包括第一光波导31和第二光波导32，例如，直线的。第三衬底3的第一光波导31的一端在第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处连接到第一光波导11的一端。第三衬底3的第一光波导31的另一端连接到光纤线圈6的第一端61。第三衬底3的第二光波导32的一端在第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处连接到第二光波导12的一端。第三衬底3的第二光波导32的另一端连接到光纤线圈6的第二端62。换句话说，第一衬底1的光波导10、相应11和12的端沿着X和Z轴与第三衬底3的光波导30、相应31、32的端对准。

有利地，旨在连接到光纤的端的光波导31、32的端被适配为一方面光纤6中并且另一方面第一衬底1的光波导中的单模束的尺寸的函数。例如，光波导31、32具有锥形形状，该锥形形状在一端具有适于光纤纤芯的直径(例如，约5至10微米的直径)并且另一方面适于由第一衬底上的质子交换形成的波导的直径(例如，约3至8微米的直径)。

第三衬底3包括平面光波导Y连接耦合器41。Y连接耦合器41形成源-接收机分离器。Y连接耦合器41包括共同分支30、次级分支314和另一次级分支315。共同分支30连接到第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处的输入-输出光波导10的端。源4被紧固在第三衬底的一侧。作为替代方式，源4被卡住在第三衬底3上面或下面并且与45度偏转镜组合。源4是在发光二极管(LED)、高亮度发光二极管(SLED)、分布反馈(DFB)激光器或具有稀土(特别地，铒)掺杂光纤的放大自发射(ASE)源中间选择的。源4可以直接地紧固在衬底3上或者由光纤连接到次级分支314的端。源4生成源束100。探测器5例如被紧固在第三衬底的另一侧。在可替代实施例中，探测器5被紧固在与源4和光纤线圈6相同的一侧。在可替代实施例中，探测器5被紧固在第三衬底3上面或下面并且与45度偏转镜组合。源-接收机分离器41将干涉测量束300引导到光电传感器5。探测器5优选地是光电二极管。

在图5所示的混合集成电路的示例性实施例中，第一衬底1具有8mm的长度L1、3mm的宽度W1和1mm的厚度，第二衬底2具有4mm的长度L2、3mm的宽度W2和1mm的厚度，并且第三衬底3具有4mm的长度L3、3mm的宽度W3和1mm的厚度。总之，混合集成光学电路具有8+4+4＝16mm的总长度、3mm的宽度和约1mm的厚度。将源和探测器集成在混合集成光学电路上使得干涉测量系统的紧凑性进一步增加。包括紧固到彼此的3个衬底的混合集成电路可以以主动或被动的方式自动组装，其因此降低制造成本。

根据第三实施例的光纤干涉测量系统可以针对两个、三个或N个光纤线圈干涉测量系统一般化，其中，N是高于或等于2的自然整数。

举例来说，图6示意性地示出了根据第三实施例的替代方式的三个环形光纤线圈和一个混合集成电路干涉测量系统。

相同参考标记表示类似于图4或5的元件的元件，特别地关于第一衬底1和第二衬底2上的集成光学元件。第二衬底2因此包括各自连接到U形光波导21、相应22和23的三个Y连接26、27和28。

在图6中，第三衬底3包括三对光波导31-32、相应33-34和35-36，其连接到第一光纤线圈6、相应第二光纤线圈7和第三光纤线圈8的端。源4被紧固或集成在第三衬底3上。在图6的示例中，源4被紧固在其中光纤线圈连接的第三衬底的一侧。第一探测器51、相应第二探测器52和第三探测器52被紧固到第三衬底3。第三衬底3还包括：第一波导源-接收机分离器耦合器41，其具有连接到源4的次级分支；另一次级分支，其连接到第一探测器51；以及共同分支，其连接到第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处的第一输入-输出光波导10的端。类似地，第三衬底3还包括：第二波导源-接收机分离器耦合器42，其具有连接到源4的次级分支；另一次级分支，其连接到第二探测器52；以及共同分支，其连接到第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处的第二输入-输出光波导17的端。最后，第三衬底3还包括：第三波导源-接收机分离器耦合器43，其具有连接到源4的次级分支；另一次级分支，其连接到第三探测器53；以及共同分支，其连接到第一衬底1与第三衬底3之间的界面50处的第三输入-输出光波导18的端。第一、相应地，第二和第三，源-接收机分离器耦合器41、相应地，42和43优选地是均匀功率分布1×2耦合器(表示1*2)，也被称为50％-50％耦合器。

有利地，第三衬底3还包括串联布置以将第一、第二和第三源-接收机分离器耦合器41、42和43的次级分支组合到连接到源4的单个分支中的两个Y连接耦合器46、47。Y连接耦合器46优选地是均匀功率分布1*2耦合器、或50％-50％耦合器。Y连接耦合器47优选地是33％-66％耦合器类型的1×2耦合器，使得来自每个线圈的信号的最大功率具有相同水平。

如图6所示，两个光波导在第三集成光学电路上的点44处垂直地彼此交叉。然而，在单模光波导中，90度交叉引起两个横向波导之间的无光学通信或干扰。

在图6所示的混合集成电路的示例性实施例中，第一铌酸锂衬底1具有8mm的长度L1、3mm的宽度W1和1mm的厚度，第二玻璃(SiO₂)衬底2具有6mm的长度L2、3mm的宽度W2和1.2mm的厚度，并且第三衬底3具有6mm的长度L3、3mm的宽度W3和1.2mm的厚度。总之，混合集成光学电路具有8+6+6＝20mm的总长度、3mm的宽度和约1.2mm的厚度。将源4和三个探测器51、52、53集成在混合集成光学电路上使进一步增加紧凑性和降低干涉测量系统的重量成为可能。包括紧固到彼此的3个衬底的混合集成电路可以以主动或被动的方式自动组装，其因此降低制造成本。

图7示意性地示出了根据本公开的另一实施例的直线型光纤萨格纳克干涉测量系统。图7的直线型光纤干涉测量系统适用于此类电流传感器。

相同参考标记表示类似于图1B和图3的元件的元件。系统包括源4、探测器5、源-接收机分离器45和混合集成光学电路200。类似于图3的混合集成光学电路200的混合集成光学电路200替换图1B的集成光学电路39。在示出的示例中，混合集成光学电路200包括由铌酸锂制成的第一衬底1和由光学玻璃(例如，硼硅酸盐)制成的第二衬底2。本文中的第一衬底1还包括：输入-输出光波导10；第一波导11，其提供有电极91；以及第二波导12，其提供有电极92。第二衬底2包括连接到波导Y连接26的共同分支的U形光波导21。

源-接收机分离器45由光纤49连接到混合集成光学电路200。更精确地，光纤49连接到第一衬底1上的输入-输出波导10的一端。光纤49是非偏振光纤。作为替代方式，光纤49是偏振并且与由铌酸锂衬底1包括的偏振器对准。

混合集成电路200在单模输入-输出波导10上接收源束100。输入-输出波导10使源束线偏振。U形光波导21是附加地过滤源束以便使其甚至更空间单模的空间单模滤波器。第二衬底2包括波导Y连接26。Y连接26在U形光波导21的一端接收引导源束并且将其分成沿着Y连接26的次级分支261传播的第一线偏振次级束121和沿着Y连接26的另一次级分支262传播的第二线偏振次级束122。次级分支261、另一次级分支262，的端分别在第一衬底1与第二衬底2之间的界面20处连接到相应第一波导11、第二波导12的一端。第一线偏振次级束121在第一波导11中传播，并且第二线偏振次级束122在第二波导12中传播。电极91和92分别地沿着第一波导11和第二波导12布置。

在与关于第二衬底2的界面20相对的第一衬底1的一侧，第一光波导11的端连接到光纤111的部分(section)。光纤111的该部分具有偏振保持类型。在图7所示的示例中，使用偏振保持光纤111的两个部分，其以光纤的两个部分的偏振轴之间的90度而焊接端到端焊接，以便使旋转轴旋转90度。作为替代方式，光纤111和112的部分在粘着时不同地布置在衬底1上，一个与PM光纤轴的快轴对准，并且另一个与PM光纤轴的慢轴对准。作为替代方式，第一线偏振光束121在光纤111的部分中传播，光纤111的该部分扭转布置以使其偏振轴旋转90度并且因此将其转换为另一线偏振光束123，但是在与束121成90度处。

在与关于第二衬底2的界面20相对的第一衬底1的一侧，第二光波导12的端连接到偏振保持光纤112的另一部分。优选地，光纤111和112的部分的端被布置在V形支撑(或V形槽)80中。第二线偏振光束122通过保持其偏振方向在光纤112的另一部分中传播。因此，第二线偏振束122以与另一线偏振束123成90度引导。

偏振分离器-组合器70将第二线偏振束122和另一线偏振光束123组合并且将其注入线偏振保持光纤67的部分中。

右圆偏振束133和左圆偏振束132分别地在光纤线圈66的前向方向上传播并且然后在反射镜77上反射，其中，束的偏振是反向的。然后，右圆偏振束142和左圆偏振束143在光纤线圈66的反向方向上传播并且由四分之一波片68转换为横向偏振的两个线偏振束。偏振分离器-组合器70分离两个横向线偏振状态并且将其中的一个引导到第一光波导11并且将另一个引导到第二光波导12。Y连接26重组具有两个交叉圆偏振的各自已经行进通过线圈的两个束并且形成干涉束300，该干涉束300在U形光波导21、输入-输出波导10、然后光纤49中传播到探测器5。

在该直线型萨格纳克干涉仪中，第一铌酸锂衬底和第二玻璃衬底的组合，第一衬底1包括偏振单模输入-输出波导10，并且波导11、12提供有电极，第二衬底包括单模U形光波导21，并且而且，在本文中，Y连接形成用于在U形光波导21中引导的束的分离器。将上文所指示的组件集成在混合集成电路中使得降低直线型萨格纳克干涉测量系统的体积同时允许源束和干涉测量束的单模和偏振滤波和行进通过光纤线圈的束的双折射调制成为可能。光纤的所有端被布置在混合集成电路200的相同侧。有利地，光纤的这些端被布置在紧固在混合集成电路的一侧的V形支撑(或V形槽)80中。V形支撑80是小体积的并且改进光纤关于混合集成电路的光波导的定位。

方法

本公开还提出一种用于环形或者直线型光纤干涉仪的干涉测量测量方法，包括以下步骤：

-发射源束100；

-使用如根据上文所提到的实施例中的一个所描述的混合集成电路将源束100注入第一衬底1的至少一个偏振输入-输出光波导10中；

-在第二衬底2的U形光波导21中引导并且单模过滤源束；

-将源束从U形光波导21透射到平面波导Y轴26的共同分支；

-将源束分成在Y连接26的次级分支中引导的第一和第二次级束；

-将第一、第二次级束分别从相应的Y连接的第一、第二次级分支透射到第一衬底1的相应的第一、第二光波导；

-将第一第二次级束分别从相应的Y连接的第一、第二次级分支透射到光纤线圈的至少一端；

-分别在第一衬底1的第一、第二光波导上的光纤线圈中的传播之后，接收两个次级束；

-在Y连接26中形成干涉测量束；

-在第二衬底2的U形光波导21中引导并且单模过滤干涉测量束；

-探测干涉测量束。

方法使组合多个功能可能：单模和偏振滤波、光束的分离和重组、借助于小体积、低重量和降低的制造成本的单个平面混合集成电路的相位调制。

Claims (13)

1.一种包括光源(4)、探测系统(5,51,52,53)和至少一个光纤线圈(6)的环形或直线型光纤萨格纳克干涉仪，

其特征在于，其包括：

-混合集成光学电路(200)，其包括至少由电光材料制成的第一平面衬底(1)和由透明材料制成的第二平面衬底(2)，所述第一衬底(1)和所述第二衬底(2)具有两个相邻侧之间的共同界面(20)；

-所述第一衬底(1)，其包括输入-输出光波导(10)，其连接到所述光源(4)和所述探测系统(5)；一对其他光波导，其包括第一光波导(11)和第二光波导(12)，所述第一光波导(11)和所述第二光波导(12)被连接到所述光纤线圈(6)的至少一端(61,62,611)；电光调制系统，其包括沿着所述第一光波导(11)和/或所述第二光波导(12)布置的至少一个电极(91,92)；

-所述第二衬底(2)，其包括至少一个U形光波导(21)；

-所述混合集成光学电路(200)，其包括具有共同分支(160,260)、两个次级分支(161,261,162,262)的平面波导Y连接(26,166)；

-所述第一衬底(1)和所述第二衬底(2)以这样的方式布置：所述U形光波导(21)的一端与所述输入-输出光波导(10)的一端对准，并且所述U形光波导(21)的另一端与所述Y连接(26,166)的共同分支(160,260)对准，所述Y连接(26,166)的两个次级分支(161,261,162,262)中的每一个分别与所述一对其他光波导中的一个光波导(11,12)的一端对准。

2.根据权利要求1所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述Y连接(166)被形成在所述第一衬底(1)上。

3.根据权利要求1所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述Y连接(26)被形成在所述第二衬底(2)上。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述U形光波导(21)展现关于第二衬底的至少0.05的折射率的差。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述U形光波导(21)具有小于或等于1mm的曲率半径。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的环形光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述第一光波导(11)连接到所述光纤线圈(6)的第一端(61)，并且所述第二光波导(12)连接到所述光纤线圈(6)的第二端(62)。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的环形光纤萨格纳克干涉仪，包括：N个光纤线圈(7,8)，其中，N是高于或等于二的自然整数；所述第一衬底(1)，其包括N个输入-输出光波导(10,17,18)；N对其他光波导(11,12,13,14,15,16)，所述N对其他光波导(11,12,13,14,15,16)中的每个波导连接到所述N个光纤线圈(7)中的一者的一个不同端(61,62,71,72,81,82)；所述电光调制系统，其包括至少N个电极(91,92,93,94,95,96)，所述至少N个电极中的每一个沿着所述N对其他光波导(11,12,13,14,15,16)中的一个波导而布置；

-所述第二衬底，其包括N个U形光波导(21,22,23)；

-所述混合集成光学电路(200)，其包括N个平面波导Y连接(26,166,27,28)，所述N个Y连接中的每个Y连接具有共同分支和两个次级分支；

-所述第一衬底(1)和所述第二衬底(2)以这样的方式布置：每个U形光波导(21,22,23)中的一端与所述N个输入-输出光波导(10,17,18)中的一个的一端对准，每个U形光波导(21,22,23)的另一端与所述N个Y连接(26,166,27,28)中的一个的共同分支对准，所述N个Y分支(26,166,27,28)中的两个次级分支中的每一个与所述N对其他光波导(13,14,15,16,17,18)中的一个波导的一端对准。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述混合集成光学电路(200)还包括由透明材料制成的第三平面衬底(3)；所述第三衬底(3)和所述第一衬底(1)具有两个相邻侧之间的另一共同界面(50)；所述第三衬底(3)，其包括多个光波导；在另一界面(50)上的第一衬底的光波导的每端连接到所述第三衬底的光波导的一端。

9.根据权利要求8所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述第三衬底集成所述光源(4)和至少一个探测器(51)。

10.根据权利要求8和9所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中：

-所述探测系统包括N个探测器(51,52,53)。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，包括N个光源(4)。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述第一衬底(1)由在铌酸锂、磷化铟、砷化镓和铝砷化镓中间选择的材料形成。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的光纤萨格纳克干涉仪，其中，所述第二衬底(2)由在光学玻璃、氮化硅、绝缘体上硅和硅基二氧化硅中间选择的材料形成。

Images