CN113280803A - 一种敏感单元及光学陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种敏感单元及光学陀螺仪。所述敏感单元,包括:相位调制芯片和波导谐振腔芯片,所述相位调制芯片的输出端与所述波导谐振腔芯片的输入端接触连接,本发明降低了敏感单元的体积,从而减小了光学陀螺仪的体积。

Description

一种敏感单元及光学陀螺仪
技术领域
本发明涉及光学陀螺技术领域,特别是涉及一种敏感单元及光学陀螺仪。
背景技术
光学陀螺仪和加速度计是构成惯性导航系统的核心装置,通常一套惯性测量装置包含三组光学陀螺仪和加速度计,分别测量三个自由度的角加速度和线加速度,通过对传感器所采集到的数据进行处理分析,得到物体在空间位置中的运动方向和速度,结合惯性导航系统内的运动轨迹的设定,实现对航向和速度进行修正以实现导航功能。其中惯性导航系统在各个领域有着广泛的应用,在近期的发展中,惯性导航系统在自动驾驶定位中有着较好的前景,通过与GPS相结合能够填补GPS的局限性,实现更高精度的定位,提高安全性,作为第二代陀螺仪,光学陀螺仪发挥着重要的作用。
现有的谐振式集成光学陀螺仪的敏感单元由分立器件Y波导相位调制器、波导谐振腔通过光纤尾纤连接组成,由于分立元件与光纤尾纤封装在一起,导致敏感单元的体积较大不方便使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种敏感单元及光学陀螺仪,实现了光学陀螺仪的集成化,从而减小了光学陀螺仪的体积。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种敏感单元,包括:相位调制芯片和波导谐振腔芯片,所述相位调制芯片的输出端与所述波导谐振腔芯片的输入端接触连接。
可选的,所述波导谐振腔芯片包括:芯片和刻蚀在所述芯片上的波导耦合器模块和谐振腔,所述波导耦合器模块的输入端与所述相位调制芯片的输出端连接,所述波导耦合器模块的输出端与所述谐振腔的输入端连接。
可选的,所述波导耦合器模块包括:第一波导耦合器和第二波导耦合器,所述第一波导耦合器的输入端与所述相位调制芯片的上调制臂连接,所述第一波导耦合器的输出端与所述谐振腔的第一输入端连接;所述第二波导耦合器的输入端与所述相位调制芯片的下调制臂连接;所述第二波导耦合器的输出端与所述谐振腔的第二输入端连接。
可选的,所述接触连接的方式为片上耦合或端面耦合。
可选的,所述谐振腔的材料为硅基材料。
一种光学陀螺仪,包括激光器、探测器模块和上述所述的敏感单元;
所述激光器与所述敏感单元中相位调制芯片的输入端连接,所述敏感单元中波导谐振腔芯片的输出端与所述探测器模块的输入端连接。
可选的,所述探测器模块包括第一探测器和第二探测器,所述第一探测器的输入端与所述波导谐振腔芯片的第一输出端连接;所述第二探测器的输入端与所述波导谐振腔芯片的第二输出端连接。
可选的,所述激光器、所述探测器模块和所述敏感单元之间接触连接。
可选的,所述光学陀螺仪,还包括:基底,所述激光器、所述探测器模块和所述敏感单元均设置在所述基底上。
可选的,所述激光器为可调谐窄线宽激光器。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明通过设置相位调制芯片和波导谐振腔芯片接触连接,不仅减小了现有相位调制器和谐振腔的体积,而且无需使用光纤尾纤连接,降低了集成光学陀螺的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的敏感单元的结构图;
图2为本发明实施例提供的光学陀螺仪的结构图。
符号说明:
A-Y波导相位调制芯片的输入端,B-波导谐振腔芯片的第一输出端,C-波导谐振腔芯片的第二输出端,1-激光器,2-Y波导相位调制芯片的上调制臂,3-Y波导相位调制芯片的下调制臂,4-第一波导耦合器,5-第二波导耦合器,6-谐振腔,7-第一探测器,8-第二探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种敏感单元,如图1所示,所述敏感单元包括:相位调制芯片和波导谐振腔芯片,所述相位调制芯片的输出端与所述波导谐振腔芯片的输入端通过芯片上的波导接触连接。
作为一种可选的实施方式,所述波导谐振腔芯片包括:芯片和刻蚀在所述芯片上的波导耦合器模块和谐振腔6,所述波导耦合器模块的输入端与所述相位调制芯片的输出端A通过芯片上的波导连接,所述波导耦合器模块的输出端与所述谐振腔6的输入端连接。
作为一种可选的实施方式,所述相位调制芯片为Y波导相位调制芯片,Y波导相位调制芯片的输入端A为输入光端面,设计为连接光源;两个调制臂,Y波导相位调制芯片的上调制臂2具有一个端面,设计为连接波导谐振腔芯片的其中一个输入端面,可以采用层间耦合或端面对接的方式进行耦合集成;Y波导相位调制芯片的下调制臂3具有一个端面,设计为连接波导谐振腔芯片的另一个输入端面。波导谐振腔芯片设计为四个端面,同侧端面被设计为连接Y波导相位调制芯片调制臂的输出端面,另一侧两个端口(波导谐振腔芯片的第一输出端B,波导谐振腔芯片的第二输出端C)被设计为连接光电探测器的输入端面。
作为一种可选的实施方式,所述波导耦合器模块包括:第一波导耦合器4和第二波导耦合器5,所述第一波导耦合器4的输入端与所述相位调制芯片的上调制臂连接,所述第一波导耦合器4的输出端与所述谐振腔6的第一输入端连接;所述第二波导耦合器5的输入端与所述相位调制芯片的下调制臂连接。所述第二波导耦合器5的输出端与所述谐振腔6的第二输入端连接。
作为一种可选的实施方式,Y波导相位调制芯片可以采用铌酸锂晶体材料,铌酸锂具有良好的线性电光效应,可以实现对传输光的线性调制。
作为一种可选的实施方式,谐振腔为波导环形谐振腔。
作为一种可选的实施方式,所述接触连接为通过片上耦合(层间耦合)或端面耦合的方式实现的。
作为一种可选的实施方式,所述谐振腔的材料为硅基材料,由于硅基材料在光电子集成领域应用广泛,谐振腔可以采用硅基材料进行制作,例如硅,氮化硅等。其中当谐振腔采用硅材料时,由于硅的折射率较大,与包层易实现较大的折射率差,其尺寸可以进一步减小。当谐振腔采用氮化硅材料时,由于氮化硅的低损耗,能够使整个集成芯片的损耗降低,提高陀螺性能。
作为一种可选的实施方式,在进行波导相位调制芯片与波导谐振腔芯片的集成中,可以采用层间耦合的方式,将由铌酸锂薄膜制备的Y波导相位调制芯片的调制臂与锥形耦合器相连,通过分子力键合在硅基波导谐振腔芯片的输入端,实现输入光通过波导传输。或者可以利用铌酸锂体材料制备Y波导相位调制芯片的调制臂,通过端面对接的方式与硅基波导谐振腔芯片的输入端耦合,将由Y波导相位调制芯片分束的输入光耦合进波导谐振腔芯片中,同时利用同样的集成方式将Y波导相位调制芯片与波导耦合芯片集成在一起,实现集成敏感单元芯片的制备。
本实施例提供的敏感单元的具体工作过程为:
输入光可以通过Y波导相位调制芯片的输入端A端面耦合进入集成芯片,通过Y波导相位调制芯片分束,其中一束光经过Y波导相位调制芯片的上调制臂2,通过对其施加三角波信号实现调制以及载波抑制,抑制背向散射光,然后输出光通过第一波导耦合器4耦合进入谐振腔6其中一端面内,经过第一波导耦合器4后在谐振腔6中沿顺时针方向传输,通过波导谐振腔芯片的第一输出端B输出。另一束光经过Y波导相位调制芯片的下调制臂3,同样对其施加三角波信号实现调制以及载波抑制,抑制背向散射光,然后输出光通过第二波导耦合器5进入谐振腔6另一端面内,经过第二波导耦合器5后在谐振腔6中沿逆时针方向传输,最后波导谐振腔芯片的第二输出端C输出。其中该波导芯片均设计为支持单模模式,且Y波导相位调制芯片可设计为具有高偏振消光比的相位调制芯片,实现集成芯片的制作与功能。
本实施例还提供了一种光学陀螺仪,如图2所示所述光学陀螺仪,包括激光器1、探测器模块和上述所述的敏感单元。
所述激光器1与所述敏感单元中相位调制芯片的输入端连接,所述敏感单元中波导谐振腔芯片的输出端与所述探测器模块的输入端连接。
作为一种可选的实施方式,所述探测器模块包括第一探测器7和第二探测器8,所述第一探测器7的输入端与所述波导谐振腔芯片的第一输出端B连接;所述第二探测器8的输入端与所述波导谐振腔芯片的第二输出端C连接。
本实施例提供的陀螺仪的工作过程为:
激光器1输出的光通过Y波导相位调制芯片进行调制并分为两路,一路通过Y波导相位调制芯片的上调制臂2输出光,通过第一波导耦合器4耦合进入谐振腔6,激光满足谐振腔6的谐振条件并在谐振腔6中沿顺时针方向传输,而后通过第一探测器7将光信号转换为电信号。另一路通过Y波导相位调制芯片的下调制臂3输出的光通过第二波导耦合器5耦合进入谐振腔6,激光满足谐振腔6的谐振条件并在谐振腔6中沿逆时针方向传输,而后通过第二探测器8将光信号转换为电信号后进入到信号处理装置。
作为一种可选的实施方式,所述光学陀螺仪,还包括:基底,所述激光器1、所述探测器模块和所述敏感单元均设置在所述基底上。
作为一种可选的实施方式,所述激光器1为可调谐窄线宽激光器,其中窄线宽激光器可采用微环谐振腔芯片结构,利用III-V族半导体材料实现增益,低损耗氮化硅作为微环谐振器输出激光,其中III-V族半导体与低损耗氮化硅微环谐振器进行端面耦合集成,构成可集成窄线宽激光器。
作为一种可选的实施方式,所述第一探测器7和第二探测器8为光电探测器,光电探测器主要由III-V族InGaAs探测器组成,其中高质量III-V族材料在光纤通信的宽波段内具有较大的吸收系数,可集成制备出高性能的探测器,在光电子集成芯片和光互连领域发挥重要的作用。
作为一种可选的实施方式,激光器1包括:增益区以及微环谐振器,其中微环谐振器包括输出端面,与Y波导相位调制芯片层间耦合。
作为一种可选的实施方式,所述激光器1、所述探测器模块和所述敏感单元之间接触连接,可以通过端面耦合的形式形成公共基底的混合集成芯片的陀螺仪和通过片上耦合的形式形成具有同一衬底的扩展集成芯片的陀螺仪。
公共基底的混合集成芯片的陀螺仪具体为:激光器1输出端利用端面耦合与Y波导相位调制芯片的输入端A相连,激光通过敏感单元芯片,波导谐振腔芯片的第一输出端B与第一探测器7端面耦合,波导谐振腔芯片的第二输出端C与第二探测器8端面耦合,形成公共基底的混合集成芯片的陀螺仪,采用不同功能芯片的端面耦合方法进行各组件的混合集成,构成混合集成芯片的陀螺仪,集成在公共基底的芯片上的谐振式集成光学陀螺有效的减小了体积,增强了陀螺的传输以及耦合特性。
本实施例提供的公共基底的混合集成芯片的陀螺仪的工作过程具体为:
窄线宽激光器产生激光由微环谐振器一端输出,通过与Y波导相位调制芯片端对端耦合进入敏感单元集成芯片,通过Y波导相位调制芯片分束,其中一束光经过Y波导相位调制芯片的上调制臂2输出端面耦合进入波导谐振腔芯片第一端面内,经过第一波导耦合器4后在谐振腔6中沿顺时针方向传输,通过波导谐振腔芯片的第一输出端B输出;另一束光经过Y波导相位调制芯片的下调制臂3输出端面耦合进入波导谐振腔芯片第二端面内,经过第二波导耦合器5后在谐振腔6中沿逆时针方向传输,最后波导谐振腔芯片的第二输出端C输出。该波导谐振腔芯片两端面与光电探测器端对端耦合,即波导与光电探测器吸收层对准,使光直接从波导进入填充物器的吸收层,实现光的探测,输出光通过波导谐振腔芯片耦合进入光电探测器中,实现光信号探测,完成谐振式集成光学陀螺。
具有同一衬底的扩展集成芯片的陀螺仪具体为,激光器1输出端与Y波导相位调制芯片的输入端A采用片上耦合,激光通过敏感单元芯片,波导谐振腔芯片的第一输出端B与第一探测器7片上耦合,波导谐振腔芯片的第二输出端C与第二探测器8片上耦合(层间耦合或垂直耦合),形成具有同一衬底的扩展集成芯片的陀螺仪,将敏感单元与激光器,探测器利用片上集成工艺集成在同一衬底上,实现单片扩展集成芯片。
本实施例提供的具有同一衬底的扩展集成芯片的陀螺仪的工作过程具体为:
窄线宽激光器产生激光由微环谐振器一端输出,通过与Y波导相位调制芯片层间耦合进入敏感单元集成芯片,通过Y波导相位调制芯片分束,其中一束光经过Y波导相位调制芯片的上调制臂2输出,端面耦合进入第一波导耦合器4后在谐振腔6中沿顺时针方向传输,通过波导谐振腔芯片的第一输出端B输出;另一束光经过Y波导相位调制芯片的下调制臂3输出,端面耦合进入第二波导耦合器5后在谐振腔6中沿逆时针方向传输,最后波导谐振腔芯片的第二输出端C输出。该波导谐振腔芯片与光电探测器层间耦合或垂直耦合,输出光通过波导谐振腔芯片耦合进入光电探测器中,实现光信号探测,完成谐振式集成光学陀螺。
本实施例有如下技术效果:
1、本实施例中由Y波导相位调制芯片、波导谐振腔芯片构成的敏感单元作为光学陀螺核心部分。并且进一步提出了利用波导之间的连接构成混合式集成光学陀螺,即利用不同功能芯片间的层间耦合或端面对接等方法进行各组件的集成。同时利用片上耦合工艺如层间耦合将可以将集成芯片与激光器,探测器集成在公共衬底上实现同一衬底混合集成,形成扩展集成芯片,进一步提高集成度。用于谐振式集成光学陀螺敏感单元的集成芯片显著的降低了光学陀螺仪的尺寸、重量和成本,实现了高度集成化和小型化,可以批量化生产并广泛应用于各个领域,尤其在军用及商用领域具有显著优势。
2、谐振式光学陀螺仪利用波导环形谐振腔芯片代替干涉式光学陀螺中光纤环,结合Y波导相位调制芯片构成集成光学陀螺敏感单元,其中波导环形谐振腔芯片在集成光学器件中有着广泛应用,利用微纳工艺可以实现将波导环形谐振腔芯片与光学陀螺其他组件进行高度集成,在陀螺小型化和集成化方面发挥着巨大的优势。
3、由于传统采用分立元件与光纤尾纤封装在一起形成的光学陀螺光路方案,即使各个分立器件均选取最佳性能的器件也难以避免器件在封装时与光纤产生的模场失配,引起端面背向反射,同时会增加插入损耗,降低陀螺的性能,同时分立器件通过光纤尾纤进行连接会增大陀螺的整体体积与重量,减小了光学陀螺的适用范围,增加了成本。采用集成光学陀螺方案,将光学陀螺所需的各有源/无源组件利用微纳加工集成在同一芯片上,避免了光纤尾纤带来的损耗,能够极大地减小陀螺的体积与重量,利于批量生产,减少成本,在各个领域应用广泛。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种敏感单元,其特征在于,包括:相位调制芯片和波导谐振腔芯片,所述相位调制芯片的输出端与所述波导谐振腔芯片的输入端接触连接。
2.根据权利要求1所述的一种敏感单元,其特征在于,所述波导谐振腔芯片包括:芯片和刻蚀在所述芯片上的波导耦合器模块和谐振腔,所述波导耦合器模块的输入端与所述相位调制芯片的输出端连接,所述波导耦合器模块的输出端与所述谐振腔的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种敏感单元,其特征在于,所述波导耦合器模块包括:第一波导耦合器和第二波导耦合器,所述第一波导耦合器的输入端与所述相位调制芯片的上调制臂连接,所述第一波导耦合器的输出端与所述谐振腔的第一输入端连接;所述第二波导耦合器的输入端与所述相位调制芯片的下调制臂连接;所述第二波导耦合器的输出端与所述谐振腔的第二输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种敏感单元,其特征在于,所述接触连接的方式为片上耦合或端面耦合。
5.根据权利要求2所述的一种敏感单元,其特征在于,所述谐振腔的材料为硅基材料。
6.一种光学陀螺仪,其特征在于,包括激光器、探测器模块和如权利要求1-5中任意一项所述的敏感单元;
所述激光器与所述敏感单元中相位调制芯片的输入端连接,所述敏感单元中波导谐振腔芯片的输出端与所述探测器模块的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种光学陀螺仪,其特征在于,所述探测器模块包括第一探测器和第二探测器,所述第一探测器的输入端与所述波导谐振腔芯片的第一输出端连接;所述第二探测器的输入端与所述波导谐振腔芯片的第二输出端连接。
8.根据权利要求6所述的一种光学陀螺仪,其特征在于,所述激光器、所述探测器模块和所述敏感单元之间接触连接。
9.根据权利要求6所述的一种光学陀螺仪,其特征在于,还包括:基底,所述激光器、所述探测器模块和所述敏感单元均设置在所述基底上。
10.根据权利要求6所述的一种光学陀螺仪,其特征在于,所述激光器为可调谐窄线宽激光器。
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