CN114993284A - 一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件 - Google Patents

一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，涉及陀螺仪领域。包括壳体，壳体内设置有硅基光波导芯片，硅基光波导芯片上设置有若干平行的U形波导，且若干U形波导的输入端通过分束器连接有公共输入保偏光纤；硅基光波导芯片的输出端连接有铌酸锂芯片；铌酸锂芯片上设置有与U形波导数量对应的若干Y波导，U形波导的输出端与Y波导的输入端一一对应连接，Y波导的两个输出端均连接有输出保偏光纤。本发明通过硅基光波导芯片、铌酸锂芯片以及信号转接板等光学器件封装在一个壳体内，将光纤陀螺仪的光学器件整合，有效减少体积和重量，从而满足小型化、轻量化系统的使用需求。

Description

一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件
技术领域
本发明涉及陀螺仪领域，具体涉及一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件。
背景技术
光纤陀螺仪是一种全固态惯性仪表，它具有传统机电仪表所不具备的优点。它是由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺仪，没有任何运动部件。光纤陀螺仪拥有着全固态、长寿命以及高可靠性的特点，广泛用于许多应用领域。
现有的冗余型多轴光纤陀螺仪通常采用双光源方案或单光源方案，光学器件（不包括光纤环）的数量都较多，较多的光学器件导致尾纤多、熔点多，以双光源的四轴光纤陀螺仪为例，光路中包含了16只光学器件、46根尾纤、和22个熔点，极大的增加了装配工艺的难度。公开号为CN109612452A的《用于三轴光纤陀螺的硅基-LN基混合集成光学芯片》发明专利公开了一种用于三轴光纤陀螺仪的混合集成光学芯片，将用于三轴光纤陀螺仪的光学器件集成，但是，该方案具有以下缺点：1、该方案的硅基芯片的第1耦合器、第2耦合器的探测器输出端与第3耦合器的光源输入端交叉，出现了光串扰问题，影响了陀螺仪的精度；2、该方案光源输入光在混合集成芯片的左侧、Y波导输出光在混合集成芯片的右侧，器件两侧均甩出尾纤；然而，在陀螺装配过程中，光学器件的尾纤通常必须保证弯曲半径不小于2cm，这增加了器件的实际体积；3、该方案的光源输入光方向与耦合器、Y波导的输出光方向平行，光源杂散光容易重新耦合进入耦合器或Y波导中，陀螺光路受到杂散光干扰，降低了陀螺仪精度。4、该方案无法实现冗余型四轴光纤陀螺的一体化集成。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种体积小、集成程度高且装配难度低的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，包括壳体，壳体内设置有硅基光波导芯片，硅基光波导芯片上设置有若干平行的U形波导，且若干U形波导的输入端通过分束器连接有公共输入保偏光纤；
硅基光波导芯片的输出端连接有铌酸锂芯片；铌酸锂芯片上设置有与U形波导数量对应的若干Y波导，U形波导的输出端与Y波导的输入端一一对应连接，Y波导的两个输出端均连接有输出保偏光纤。
进一步的，U形波导上设置有2×2耦合器，2×2耦合器通过硅基波导连接有废端和探测器；硅基波导、废端和探测器均设置在硅基光波导芯片上；壳体内设置有用于转接探测器的输出信号和Y波导的调制信号的信号转接板组；壳体内还设置有与信号转接板组连接的若干信号管脚，且信号管脚的数量不少于光纤陀螺轴数的4倍。
进一步的，U形波导的数量与陀螺仪的轴的数量一致。
进一步的，硅基光波导芯片上设置有探测器贴片凹坑，探测器粘在探测器贴片凹坑中，且硅基波导对准探测器的光敏面中心，探测器的四周与探测器贴片凹坑的四周留有均匀的间隙。
进一步的，探测器贴片凹坑的外侧设置有跑道型杂散光隔离沟槽，跑道型杂散光隔离沟槽设置有供硅基波导穿过的通光窗口。
进一步的，探测器的光敏面中心和硅基波导设置有倾斜角度α，且α∈[4°，6°]。
进一步的，废端包括设置在硅基光波导芯片上的废端凹坑，废端凹坑内填充有黑色吸光材料。
进一步的，废端凹坑为圆形，废端凹坑的直径为100-300um，深度为10-100um。
进一步的，公共输入保偏光纤穿入壳体的侧壁和输出保偏光纤穿出壳体的侧壁为同一侧壁。
进一步的，硅基光波导芯片的输入端设置有硅V型槽尾纤支座，公共输入保偏光纤通过硅V型槽尾纤支座接入硅基光波导芯片；铌酸锂芯片的输出端设置有硅V型槽多通道尾纤阵列，所有输出保偏光纤均通过硅V型槽多通道尾纤阵列与铌酸锂芯片连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过将硅基光波导芯片、铌酸锂芯片以及信号转接板等光学器件封装在一个壳体内，实现光纤陀螺仪的光学器件整合，有效减少体积和重量，从而满足小型化、轻量化系统的使用需求。本发明能够灵活运用于两轴、三轴或四轴光纤陀螺仪，并且将多轴光纤陀螺仪的尾纤数量控制到一条公共输入保偏光纤加上两倍于轴数量的输出保偏光纤，极大的减少了尾纤数量，从而有效地降低了熔点保护难度，提升了光纤陀螺光路的可靠性。
2、整个集成光学器件内元件少，具有低功耗、低发热量的特点；在硅基光波导芯片上设置的相互平行的U形波导避免了光波导的交叉干扰，同时，设置的废端以及跑道型杂散光隔离沟槽能够有效降低光源杂散光干扰，使得本集成光学器件具有较高的稳定性，具备优质的工程实用性。
附图说明
图1为本发明的内部结构示意图；
图2为探测器贴片凹坑的结构示意图。
其中，1、壳体；2、公共输入保偏光纤；3、硅基光波导芯片；4、U形波导；5、铌酸锂芯片；6、Y波导；7、输出保偏光纤；8、2×2耦合器；9、废端；10、探测器；11、探测器贴片凹坑；12、硅基波导；14、跑道型杂散光隔离沟槽；15、通光窗口；16、硅V型槽尾纤支座；17、硅V型槽多通道尾纤阵列；18、第一信号转接板；19、第二信号转接板；20、第三信号转接板；21、信号管脚。
具体实施方式
下面对本发明的具体 实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种四轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，本发明的其他实施例中，还可以为二轴或三轴等。其包括壳体1，壳体1内设置有硅基光波导芯片3，硅基光波导芯片3上设置有四个平行的U形波导4，且四个U形波导4的输入端通过分束器连接有公共输入保偏光纤2；
硅基光波导芯片3的输出端连接有铌酸锂芯片5；铌酸锂芯片5上设置有四个Y波导6，且四个Y波导6之间间距相等；四个U形波导4的输出端与四个Y波导6的输入端一一对应连接，Y波导6的两个输出端均连接有输出保偏光纤7，输出保偏光纤7穿出壳体1；硅基光波导芯片3的宽度大于铌酸锂芯片5的宽度至少2mm，且硅基光波导芯片3与铌酸锂芯片5的厚度一致。
U形波导4上设置有2×2耦合器8，2×2耦合器8设置在U形波导4的底部即图1中U形波导4的竖直部分上，2×2耦合器8通过硅基波导12连接有废端9和探测器10；硅基波导12、废端9和探测器10均设置在硅基光波导芯片3上；壳体1内设置有用于转接探测器10的输出信号和Y波导6的调制信号的信号转接板组；四个U形波导4从左到右依次为1通道、2通道、3通道和4通道；信号转接板组包括用于转接2、3通道上探测器10的输出信号的第一信号转接板18、用于转接1、2通道上Y波导6的调制信号的第二信号转接板19以及用于转接1、4通道上探测器10的输出信号和3、4通道上Y波导6的调制信号的第三信号转接板20；第一信号转接板18和第三信号转接板20的厚度与硅基光波导芯片3的厚度相同；第二信号转接板19的比第一信号转接板18薄0.2mm，能够在高度上避开输入光纤；
壳体1内还设置有与信号转接板组连接的十六个信号管脚21，将图1中上方的八个信号管脚21从左到右依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#，将图1中下方的八个信号管脚21从左到右依次编号为9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#和16#，其中1#、2#、3#和4#信号管脚21与第一信号转接板18通过金丝连接；5#、6#、7#和8#信号管脚21与第二信号转接板19通过金丝连接；9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#和16#信号管脚21与第三信号板20通过金丝连接。
硅基光波导芯片3上设置有探测器贴片凹坑11，探测器10粘在探测器贴片凹坑11中，且硅基波导12对准探测器10的光敏面中心，探测器10的四周与探测器贴片凹坑11的四周留有均匀的间隙，间隙的宽度为10-30um。
探测器贴片凹坑11的外侧设置有跑道型杂散光隔离沟槽14，跑道型杂散光隔离沟槽14的宽度为20-50um、深度10-100um，跑道型杂散光隔离沟槽14设置有供硅基波导12穿过的通光窗口15。
探测器10的光敏面中心和硅基波导12设置有倾斜角度α，且α∈[4°,6°]。
废端9包括设置在硅基光波导芯片3上的废端凹坑，废端凹坑内填充有黑色吸光材料。
废端凹坑为圆形，废端凹坑的直径为100-300um，深度10-100um。废端凹坑中填充有黑色吸光材料吸收废端9的光能量。
硅基光波导芯片3的光波导介质为氮化硅；铌酸锂芯片5的光波导介质为退火质子交换铌酸锂。硅基光波导芯片3的两侧设置有78°-80°的研磨角，铌酸锂芯片5的两侧设置有79°-81°的研磨角。
公共输入保偏光纤2穿入壳体1的侧壁和输出保偏光纤7穿出壳体1的侧壁为同一侧壁。
硅基光波导芯片3的输入端设置有硅V型槽尾纤支座16，公共输入保偏光纤2通过硅V型槽尾纤支座16接入硅基光波导芯片3；铌酸锂芯片5的输出端设置有硅V型槽多通道尾纤阵列17，所有输出保偏光纤7均通过硅V型槽多通道尾纤阵列17与铌酸锂芯片5连接。硅V型槽多通道尾纤阵列17的两侧设置有74°-76°的研磨角。
硅基光波导芯片3的右侧端面、铌酸锂芯片5的左端面和右端面、硅V型槽尾纤支座16的通光端面以及硅V型槽多通道尾纤阵列17的通光端面均进行抛光。

Claims (10)

1.一种多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设置有硅基光波导芯片，所述硅基光波导芯片上设置有若干平行的U形波导，且若干所述U形波导的输入端通过分束器连接有公共输入保偏光纤；
所述硅基光波导芯片的输出端连接有铌酸锂芯片；所述铌酸锂芯片上设置有与U形波导数量对应的若干Y波导，所述U形波导的输出端与Y波导的输入端一一对应连接，所述Y波导的两个输出端均连接有输出保偏光纤。
2.根据权利要求1所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述U形波导上设置有2×2耦合器，所述2×2耦合器通过硅基波导连接有废端和探测器；所述硅基波导、废端和探测器均设置在硅基光波导芯片上；所述壳体内设置有用于转接探测器的输出信号和Y波导的调制信号的信号转接板组；所述壳体内还设置有与信号转接板组连接的若干信号管脚，且所述信号管脚的数量不少于光纤陀螺轴数的4倍。
3.根据权利要求1所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述U形波导的数量与陀螺仪的轴的数量一致。
4.根据权利要求2所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述硅基光波导芯片上设置有探测器贴片凹坑，所述探测器固定在探测器贴片凹坑中，且所述硅基波导对准探测器的光敏面中心，所述探测器的四周与探测器贴片凹坑的四周留有均匀的间隙。
5.根据权利要求4所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述探测器贴片凹坑的外侧设置有跑道型杂散光隔离沟槽，所述跑道型杂散光隔离沟槽设置有供硅基波导穿过的通光窗口。
6.根据权利要求4所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述探测器的光敏面中心和硅基波导设置有倾斜角度α，且α∈[4°，6°]。
7.根据权利要求2所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述废端包括设置在硅基光波导芯片上的废端凹坑，所述废端凹坑内填充有黑色吸光材料。
8.根据权利要求7所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述废端凹坑为圆形，所述废端凹坑的直径为100-300um，深度为10-100um。
9.根据权利要求1所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述公共输入保偏光纤穿入壳体的侧壁和输出保偏光纤穿出壳体的侧壁为同一侧壁。
10.根据权利要求1所述的多轴一体化光纤陀螺仪用混合集成光学器件，其特征在于，所述硅基光波导芯片的输入端设置有硅V型槽尾纤支座，所述公共输入保偏光纤通过硅V型槽尾纤支座接入硅基光波导芯片；所述铌酸锂芯片的输出端设置有硅V型槽多通道尾纤阵列，所有所述输出保偏光纤均通过硅V型槽多通道尾纤阵列与铌酸锂芯片连接。
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GR01 Patent grant
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