CN115727832A - 一种基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，包括外壳、光纤阵列组件、基板、铌酸锂薄膜集成光学芯片和光电组件板；光电组件板包括超辐射发光二极管、PD探测器、MPD探测器；铌酸锂薄膜集成光学芯片上安装三个耦合器、两组阵列Y波导及阵列调制器电极，三个耦合器形成两级串联结构，将输入光波能量一分为四，其输入支路接超辐射发光二极管，一条输出支路接MPD探测器以监控入射光波能量，其余三条输出支路经两个阵列Y波导与阵列调制器电极连接用于三轴陀螺的信号探测；第一阵列Y波导与PD探测器连接；光纤阵列组件与阵列调制器电极连接。本方案实现了三轴光纤陀螺的单器件高度集成，且熔接点少，提高了生产效率。

Description

一种基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件

技术领域

本发明属于光纤传感应用领域，具体涉及一种基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件。

背景技术

光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的角速度光纤传感器，具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小等优点。

传统单轴光纤陀螺仪的组成包括光源、3dB耦合器、Y波导调制器、光纤环和PD探测器，器件与器件之间通过光纤熔接来连接，对于三轴陀螺系统，在公用一个光源的情况下，至少需要3个耦合器、3个Y波导调制器和3个PD探测器，装配成三轴光纤陀螺系统，至少需要固定10个光器件和3个光纤环，进行13次光纤熔接，且每次熔接都会给光路引入损耗。这就导致装配工艺复杂、系统损耗大、三轴陀螺系统无法做到小型化。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种高度集成的、熔接点少且体积小的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件。

技术方案：本发明包括外壳、光纤阵列组件、基板、铌酸锂薄膜集成光学芯片和光电组件板；所述光纤阵列组件、铌酸锂薄膜集成光学芯片和光电组件板均位于基板上，基板与外壳底面内相连；所述光电组件板包括超辐射发光二极管、PD探测器、转接板、MPD探测器，超辐射发光二极管、PD探测器和MPD探测器均安装在转接板上表面；所述铌酸锂薄膜集成光学芯片上安装第一耦合器、第二耦合器＝、第三耦合器、第一阵列Y波导、第二阵列Y波导及阵列调制器电极；所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器形成两级串联结构，用于将输入光波能量一分为四，该两级串联结构的输入支路连接超辐射发光二极管，其中一条输出支路连接MPD探测器，用于监控入射光波能量，其余三条输出支路通过第一阵列Y波导和第二阵列Y波导与阵列调制器电极连接，用于三轴陀螺的信号探测；所述第一阵列Y波导还与光电组件板上的PD探测器连接；所述光纤阵列组件通过多个波导与阵列调制器电极连接。

所述铌酸锂薄膜集成光学芯片上设置若干个端口，其中，第一端口至第六端口作为铌酸锂薄膜集成光学芯片与光纤阵列组件的连接端口，；第七端口至第九端口为铌酸锂薄膜集成光学芯片与三个PD探测器的连接端口，用于三轴陀螺信号解调；第十端口为光波入射端口，与超辐射发光二极管连接；第十一端口与MPD探测器连接，通过多个端口实现铌酸锂薄膜集成光学芯片与光纤阵列组件和光电组件板的连接。

所述铌酸锂薄膜集成光学芯片上的第一端口至第十一端口均位于芯片同侧，芯片划片后，仅需对芯片一个端面进行研磨抛光处理，大大提升了芯片生产测试效率。

所述光电组件板还包括TEC组件，转接板安装在TEC组件上，通过TEC控温实现超辐射发光二极管的稳定功率输出。

所述光纤阵列组件的光纤均为保偏光纤，且保偏光纤的慢轴方向与芯片波导的偏振方向偏差不超过±3°，能够保证光路的偏振特性。

所述光纤阵列组件端面与光纤的夹角、铌酸锂薄膜集成光学芯片上用于连接光纤阵列组件的波导与铌酸锂薄膜集成光学芯片端面的夹角相同，能够降低端面反射。

为了降低调制间串扰，所述阵列调制器电极的电极对之间间隙至少0.5mm。

所述转接板上铺设金层，用于光电组件板上元器件与外壳进行连接。

有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：(1)与传统技术相比，本发明将超辐射发光二极管、3dB耦合器、Y波导调制器和PD探测器四种类型器件集成在一个器件上，且通过光路弯折，在铌酸锂薄膜集成光学芯片上集成三组Y波导和三组调制器电极，实现了三轴光纤陀螺的单器件高度集成；(2)传统单轴光纤陀螺的封装，需要熔接5个点，单光源三轴光纤陀螺系统需要熔接13个点，而本方案，仅仅需要对FA光纤组件引出的6根尾纤进行熔接，大大简化了三轴光纤陀螺的生产装配，且熔接点的减少，降低了系统整体损耗；(3)铌酸锂薄膜集成光学芯片上的所有端口均位于芯片左侧，芯片划片后，仅需对芯片一个端面进行研磨抛光处理，大大提升了芯片生产测试效率。

附图说明

图1为器件内部封装示意图；

图2为光电组件板的结构示意图；

图3为铌酸锂薄膜集成光学芯片的结构示意图；

图4为器件与三轴光纤环连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明的三轴光纤陀螺集成器件包括外壳1、光纤阵列组件2、基板3、铌酸锂薄膜集成光学芯片4和光电组件板5五个部分，其中，光纤阵列组件2、铌酸锂薄膜集成光学芯片4和光电组件板5均位于基板3上，光电组件板5与铌酸锂薄膜集成光学芯片4通过银胶与基板3进行粘接。光纤阵列组件2与铌酸锂薄膜集成光学芯片4通过端面耦合进行连接，光电组件板5通过贴片对齐方式与铌酸锂薄膜集成光学芯片4进行连接。基板3与外壳1内底面相连。外壳1的引脚位于管壳两侧，铌酸锂薄膜集成芯片4、光电组件板5通过金丝键合与外壳1引脚进行连接。本实施例中，为了降低端面反射，光纤阵列组件2右端面与光纤夹角、铌酸锂薄膜集成光学芯片4上用于连接光纤阵列组件2的波导与铌酸锂薄膜集成光学芯片4端面的夹角相同，均为82°。此外，为了保证光路的偏振特性，光纤阵列组件2的光纤均为保偏光纤，且保偏光纤的慢轴方向与芯片波导的偏振方向偏差不超过±3°

如图1和图2所示，光电组件板5包括TEC组件51、热敏电阻52、超辐射发光二极管53、隔离器54、第一PD探测器55、第二PD探测器56、第三PD探测器57、透镜58、转接板59、MPD探测器510，其中，热敏电阻52、超辐射发光二极管53、隔离器54、第一PD探测器55、第二PD探测器56、第三PD探测器57、透镜58、MPD探测器510均安装在转接板59上表面，热敏电阻52用于对超辐射发光二极管53的温度监控。转接板59安装在TEC组件51上，通过TEC控温实现超辐射发光二极管的稳定功率输出。超辐射发光二极管53通过隔离器54、透镜58耦合与铌酸锂薄膜集成光学芯片4上的光波入射端口进行耦合。转接板59上铺设金层Trace，用于光电组件板5上的元器件与外壳1进行连接。

如图1和图3所示，铌酸锂薄膜集成光学芯片4上设置若干端口，具体为第一端口41、第二端口42、第三端口43、第四端口44、第五端口45、第六端口46、第七端口47、第八端口48、第九端口49、第十端口41、第十一端口411，第一端口41至第十一端口411均位于芯片左侧，这样在芯片划片后，仅需对芯片一个端面进行研磨抛光处理，大大提升了芯片生产测试效率。第一端口41至第六端口46作为铌酸锂薄膜集成光学芯片4与光纤阵列组件2的连接端口。第七端口47至第九端口49为铌酸锂薄膜集成光学芯片4与三个PD探测器的连接端口，用于三轴陀螺信号解调；第十端口410为光波入射端口，与超辐射发光二极管53连接；第十一端口411与MPD探测器510连接。本实施例中，为保证与标准的光纤阵列组件2进行连接，用于与第一端口41至第六端口46相连的6根波导彼此间隔L＝250um；为降低端面反射，铌酸锂薄膜集成光学芯片4中与第七端口47至第九端口49相连的3根波导，波导与铌酸锂薄膜集成光学芯片4端面夹角为98°；与第十端口410相连的波导，波导与端面夹角为90°；与第十一端口411相连的波导，波导与端面夹角为98°。

铌酸锂薄膜集成光学芯片4上除了设置若干端口之外，还安装第一耦合器412、第二耦合器413、第三耦合器414、第一阵列Y波导415、第二阵列Y波导416及阵列调制器电极417。第一耦合器412、第二耦合器413、第三耦合器414均为2*2MMI耦合器，分光比为50：50；第一耦合器412、第二耦合器413、第三耦合器414形成两级串联结构，用于将输入光波能量一分为四，该两级串联结构的输入端通过波导连接第十端口410，第十端口410连接超辐射发光二极管53，其中一条输出支路通过U形波导连接第十一端口411，第十一端口411连接MPD探测器510，用于监控入射光波能量，其余三条输出支路通过第一阵列Y波导415和第二阵列Y波导416与阵列调制器电极417连接，用于三轴陀螺的信号探测；第一阵列Y波导415和第二阵列Y波导416之间通过U形波导连接。第一阵列Y波导415还与第七端口47、第八端口48、第九端口49连接，第七端口47、第八端口48、第九端口49连接光电组件板5上第一PD探测器55、第二PD探测器56、第三PD探测器57。光纤阵列组件2通过6个波导与阵列调制器电极417连接。为降低调制间串扰，阵列调制器电极417中的电极对之间最小间隙至少0.5mm。

如图4所示，光波由光电组件板5上的超辐射发光二极管53产生，通过隔离器54、透镜58与铌酸锂薄膜集成光学芯片4上的第十端口410进行耦合。光波到达铌酸锂薄膜集成光学芯片4后，三个耦合器将输入光波能量的一分四，其中1路光波通过U形波导与第十一端口411相连，监控输入光波能量的大小；剩余3路光波用于3轴陀螺的信号探测，经过第一阵列Y波导415和第二阵列Y波导416、阵列调制器电极417后分别进入与光纤阵列组件2相连的三个光纤环6，从光纤环6返回的光波重新经过两级阵列Y波导后到达第七端口47、第八端口48、第九端口49，第一PD探测器55、第二PD探测器56、第三PD探测器57通过解调PD探测到的信号，即可得到三轴陀螺的转速信息。

Claims (8)

1.一种基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：包括外壳(1)、光纤阵列组件(2)、基板(3)、铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)和光电组件板(5)；所述光纤阵列组件(2)、铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)和光电组件板(5)均位于基板(3)上，基板(3)与外壳(1)内底面相连；

所述光电组件板(5)包括超辐射发光二极管(53)、PD探测器、转接板(59)、MPD探测器(510)，超辐射发光二极管(53)、PD探测器和MPD探测器(510)均安装在转接板(59)上表面；

所述铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)上安装第一耦合器(412)、第二耦合器(413)、第三耦合器(414)、第一阵列Y波导(415)、第二阵列Y波导(416)及阵列调制器电极(417)；所述第一耦合器(412)、第二耦合器(413)、第三耦合器(414)形成两级串联结构，用于将输入光波能量一分为四，该两级串联结构的输入支路连接超辐射发光二极管(53)，其中一条输出支路连接MPD探测器(510)，用于监控入射光波能量，其余三条输出支路通过第一阵列Y波导(415)和第二阵列Y波导(416)与阵列调制器电极(417)连接，用于三轴陀螺的信号探测；所述第一阵列Y波导(415)还与光电组件板(5)上的PD探测器连接；所述光纤阵列组件(2)通过多个波导与阵列调制器电极(417)连接。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)上设置若干个端口，其中，第一端口(41)至第六端口(46)作为铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)与光纤阵列组件(2)的连接端口；第七端口(47)至第九端口(49)为铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)与三个PD探测器的连接端口，用于三轴陀螺信号解调；第十端口(410)为光波入射端口，与超辐射发光二极管(53)连接；第十一端口(411)与MPD探测器(510)连接。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)上的第一端口(41)至第十一端口(411)均位于芯片同侧。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述光电组件板(5)还包括TEC组件(51)，转接板(59)安装在TEC组件(51)上。

5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述光纤阵列组件(2)的光纤均为保偏光纤，且保偏光纤的慢轴方向与芯片波导的偏振方向偏差不超过±3°。

6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述光纤阵列组件(2)端面与光纤的夹角、铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)上用于连接光纤阵列组件(2)的波导与铌酸锂薄膜集成光学芯片(4)端面的夹角相同。

7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述阵列调制器电极(417)的电极对之间间隙至少0.5mm。

8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜技术的三轴光纤陀螺集成器件，其特征在于：所述转接板(59)上铺设金层，用于光电组件板(5)上元器件与外壳(1)进行连接。

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