CN115876179B

CN115876179B - 一种片式集成光学陀螺

Info

Publication number: CN115876179B
Application number: CN202310213149.7A
Authority: CN
Inventors: 左文龙; 杜江兵; 刘伯晗; 郑志胜; 庞松; 陈涛
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2043-03-08
Also published as: CN115876179A

Abstract

本发明涉及光学陀螺技术领域，尤其涉及一种片式集成光学陀螺，包括硅基板，所述硅基板包括第一基面和第二基面，所述第一基面集成有宽带光源、耦合器、探测器、调制器和敏感环，所述第二基面集成有光源驱动电路和信号解调电路，所述信号解调电路包括第一运算放大器、模数转换模块、信号处理模块、数模转换模块和第二运算放大器，所述硅基板还设有控制通孔、输出通孔以及反馈通孔。本发明通过将光路系统和电路系统分别集成于同一硅基板的两侧，并通过控制通孔、输出通孔和反馈通孔对光路系统与电路系统连接，在保证光路系统的独立性，避免电路系统对光路系统造成干扰的同时，使得集成光学陀螺具有较高的集成度，整体体积相对较小。

Description

一种片式集成光学陀螺

技术领域

本发明涉及光学陀螺技术领域，尤其涉及一种片式集成光学陀螺。

背景技术

光学陀螺是一类基于光学Sagnac效应的全固态陀螺仪，是实现载体自主导航、定位和定姿的基础核心部件。与机械陀螺相比，光学陀螺具有精度范围广、无转动和摩擦部件、体积小、重量轻、可靠性高等优点。经过近六十年的发展，光学陀螺逐渐成为惯性导航系统的主流器件，现已广泛应用于航空、航天、航海、能源等多个领域。

集成光学陀螺是指利用微米、纳米量级元件构成的角速度传感器。近年来为了满足小型化、低成本、轻量化微飞行器等新概念惯性导航系统的需求，集成光学陀螺技术飞速发展。

为了避免电路系统在工作时对光路系统造成干扰，目前一般是将电路系统中的光源驱动电路等部分外置于与光路系统不同的基板，造成集成光学陀螺的集成度较低，整体体积相对较大。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种片式集成光学陀螺。

本发明是通过以下技术方案予以实现：一种片式集成光学陀螺，包括硅基板，所述硅基板的两个侧面分别为第一基面和第二基面，所述第一基面集成有依次连接的宽带光源、耦合器、调制器和敏感环，所述第一基面还集成有与耦合器连接的探测器，所述第二基面集成有光源驱动电路和信号解调电路，所述信号解调电路包括依次连接的第一运算放大器、模数转换模块、信号处理模块、数模转换模块和第二运算放大器，所述硅基板还设有用于连接光源驱动电路与宽带光源的控制通孔、用于连接探测器与第一运算放大器的输出通孔以及用于连接第二运算放大器与调制器的反馈通孔；

所述光源驱动电路用于生成光源驱动信号；

所述宽带光源用于根据光源驱动信号输出第一光信号；

所述耦合器用于将第一光信号均分为两束，其中一束作为第二光信号传递至调制器；

所述调制器用于将第二光信号起偏并均分为两束第三光信号，并将两束第三光信号传递至敏感环；

所述敏感环用于反向传播两束第三光信号，敏感外界输入角速率；

所述调制器还用于将经敏感环反向传播后的两束第三光信号合光，形成干涉光信号；

所述耦合器还用于将干涉光信号均分为两束，其中一束作为第四光信号传递至探测器；

所述探测器用于对第四光信号进行光电转换，生成探测电压信号；

所述信号处理模块用于根据经第一运算放大器放大并经模数转换模块模数转换后的探测电压信号解算得到外界角速率信号和反馈信号，所述外界角速率信号用于向外界输出陀螺敏感到的外界输入角速率；

所述调制器还用于根据经数模转换模块数模转换并经第二运算放大器放大后的反馈信号生成光相位反馈信号，从而对第三光信号进行相位调制，实现光学陀螺的闭环控制。

优选的，所述第一基面设有磷化铟平台，所述宽带光源、耦合器和探测器均通过干法刻蚀工艺集成于磷化铟平台。

优选的，所述第一基面还设有铌酸锂平台，所述调制器通过干法刻蚀工艺集成于铌酸锂平台。

优选的，所述磷化铟平台位于铌酸锂平台一侧，从耦合器引出并用于连接调制器的磷化铟波导与从调制器引出并用于连接耦合器的第一铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接。

优选的，所述第一基面还设有氮化硅平台，所述敏感环通过干法刻蚀工艺集成于氮化硅平台。

优选的，所述磷化铟平台和氮化硅平台分别位于铌酸锂平台的两侧，从敏感环引出并用于连接调制器的氮化硅波导与从调制器引出并用于连接敏感环的第二铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接。

优选的，所述光源驱动电路和信号解调电路通过倒扣封装工艺集成于第二基面。

优选的，所述控制通孔、输出通孔以及反馈通孔均为多次套刻工艺制成的金属通孔。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明结构简单，通过将光路系统和电路系统分别集成于同一硅基板的两侧，并通过控制通孔、输出通孔和反馈通孔对光路系统与电路系统连接，在保证光路系统的独立性，避免电路系统对光路系统造成干扰的同时，使得集成光学陀螺具有较高的集成度，整体体积相对较小，而且，光路系统的所有光学元件均集成于同一硅基板，进一步提高了集成光学陀螺的集成度，另外，陀螺光路全部集成于单片硅基板可降低耦合损耗，从而可降低对宽带光源的输出光功率要求，进而降低了宽带光源的制作难度；利用磷化铟、铌酸锂和氮化硅的材料特性，在同一硅基板设置多种光子集成平台，可降低总体方案难度，满足现有加工工艺要求；在铌酸锂平台刻蚀集成调制器，硅材料和铌酸锂材料的等效折射率差为0.67，远高于现有其它光学调制器方案中的基材折射率差，可以将超过90%的光波限制在波导中传输，具有极强的光波限制能力，可实现更小的波导弯曲半径及更高的集成密度；同时铌酸锂具有强的光电效应，有利于实现光电调制，降低调制电压；氮化硅材料相对于铌酸锂材料制作敏感环，损耗低，有利于提高敏感环的品质因数；同时由于制作的敏感环具有低损耗性质，可以进一步降低对宽带光源的输出光功率要求，极大的减少了宽带光源的制作难度；通过等离子体活化直接键合工艺对不同平台的波导连接，与其他工艺相容性较好，键合强度高且稳定性高；通过倒扣封装工艺集成电路系统，具有时间延迟短和寄生效应小的特点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明提供的片式集成光学陀螺的结构框图。

图中：1、第二基面；2、控制通孔；3、第一基面；4、磷化铟平台；401、宽带光源；402、耦合器；403、探测器；5、铌酸锂平台；501、调制器；6、氮化硅平台；601、敏感环；7、光源驱动电路；701、PMW脉宽调制模块；702、数字处理模块；8、信号解调电路；801、第一运算放大器；802、模数转换模块；803、信号处理模块；804、数模转换模块；805、第二运算放大器；9、输出通孔；10、反馈通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明提供的一种片式集成光学陀螺，包括硅基板，所述硅基板的两个侧面分别为第一基面3和第二基面1，所述第一基面3集成有依次连接的宽带光源401、耦合器402、调制器501和敏感环601，所述第一基面3还集成有与耦合器402连接的探测器403，所述宽带光源401、耦合器402、调制器501、敏感环601和探测器403共同构成光路系统，所述第二基面1集成有光源驱动电路7和信号解调电路8，所述光源驱动电路7和信号解调电路8共同构成电路系统，所述信号解调电路8包括依次连接的第一运算放大器801、模数转换模块802、信号处理模块803、数模转换模块804和第二运算放大器805，所述硅基板还设有用于连接光源驱动电路7与宽带光源401的控制通孔2、用于连接探测器403与第一运算放大器801的输出通孔9以及用于连接第二运算放大器805与调制器501的反馈通孔10。

所述光源驱动电路7用于生成光源驱动信号，具体的，所述光源驱动电路7包括数字处理模块702和PMW脉宽调制模块701，所述数字处理模块702用于生成光源控制信号，所述PMW脉宽调制模块701用于根据光源控制信号生成PMW形式的光源驱动信号，控制宽带光源401温度稳定，从而使得宽带光源401的输出光功率稳定。

所述宽带光源401用于根据光源驱动信号输出第一光信号，具体的，所述第一光信号的平均波长可选定为850nm、1310nm或者1550nm。

所述耦合器402用于将第一光信号均分为两束，其中一束作为第二光信号传递至调制器501；另一束泄露到硅基板，不起作用。

所述调制器501用于将第二光信号起偏并均分为两束第三光信号，并将两束第三光信号传递至敏感环601。

所述敏感环601用于反向传播两束第三光信号，敏感外界输入角速率。

所述调制器501还用于将经敏感环601反向传播后的两束第三光信号合光，形成干涉光信号。

所述耦合器402还用于将干涉光信号均分为两束，其中一束作为第四光信号传递至探测器403；另一束传向宽带光源401的方向，具体的，所述宽带光源401包含有隔离器，用于隔离耦合器402传向宽带光源401的光，避免耦合器402传向宽带光源401的光对宽带光源401输出的第一光信号造成干扰。

所述探测器403用于对第四光信号进行光电转换，生成探测电压信号。

所述信号处理模块803用于根据经第一运算放大器801放大并经模数转换模块802模数转换后的探测电压信号解算得到外界角速率信号和反馈信号，所述外界角速率信号用于向外界输出陀螺敏感到的外界输入角速率。

所述调制器501还用于根据经数模转换模块804数模转换并经第二运算放大器805放大后的反馈信号生成光相位反馈信号，从而对两束第三光信号进行相位调制，使得光学陀螺工作在零位，实现光学陀螺的闭环控制。

本技术方案通过将光路系统和电路系统分别集成于同一硅基板的两侧，并通过控制通孔2、输出通孔9和反馈通孔10对光路系统与电路系统连接，在保证光路系统的独立性，避免电路系统对光路系统造成干扰的同时，使得集成光学陀螺具有较高的集成度，整体体积相对较小，而且，光路系统的所有光学元件均集成于同一硅基板，进一步提高了集成光学陀螺的集成度，另外，陀螺光路全部集成于单片硅基板可降低耦合损耗，从而可降低对宽带光源401的输出光功率要求，进而降低了宽带光源401的制作难度。

所述第一基面3设有磷化铟平台4，磷化铟是加工光电探测器403的理想材料，所述宽带光源401、耦合器402和探测器403均通过干法刻蚀工艺集成于磷化铟平台4，工艺成熟，可快速实现宽带光源401、耦合器402和探测器403的加工。

所述第一基面3还设有铌酸锂平台5，所述调制器501通过干法刻蚀工艺集成于铌酸锂平台5，传统铌酸锂调制器501依赖于弱光学限制的钛扩散或质子交换光波导，这使得它在调制效率、尺寸和带宽上已无法进一步提升，体积较大且调制电压较高。随着波导加工工艺的成熟，在铌酸锂平台5能够刻蚀形成波导折射率差大于0.7的强光学限制的波导，本实施例中，硅材料和铌酸锂材料的等效折射率差为0.67，远高于现有其它光学调制器501方案中的基材折射率差，可以将超过90%的光波限制在波导中传输，具有极强的光波限制能力，可实现更小的波导弯曲半径及更高的集成密度；同时铌酸锂具有强的光电效应，有利于实现光电调制，降低调制电压。

所述第一基面3还设有氮化硅平台6，所述敏感环601通过干法刻蚀工艺集成于氮化硅平台6，氮化硅材料相对于铌酸锂材料制作敏感环601，损耗低，有利于提高敏感环601的品质因数；同时由于制作的敏感环601具有低损耗性质，可以进一步降低对宽带光源401的输出光功率要求，极大的减少了宽带光源401的制作难度。

本技术方案中，利用磷化铟、铌酸锂和氮化硅的材料特性，在同一硅基板设置多种光子集成平台，可降低总体方案难度，满足现有加工工艺要求。

所述磷化铟平台4位于铌酸锂平台5一侧，从耦合器402引出并用于连接调制器501的磷化铟波导与从调制器501引出并用于连接耦合器402的第一铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接；所述磷化铟平台4和氮化硅平台6分别位于铌酸锂平台5的两侧，从敏感环601引出并用于连接调制器501的氮化硅波导与从调制器501引出并用于连接敏感环601的第二铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接，与其他工艺相容性较好，键合强度高且稳定性高。

所述光源驱动电路7和信号解调电路8通过倒扣封装工艺集成于第二基面1，具有时间延迟短和寄生效应小的特点。

所述控制通孔2、输出通孔9以及反馈通孔10均为多次套刻工艺制成的金属通孔，所述控制通孔2、输出通孔9和反馈通孔10的加工过程类似，具体的，以反馈通孔10为例，其多次套刻工艺如下：对硅基板和铌酸锂平台5进行刻蚀打孔，随后沉积一层绝缘层，之后在绝缘层上沉积阻挡层，在阻挡层上使用氧气表面等离子体去胶机对表面进行金属溅射和电镀，最后进行表面清除，清除掉顶层所有阻挡层，保留铌酸锂层，即可对铌酸锂平台5进行后续的干法刻蚀，制作调制器501。

本发明提供的一种片式集成光学陀螺的光路系统的工作过程如下：宽带光源发出的光经过耦合器传入调制器，由调制器一分为二，分为两束反向传播的第三光信号进入敏感环，敏感环敏感外界输入角速率后在调制器处合光，含有外界输入角速率信息的干涉光信号由调制器传入耦合器，再由耦合器传入探测器，由探测器进行光电转换，含有外界输入角速率信息的光信号转换为探测电压信号。

上述探测电压信号由探测器引出的输出通孔进入第二基面集成的信号解调电路。

信号解调电路的工作过程如下：探测器输出的探测电压信号，进入第一运算放大器进行信号放大，进入模数转换模块进行模数转换，转换成数字信号后通过信号处理模块进行信号处理，一方面，解算出外界角速率信号，该信号用于向外界输出陀螺敏感到的外界输入角速率；另一方面，解算出反馈信号，该信号进入数模转换模块进行数模转换，转换成模拟信号后进入第二运算放大器进行信号放大，再通过反馈通孔传递至调制器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种片式集成光学陀螺，包括硅基板，其特征在于，所述硅基板的两个侧面分别为第一基面和第二基面，所述第一基面集成有依次连接的宽带光源、耦合器、调制器和敏感环，所述第一基面还集成有与耦合器连接的探测器，所述第二基面集成有光源驱动电路和信号解调电路，所述信号解调电路包括依次连接的第一运算放大器、模数转换模块、信号处理模块、数模转换模块和第二运算放大器，所述硅基板还设有用于连接光源驱动电路与宽带光源的控制通孔、用于连接探测器与第一运算放大器的输出通孔以及用于连接第二运算放大器与调制器的反馈通孔；

所述光源驱动电路用于生成光源驱动信号；

所述宽带光源用于根据光源驱动信号输出第一光信号；

2.根据权利要求1所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述第一基面设有磷化铟平台，所述宽带光源、耦合器和探测器均通过干法刻蚀工艺集成于磷化铟平台。

3.根据权利要求2所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述第一基面还设有铌酸锂平台，所述调制器通过干法刻蚀工艺集成于铌酸锂平台。

4.根据权利要求3所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述磷化铟平台位于铌酸锂平台一侧，从耦合器引出并用于连接调制器的磷化铟波导与从调制器引出并用于连接耦合器的第一铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接。

5.根据权利要求3所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述第一基面还设有氮化硅平台，所述敏感环通过干法刻蚀工艺集成于氮化硅平台。

6.根据权利要求5所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述磷化铟平台和氮化硅平台分别位于铌酸锂平台的两侧，从敏感环引出并用于连接调制器的氮化硅波导与从调制器引出并用于连接敏感环的第二铌酸锂波导通过等离子体活化直接键合工艺相连接。

7.根据权利要求1所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述光源驱动电路和信号解调电路通过倒扣封装工艺集成于第二基面。

8.根据权利要求1所述的一种片式集成光学陀螺，其特征在于，所述控制通孔、输出通孔以及反馈通孔均为多次套刻工艺制成的金属通孔。