CN116007605B - 一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光学陀螺精度控制领域，尤其涉及一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法，包括集成部分及非集成部分，所述集成部分包括光源部件、光学传播部件、光学检测部件及光学调制部件，所述非集成部分包括非集成的光纤环圈，所述光纤环圈的输入与输出的光纤通过光路导通连接集成的光学传播部件，所述光学传播部件的铌酸锂层的光路导通连接位置设有刻蚀的导光光栅。由于没有采用拉锥方法，而是通过光纤与光学传播部件的导光光栅采用倾斜耦合的方式，通过光纤与导光光栅的倾斜角度及导光光栅的刻蚀高度，调整耦合效率使其最大，从而提高了耦合效率及其工艺参数的稳定性。

Description

一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法
技术领域
本发明涉及集成光学陀螺精度控制领域，尤其涉及一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法。
背景技术
集成光学陀螺是一种基于光学原理实现的旋转角速率测量装置，常用于惯性导航、航空航天等领域。其基本原理是利用平面波在旋转系统中传播时的相位差来测量旋转的角速率，并通过信号处理实现角度、角速率等信息的提取。
现有的集成光学陀螺由于需要获得比较好的敏感效应，使用集成部分及非集成部分的两部分组成结构，集成部分包括光源部件、光学传播部件、光学检测部件及光学调制部件，非集成部分包括非集成的光纤环圈，其中光纤环圈的输入与输出的光纤与光学传播部件连接。
由于集成部分的光学传播部件的大小与光纤的直径差别很大，连接的时候会发生耦合现象，现有的做法是通过将光纤进行拉锥处理，通过改变拉锥的参数从而改变耦合效率，但现有的光纤的处理过程慢，参数不便于调整，或因工艺原因使其调整的参数不能达到很好的耦合效率。
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，本发明提供一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法，提高耦合效率的干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法。
本发明提供了一种干涉式集成光学陀螺，包括集成部分及非集成部分，所述集成部分包括光源部件、光学传播部件、光学检测部件及光学调制部件，所述非集成部分包括非集成的光纤环圈，所述光纤环圈的输入与输出的光纤通过光路导通连接集成的光学传播部件，所述光学传播部件的铌酸锂层的光路导通连接位置设有刻蚀的导光光栅。
根据本发明提供的所述集成部分由下到上依次分为硅层、二氧化硅层及铌酸锂层，所述集成部分的各部件均刻蚀在所述铌酸锂层上。
根据本发明提供的所述光路导通连接位置上通过沉积一层二氧化硅层将光学传播部件与光纤固定在一起。
本发明还提供了一种干涉式集成光学陀螺的光纤耦合方法，包括如下步骤：
S1.在集成部分的光学传播部件的铌酸锂层上设定光路导通连接位置，并在光路导通连接位置刻蚀导光光栅；
S2.使非集成的光纤环圈的输入与输出的光纤对准导光光栅；
S3.通过调整光纤与竖直方向的夹角与刻蚀高度使光纤与导光光栅之间形成最大的耦合效率。
根据本发明提供的步骤S3的最大的耦合效率的调整通过如下公式：
Figure SMS_1
，
其中
Figure SMS_2
为光纤出光平均波长，n1为铌酸锂层折射率，θ是光纤与竖直方向的夹角，
Figure SMS_3
为导光光栅的光栅周期，a1为高度系数，h为导光光栅的刻蚀高度。
根据本发明提供的所述高度系数a1是通过刻蚀高度函数
Figure SMS_4
的耦合器效率曲线确定。
根据本发明提供的确定刻蚀高度函数
Figure SMS_5
的方法包括如下步骤：
S10.确定导光光栅有效折射率
Figure SMS_6
和刻蚀高度、光栅周期的关系公式：
Figure SMS_7
，其中
Figure SMS_8
为刻蚀高度h函数，m为衍射级数；
S20.令m=1时，使导光光栅具有最大耦合效率；
S30.通过改变刻蚀高度h，测量光学传播部件的出光功率，得到刻蚀高度h和耦合效率的函数，即刻蚀高度函数
Figure SMS_9
。
根据本发明提供的当刻蚀高度h为0.15um时耦合效率最大。
根据本发明提供的将
Figure SMS_10
拟合为：
Figure SMS_11
，通过步骤S30确定的刻蚀高度函数
Figure SMS_12
的耦合器效率曲线，确定高度系数a1取值。
步骤S3后执行步骤S4，
S4.在光路导通连接位置上通过沉积一层二氧化硅层将光学传播部件与光纤固定在一起。
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：
由于没有采用拉锥方法，而是通过光纤与光学传播部件的导光光栅采用倾斜耦合的方式，通过光纤与导光光栅的倾斜角度及导光光栅的刻蚀高度，调整耦合效率使其最大，从而提高了耦合效率及其工艺参数的稳定性。
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
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的集成光学陀螺的耦合效率曲线示意图。
图2是本发明提供的光路导通连接位置连接示意图。
其中：1.光学传播部件，2.光纤。
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。
下面结合图1-图2描述本发明的一种干涉式集成光学陀螺及其光纤耦合方法。
一种干涉式集成光学陀螺，包括集成部分及非集成部分，其中集成部分由下到上依次分为硅层、二氧化硅层及铌酸锂层，所述集成部分的各部件均刻蚀在所述铌酸锂层上。在铌酸锂层刻蚀的集成部分包括光源部件、光学传播部件1、光学检测部件及光学调制部件，所述非集成部分包括非集成的光纤环圈，光纤环圈的输入与输出的光纤2通过光路导通连接集成的光学传播部件，所述光学传播部件的铌酸锂层的光路导通连接位置设有刻蚀的导光光栅。
为了达到更好的耦合效率，使非集成的光纤环圈的输入与输出的光纤对准导光光栅；通过调整光纤与竖直方向的夹角及刻蚀的高度使光纤与导光光栅之间形成最大的耦合效率。
如图2所示，由于光学传播部件中的导模和辐射模之间会发生耦合，可借助于光学传播部件的光栅耦合导模和辐射模的谐振耦合实现了光纤和硅基铌酸锂芯片的高效耦合。根据光栅布拉格条件，光学传播部件中模式的传播常数和入射光波矢分量之间的关系为：
Figure SMS_13
(1)
式中：
Figure SMS_14
为导模的传播常数，
Figure SMS_15
为光纤出光平均波长，
Figure SMS_16
为导光光栅有效折射率，
Figure SMS_17
为入射光波传播常数，n1为铌酸锂层折射率，θ是光纤与竖直方向的夹角；m代表衍射级数，一般情况下，当m=1时具有最大耦合效率；
Figure SMS_18
为光栅周期，
Figure SMS_19
为一个光栅周期内的光栅底端长度，
Figure SMS_20
为一个光栅周期内的光栅顶端长度。通过式（1）可以看出改变光纤与竖直方向的夹角θ，可以改变耦合效率。
又因为：导光光栅有效折射率
Figure SMS_21
和光栅刻蚀高度、光栅周期呈现如下关系：
Figure SMS_22
（2）
式中，
Figure SMS_23
为刻蚀高度h的函数，改变刻蚀高度，光栅周期都会影响光栅有效折射率。
确定
Figure SMS_24
函数的过程，可以在不同的刻蚀高度，测量光学传播部件的出光功率，得到刻蚀高度h和耦合效率的函数。该耦合器效率曲线为图1所示。
在0.15um附近有最大值，这是因为：h过小会降低有效折射率，进而降低耦合强度；当 h 增大时，有效折射率和耦合强度都得到提高，但光栅的反射率也提高了，从而也会导致耦合效率提高。
因此
Figure SMS_25
可拟合为：
Figure SMS_26
Figure SMS_27
＞0，更进一步根据耦合器效率曲线可以确定高度系数a1取值。
则式(2)可变为：
Figure SMS_28
(3)
将式（3）代入式（1），并令m=1，取最大耦合效率，则式（1）推导为：
Figure SMS_29
(4)
通过式（4）确定h,
Figure SMS_30
,
Figure SMS_31
之间的关系。
为了到达最大的耦合效率先确定光栅周期，而后确定刻蚀高度，完成刻蚀，再在刻蚀后的导光光栅位置调整光纤与竖直方向的夹角，这里定义导光光栅为水平放置的，故确定光纤与竖直方向的夹角便得出了光纤与导光光栅的倾斜角度关系。
当完成调整后，在光路导通连接位置上通过沉积一层二氧化硅层将光学传播部件与光纤固定在一起，从而起到定型及保护的目的。
由于没有采用拉锥方法，而是通过光纤与光学传播部件的导光光栅采用倾斜耦合的方式，通过光纤与导光光栅的倾斜角度及导光光栅的刻蚀高度，调整耦合效率使其最大，从而提高了耦合效率，且需要调整的参数的一部分是通过刻蚀完成的，故其工艺调整参数的稳定性。
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 (5)

1.一种干涉式集成光学陀螺的光纤耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在集成部分的光学传播部件的铌酸锂层上设定光路导通连接位置，并在光路导通连接位置刻蚀导光光栅；
S2.使非集成的光纤环圈的输入与输出的光纤对准导光光栅；
S3.通过调整光纤与竖直方向的夹角与刻蚀高度，使光纤与导光光栅之间形成最大的耦合效率,调整最大的耦合效率，通过如下公式进行调整：
Figure QLYQS_1
，
其中
Figure QLYQS_2
为光纤出光平均波长，n1为铌酸锂层折射率，θ是光纤与竖直方向的夹角，
Figure QLYQS_3
为导光光栅的光栅周期，a1为高度系数，h为导光光栅的刻蚀高度。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合方法，其特征在于，高度系数a1是通过刻蚀高度函数
Figure QLYQS_4
的耦合器效率曲线确定。
3.根据权利要求2所述的光纤耦合方法，其特征在于，确定刻蚀高度函数
Figure QLYQS_5
的方法包括如下步骤：
S10.确定导光光栅有效折射率
Figure QLYQS_6
和刻蚀高度、光栅周期的关系公式：
Figure QLYQS_7
，其中
Figure QLYQS_8
为刻蚀高度h函数，m为衍射级数；
S20.令m=1时，使导光光栅具有最大耦合效率；
S30.通过改变刻蚀高度h，测量光学传播部件的出光功率，得到刻蚀高度h和耦合效率的函数，即刻蚀高度函数
Figure QLYQS_9
。
4.根据权利要求2所述的光纤耦合方法，其特征在于，当刻蚀高度h为0.15um时耦合效率最大。
5.根据权利要求3所述的光纤耦合方法，其特征在于，将
Figure QLYQS_10
拟合为：
Figure QLYQS_11
，通过步骤S30确定的刻蚀高度函数
Figure QLYQS_12
的耦合器效率曲线，确定高度系数a1取值。
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