CN117330047B - 一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，该芯片包括发光模块、探测模块、模式调控模块和相位调制模块；发光模块包括隔离器、第一耦合器和光源芯片，探测模块包括探测芯片、第二耦合器和跨阻放大电路，模式调控模块包括发光探测端耦合波导、调制端耦合波导、第一分束/合束波导、转向波导、模式滤除波导和起偏/偏振波导，相位调制模块包括第二分束/合束波导和调制电极，第二分束/合束波导兼具起偏/偏振功能。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中光纤陀螺光路为分立器件、体积过大、不能满足惯导系统小型化的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片。
背景技术
光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的敏感载体角速度的传感器，具有无运动部件、启动时间快和精度覆盖范围广等优点，在航空、航天、航海和陆地精密导航、武器精密制导及自动控制等领域得到了广泛关注和应用。为了更好地满足惯性导航系统小型化、低成本的发展需求，下一代光纤陀螺迫切需要向小型化发展。光路体积占据光纤陀螺体积的70％以上，是实现小型化面临的首要挑战，迫切需要探索光路小型化的技术方案。
单轴光纤陀螺可敏感空间中某一维度的角速率信息，是光纤陀螺典型的架构形式。传统单轴光纤陀螺光路由1个光源、1个探测器、1个耦合器、1个多功能调制器和1个光纤环圈组成。各光学器件均带有独立封装，导致陀螺体积、成本难以下降。光纤环圈是光纤陀螺的核心敏感组件，体积与精度高度相关。因此，光源、探测器、耦合器、多功能调制器是光路小型化的首要对象。如何在保证各器件功能和性能完整性的前提下，将四个分立器件小型化，进而封装在同一结构中，是当前光纤陀螺光路小型化面临的首要挑战。
发明内容
本发明提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，能够解决现有技术中光纤陀螺光路为分立器件、体积过大、不能满足惯导系统小型化的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D，发光模块A、探测模块B和相位调制模块D均采用直接耦合方式与模式调控模块C连接；
发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3，探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3，模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，相位调制模块D包括第二分束/合束波导D1和调制电极D2，第二分束/合束波导D1兼具起偏/偏振功能；
光源芯片A3发出的光束经第一耦合器A2进行光束整形，隔离器A1阻止整形后的光束以使其进行反向传播，反向传播的光束经发光探测端耦合波导C1接收并由转向波导C4和第一分束/合束波导C3进行合束和转向，之后经过模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6后由调制端耦合波导C2输出至第二分束/合束波导D1进行分束，分束后的光束在传输过程中，收到调制电极D2的相位调制信息后进入光纤环圈传输，经光纤环圈返回的光束依次经过调制电极D2和第二分束/合束波导D1进入模式调控模块C，经过调制端耦合波导C2、转向波导C4、模式滤除波导C5、起偏/偏振波导C6和第一分束/合束波导C3后进入探测模块B，进一步经第二耦合器B2由探测芯片B1接收以形成光电流信号，光电流信号经跨阻放大电路B3转换为电压信号后进行陀螺信号解调。
进一步地，第一分束/合束波导C3和第二分束/合束波导D1均选自Y分支波导、多模干涉波导、绝热耦合波导和定向耦合波导中的一种。
进一步地，模式滤除波导C5选自直通波导、S弯曲波导和螺旋曲线波导中的一种。
进一步地，起偏/偏振波导C6为直通波导或S弯曲波导。
进一步地，模式调控模块C的基材选自Si、LNOI、SixNy和SiO2中的一种，相位调制模块D的基材选自LNOI或LN。
进一步地，光源芯片A3采用超辐射发光二极管，其中心波长为850nm、1310nm或1550nm。
进一步地，探测芯片B1和跨阻放大电路B3均采用PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
进一步地，集成光学芯片还包括封装结构，封装结构包括器件基底E1、半导体双向制冷器E2、热沉E3、过渡热沉E4、高度垫块E5和热敏电阻E6，半导体双向制冷器E2、热沉E3、过渡热沉E4和热敏电阻E6依次叠放在器件基底E1上的一侧，高度垫块E5设置在器件基底E1上的另一侧，发光模块A设置在过渡热沉E4上，探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D通过设置在高度垫块E5以与发光模块A保持高度一致，热敏电阻E6分别与半导体双向制冷器E2和光源芯片A3连接，用于电流闭环反馈。
进一步地，过渡热沉E4和高度垫块E5上均设置有固定座，光源芯片A3、探测芯片B1、第二耦合器B2、跨阻放大电路B3、隔离器A1和第一耦合器A2均通过点胶粘接方式固定在固定座上。
进一步地，集成光学芯片的输出尾纤穿过管嘴输出以避免输出尾纤折断。
应用本发明的技术方案，提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，该芯片通过设置发光模块、探测模块、模式调控模块和相位调制模块四个模块芯片，并对四个模块的内部光学器件进行合理设计和布局，能够在实现单轴光纤陀螺所需功能的前提下大幅缩减器件的体积，同时各模块之间无需光纤连接，能够实现无光纤化构成，进一步简化结构，缩减体积，并且提升可靠性，此外，芯片上四个模块基于光刻工艺实现，且能够根据陀螺和模块需求灵活设计和布局各模块和模块内部实现形式，具有一致性好、成本低、布局灵活、适合大批量生产的优点。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的组成及布局示意图(同侧)；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的组成及布局示意图(异侧)；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的封装示意图；
图4示出了根据本发明的实施例一提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出同侧)；
图5示出了根据本发明的实施例一提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出异侧)；
图6示出了根据本发明的实施例二提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出同侧)；
图7示出了根据本发明的实施例二提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出异侧)；
图8示出了根据本发明的实施例三提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出同侧)；
图9示出了根据本发明的实施例三提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出异侧)；
图10示出了根据本发明的实施例四提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出同侧)；
图11示出了根据本发明的实施例四提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出异侧)；
图12示出了根据本发明的实施例五提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出同侧)；
图13示出了根据本发明的实施例五提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为垂直方向，输入输出异侧)；
图14示出了根据本发明的实施例六提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出同侧)；
图15示出了根据本发明的实施例六提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片的结构示意图(第一分束/合束波导C3为水平方向，输入输出异侧)。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的具体实施例提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D，发光模块A、探测模块B和相位调制模块D均采用直接耦合方式与模式调控模块C连接；
发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3，探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3，模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，相位调制模块D包括第二分束/合束波导D1和调制电极D2，第二分束/合束波导D1兼具起偏/偏振功能；
光源芯片A3发出的光束经第一耦合器A2进行光束整形，隔离器A1阻止整形后的光束以使其进行反向传播，反向传播的光束经发光探测端耦合波导C1接收并由转向波导C4和第一分束/合束波导C3进行合束和转向，之后经过模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6后由调制端耦合波导C2输出至第二分束/合束波导D1进行分束，分束后的光束在传输过程中，收到调制电极D2的相位调制信息后进入光纤环圈传输，经光纤环圈返回的光束依次经过调制电极D2和第二分束/合束波导D1进入模式调控模块C，经过调制端耦合波导C2、转向波导C4、模式滤除波导C5、起偏/偏振波导C6和第一分束/合束波导C3后进入探测模块B，进一步经第二耦合器B2由探测芯片B1接收以形成光电流信号，光电流信号经跨阻放大电路B3转换为电压信号后进行陀螺信号解调。
其中，光源芯片A3发出的光束为低偏非相干光束，模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6的作用为滤除非传输模式，经分束形成的两路光波经光纤环圈后携带干涉信息返回到相位调制模块D，经调制后依次进入模式调控模块C和探测模块B，经探测芯片B1接收，并完成放大和记录。
通过此种配置方式，提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，该芯片通过设置发光模块、探测模块、模式调控模块和相位调制模块四个模块芯片，并对四个模块的内部光学器件进行合理设计和布局，能够在实现单轴光纤陀螺所需功能的前提下大幅缩减器件的体积，同时各模块之间无需光纤连接，能够实现无光纤化构成，进一步简化结构，缩减体积，并且提升可靠性，此外，芯片上四个模块基于光刻工艺实现，且能够根据陀螺和模块需求灵活设计和布局各模块和模块内部实现形式，具有一致性好、成本低、布局灵活、适合大批量生产的优点。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中光纤陀螺光路为分立器件、体积过大、不能满足惯导系统小型化的技术问题。
也就是说，本发明的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片基于模块化思想实现，结合不同器件的优势，通过混合集成的方式将多个器件和模块集成为一体。具有发光、探测、起偏、分束/合束、相位调制的功能，从而实现光纤陀螺除光纤环圈以外的所有光学器件的全集成。其中，发光模块A包括光源芯片、隔离器、耦合器等，具有发光、隔离等功能；探测模块B包括探测芯片、耦合器、跨阻放大电路等，具有光探测接收、放大、电流转化等功能；模式调控模块C包括耦合波导、分束/合束波导、转向波导、模式滤除波导、起偏/偏振波导等，具有耦合输入/输出、分束/合束、模式滤除、起偏/偏振功能；相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的分束/合束波导、调制电极等，具有分束/合束、起偏/偏振、相位调制等功能。
本发明实施例中，第一分束/合束波导C3和第二分束/合束波导D1基于分光波导实现，均选自Y分支波导、多模干涉波导、绝热耦合波导和定向耦合波导中的一种。模式调控模块C中可以分别设置模式滤除波导和起偏/偏振波导，也可利用一种波导来同时实现模式滤除功能和起偏/偏振功能，例如可以选用具有起偏/偏振功能的模式滤除波导，这样可以省去专门的起偏/偏振波导。作为本发明的具体实施例，模式滤除波导C5选自直通波导、S弯曲波导和螺旋曲线波导中的一种，起偏/偏振波导C6为直通波导或S弯曲波导。此外，本发明实施例中，光源芯片A3采用超辐射发光二极管(SLD)，其中心波长为850nm、1310nm或1550nm。探测芯片B1和跨阻放大电路B3均采用PIN-FET组件或PIN-TIA组件。相位调制模块D可以选用光纤陀螺传统光路方案中成熟的多功能集成相位调制器(MIOC)实现，能够大幅提高集成光学芯片的成熟性、可靠性和可实现性。
进一步地，如图3所示，本发明实施例中，集成光学芯片还包括封装结构，封装结构包括器件基底E1、半导体双向制冷器E2、热沉E3、过渡热沉E4、高度垫块E5和热敏电阻E6，半导体双向制冷器E2、热沉E3、过渡热沉E4和热敏电阻E6依次叠放在器件基底E1上的一侧，高度垫块E5设置在器件基底E1上的另一侧，发光模块A设置在过渡热沉E4上，探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D通过设置在高度垫块E5以与发光模块A保持高度一致，热敏电阻E6分别与半导体双向制冷器E2和光源芯片A3连接，用于电流闭环反馈。作为本发明的具体实施例，探测模块B中的探测芯片B1和第二耦合器B2直接设置在高度垫块E5上，跨阻放大电路B3设置在探测芯片B1和第二耦合器B2上。
基于上述实施例，本发明提供的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片具有灵活布局特性，根据陀螺需求和芯片单个模块的需求，可灵活布局芯片的模块位置以及模块内部的波导结构和输出形式。例如如图1所示，发光模块A、探测模块B、相位调制模块D均位于模式调控模块C的同侧；再如图2所示，发光模块A、探测模块B位于模式调控模块D的一侧，相位调制模块D位于模式调控模块C的另一侧。
进一步地，本发明实施例中，模式调控模块C的基材选自Si、LNOI、SixNy和SiO2中的一种，相位调制模块D的基材选自LNOI或LN。此外，在封装时，过渡热沉E4和高度垫块E5上均设置有固定座，光源芯片A3、探测芯片B1、第二耦合器B2、跨阻放大电路B3、隔离器A1和第一耦合器A2均通过点胶粘接方式固定在固定座上。整个芯片基于光刻工艺实现，具有批量大、一致性好、成本低的优点。
此外，为了保护芯片的输出尾纤，本发明实施例中，集成光学芯片的输出尾纤穿过管嘴输出以避免输出尾纤折断。
为了更好地理解本发明提出的光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，下面结合图4至图15的具体实施例来进一步说明其结构。
实施例一：
根据本发明的一种实施例，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导，模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6均由直通波导实现。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。传输波导D1为Y分支波导，调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。直通波导有两种实现形式，第一种为普通模式，仅由直通波导构成，具有传输作用；第二种为偏振模式，由特定的波导构成，具有起偏/偏振作用。第一分束/合束波导C3方向为垂直方向。芯片布局上，靠近发光探测端耦合波导C1一端的第一分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B的放置位置及内部排列发生变化，即产生如图4和图5所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B和相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。B3与B1之间通过引脚金丝引线连接。
实施例二：
该实施例与实施例一中的芯片具有相同组成结构和功能，仅布局有所差异。具体地，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第一耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导，模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6均由直通波导实现。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。传输波导D1为Y分支波导，调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
第一分束/合束波导C3与实施例一中的C3布局有差异，分光波导出现在水平方向上。直通波导有两种实现形式，第一种为普通模式，仅由直通波导构成，具有传输作用；第二种为偏振模式，由特定的波导构成，具有起偏/偏振作用。靠近发光探测端耦合波导C1一端的分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B的放置位置及内部排列发生变化，即产生如图6和图7所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B和相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。B3与B1之间通过引脚金丝引线连接。
实施例三：
在实施例一和实施例二的基础上，为了进一步提升集成光学芯片性能，对模式调控模块C进行了优化升级。根据本发明的一种实施例，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。
其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。传输波导D1为Y分支波导，调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
模式滤除波导C5由S弯曲波导实现，可以实现对特定模式的衰减功能。起偏/偏振波导C6可由上述的S弯曲波导实现，也可由不同参数的S弯曲或其他具有起偏/偏振功能的波导实现，即C5/C6可由同种形式波导实现，也可由不同形式的波导实现。靠近发光探测端耦合波导C1一端的第一分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B放置位置及内部排列发生变化，即产生如图8和图9所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B、相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。B3与B1之间通过引脚金丝引线连接。
需要说明的是，S弯曲的数量和具体参数不能作为与本发明存异的判据审核项。起偏/偏振波导的具体实现形式不能作为与本发明存异的判据审核项。
实施例四：
该实施例与实施例三具有相同结构和功能，仅布局有所差异。
根据本发明的一种实施例，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。
其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
模式滤除波导C5由S弯曲波导实现，可以实现对特定模式的衰减功能。起偏/偏振波导C6可由上述的S弯曲波导实现，也可由不同参数的S弯曲或其他具有起偏/偏振功能的波导实现，即C5/C6可由同种形式波导实现，也可由不同形式的波导实现。第一分束/合束波导C3与实施例三中的C3布局有差异，分光波导出现在水平方向上。靠近发光探测端耦合波导C1一端的第一分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B放置位置及内部排列发生变化，即产生如图10和图11所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B、相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。B3与B1之间通过引脚金丝引线连接。
需要说明的是，S弯曲的数量和具体参数不能作为与本发明存异的判据审核项。起偏/偏振波导的具体实现形式不能作为与本发明存异的判据审核项。
实施例五：
在实施例一和实施例二的基础上，为了进一步提升集成光学芯片性能，对模式调控模块C进行了优化升级。根据本发明的一种实施例，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。
其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。传输波导D1为Y分支波导，调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
模式滤除波导C5由螺旋曲线波导实现，可以实现对特定模式的衰减功能。起偏/偏振波导C6可由不同参数的S弯曲或其他具有起偏/偏振功能的波导实现，在本实施例中C6可根据实际需求进行增减。靠近发光探测端耦合波导C1一端的第一分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B放置位置及内部排列发生变化，即产生如图12和图13所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B、相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。B3与B1之间通过引脚金丝引线连接。
需要说明的是，螺旋曲线的圈数、长度不能作为与本申请存异的判据审核项。起偏/偏振波导的具体实现形式不能作为与本申请存异的判据审核项。
实施例六：
该实施例与实施例五具有相同结构和功能，仅布局有所差异。根据本发明的一种实施例，集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D。发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3。探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3。模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，其中转向波导C4选用弯曲波导。相位调制模块D包括兼具起偏/偏振功能的第二分束/合束波导D1(也即传输波导D1)和调制电极D2。
其中，第一分束/合束波导C3基于分光波导实现。传输波导D1为Y分支波导，调制电极D2为推挽式电极。探测模块B为PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
模式滤除波导C5由螺旋曲线波导实现，可以实现对特定模式的衰减功能。起偏/偏振波导C6可由不同参数的S弯曲或其他具有起偏/偏振功能的波导实现，在本实施例中C6可根据实际需求进行增减。第一分束/合束波导C3与实施例五中的C3布局有差异，分光波导出现在水平方向上，弯曲波导出现在两个分光波导之间。靠近发光探测端耦合波导C1一端的第一分束/合束波导C3输出方向可为水平两个方向，即CR侧和CL侧。相应地，发光模块A和探测模块B放置位置及内部排列发生变化，即产生如图14和图15所示的两种布局。
发光模块A、探测模块B、相位调制模块D采用直接耦合技术实现与模式调控模块C的连接。探测模块B中的跨阻放大电路B3(即图中矩形虚线处)放置在模式调控模块C的上方，优先放置在靠近探测模块B位置处，通过胶粘固化的方式实现连接。
需要说明的是，螺旋曲线的圈数、长度不能作为与本申请存异的判据审核项。起偏/偏振波导的具体实现形式不能作为与本申请存异的判据审核项。
综上所述，本发明提供了一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，该芯片通过设置发光模块、探测模块、模式调控模块和相位调制模块四个模块芯片，并对四个模块的内部光学器件进行合理设计和布局，能够在实现单轴光纤陀螺所需功能的前提下大幅缩减器件的体积，同时各模块之间无需光纤连接，能够实现无光纤化构成，进一步简化结构，缩减体积，并且提升可靠性，此外，芯片上四个模块基于光刻工艺实现，且能够根据陀螺和模块需求灵活设计和布局各模块和模块内部实现形式，具有一致性好、成本低、布局灵活、适合大批量生产的优点。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中光纤陀螺光路为分立器件、体积过大、不能满足惯导系统小型化的技术问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光纤陀螺用多功能混合集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片包括发光模块A、探测模块B、模式调控模块C和相位调制模块D，所述发光模块A、所述探测模块B和所述相位调制模块D均采用直接耦合方式与所述模式调控模块C连接；
所述发光模块A包括隔离器A1、第一耦合器A2和光源芯片A3，所述探测模块B包括探测芯片B1、第二耦合器B2和跨阻放大电路B3，所述模式调控模块C包括发光探测端耦合波导C1、调制端耦合波导C2、第一分束/合束波导C3、转向波导C4、模式滤除波导C5和起偏/偏振波导C6，所述相位调制模块D包括第二分束/合束波导D1和调制电极D2，所述第二分束/合束波导D1兼具起偏/偏振功能；
所述光源芯片A3发出的光束经所述第一耦合器A2进行光束整形，所述隔离器A1阻止整形后的光束以使其进行反向传播，反向传播的光束经所述发光探测端耦合波导C1接收并由所述转向波导C4和所述第一分束/合束波导C3进行合束和转向，之后经过所述模式滤除波导C5和所述起偏/偏振波导C6后由所述调制端耦合波导C2输出至所述第二分束/合束波导D1进行分束，分束后的光束在传输过程中，收到调制电极D2的相位调制信息后进入光纤环圈传输，经光纤环圈返回的光束依次经过所述调制电极D2和所述第二分束/合束波导D1进入模式调控模块C，经过所述调制端耦合波导C2、所述转向波导C4、所述模式滤除波导C5、所述起偏/偏振波导C6和所述第一分束/合束波导C3后进入所述探测模块B，进一步经所述第二耦合器B2由所述探测芯片B1接收以形成光电流信号，光电流信号经所述跨阻放大电路B3转换为电压信号后进行陀螺信号解调。
2.根据权利要求1所述的集成光学芯片，其特征在于，所述第一分束/合束波导C3和所述第二分束/合束波导D1均选自Y分支波导、多模干涉波导、绝热耦合波导和定向耦合波导中的一种。
3.根据权利要求2所述的集成光学芯片，其特征在于，所述模式滤除波导C5选自直通波导、S弯曲波导和螺旋曲线波导中的一种。
4.根据权利要求2所述的集成光学芯片，其特征在于，所述起偏/偏振波导C6为直通波导或S弯曲波导。
5.根据权利要求4所述的集成光学芯片，其特征在于，所述模式调控模块C的基材选自Si、LNOI、SixNy和SiO2中的一种，所述相位调制模块D的基材选自LNOI或LN。
6.根据权利要求5所述的集成光学芯片，其特征在于，所述光源芯片A3采用超辐射发光二极管，其中心波长为850nm、1310nm或1550nm。
7.根据权利要求6所述的集成光学芯片，其特征在于，所述探测芯片B1和所述跨阻放大电路B3均采用PIN-FET组件或PIN-TIA组件。
8.根据权利要求6所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片还包括封装结构，所述封装结构包括器件基底E1、半导体双向制冷器E2、热沉E3、过渡热沉E4、高度垫块E5和热敏电阻E6，所述半导体双向制冷器E2、所述热沉E3、所述过渡热沉E4和所述热敏电阻E6依次叠放在所述器件基底E1上的一侧，所述高度垫块E5设置在所述器件基底E1上的另一侧，所述发光模块A设置在所述过渡热沉E4上，所述探测模块B、所述模式调控模块C和所述相位调制模块D通过设置在所述高度垫块E5以与所述发光模块A保持高度一致，所述热敏电阻E6分别与所述半导体双向制冷器E2和所述光源芯片A3连接，用于电流闭环反馈。
9.根据权利要求8所述的集成光学芯片，其特征在于，所述过渡热沉E4和所述高度垫块E5上均设置有固定座，所述光源芯片A3、所述探测芯片B1、所述第二耦合器B2、所述跨阻放大电路B3、所述隔离器A1和所述第一耦合器A2均通过点胶粘接方式固定在所述固定座上。
10.根据权利要求9所述的集成光学芯片，其特征在于，所述集成光学芯片的输出尾纤穿过管嘴输出以避免所述输出尾纤折断。
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