CN117470210A - 一种空间波导集成三轴光学陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，属于定位导航技术领域。包括：基体、光源芯片和平面光波导，基体的表面预留出三个相互垂直的平面，每一个平面上均设置有调制器单元、平面螺旋光波导和光电探测器芯片；光源芯片和平面光波导设置于基体的另一平面；平面光波导的输出端通过空间聚合物波导与调制器单元的输入端耦合连接；调制器单元的输出端通过空间聚合物波导与平面螺旋光波导光学连接；光源芯片输出的光信号由所述平面光波导分成三束，其中，每一束光信号依次经过一个调制器单元和平面螺旋光波导后由光电探测器芯片进行接收。本发明利用空间聚合物波导的拓展性，使得三轴光学陀螺仪具有较低的损耗以及较高的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，更具体的说是涉及一种空间波导集成三轴光学陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是一种感应与检测角速度和姿态的惯性传感装置，它的主要应用为定位和导航。根据工作原理的不同，陀螺仪主要可以分为机械陀螺仪、微电子机械系统(MEMS)陀螺仪和光学陀螺仪。光学陀螺仪通过感应相向传输光波间传输时间差对角速度进行测量，其基本原理是基于萨格纳克效应(Sagnac Effect)。相比于前两种，光学陀螺仪具有精度高、使用寿命长、无运动部件和抗冲击性好等优点，其市场占有率最大。
随着微纳技术与集成电路技术的发展，小型化和集成化光学陀螺仪逐渐成为更多新兴应用的首选。传统分立光学器件不可避免的存在光路对准、体积大以及系统复杂度高等问题，而具有抗机械振动能力强、高稳定性、小体积、低功耗和便于携带的小型以及微型光学陀螺仪(Micro-optical gyroscope，MOG)更加适合大规模低成本生产，更能满足普通消费者市场的应用需求。
目前，相比于传统大型环形激光陀螺(Ring Laser Gyroscope，RLG)和光纤陀螺，使用集成微型光学陀螺具有集成度高、成本低、功耗低和稳定性高的优点。但是对于实现干涉式高精度微型光学陀螺技术方面，尚存以下问题：
(1)高精度光学器件集成问题。光子芯片需要光源、低损耗波导、调制器单元、探测器等多类部件组成，然而单一材料体系实现其完整功能是极其困难的。无论是基于透镜耦合、倒装焊等方法的混合集成，还是通过晶圆键合或外延的单片集成，都难以同时解决低定位精度、低拓展性、高损耗、低带宽等一系列问题。此外，不同光学接口的折射率分布、空间位置、尺寸、方向的差异，进一步提升了器件互连的难度。
(2)小型集成光学陀螺的器件集成化设计问题。传统的干涉式三轴光学陀螺收发器组成包括发光芯片、分束耦合器、相位调制器单元、探测器。由于干涉式光学陀螺的调制原理是基于时间非互易性，光纤环越短，调制信号的频率越高，调制和解调的难度随之增加，需要使用高频调制信号来匹配本征频率，这无疑会增加光纤陀螺的体积或电路负载，而较长的光纤环则阻碍了高精度集成光学陀螺的轻量化、集成化应用，同时也是最主要需要解决的问题。
因此，如何提供一种高精度、小型集成化的三轴光学陀螺仪是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，用于至少解决背景技术中的部分技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，包括：
基体、光源芯片和平面光波导，所述基体的表面预留出三个相互垂直的平面，所述三个相互垂直的平面上均设置有调制器单元、平面螺旋光波导和光电探测器芯片；
所述光源芯片和平面光波导设置于所述基体的另一平面；所述平面光波导的输出端通过空间聚合物波导与调制器单元的输入端耦合连接；所述调制器单元的输出端通过空间聚合物波导与平面螺旋光波导光学连接；
所述光源芯片输出的光信号由所述平面光波导分成三束，其中，每一束光信号经过一个调制器单元加载调制后进入平面螺旋光波导内发生干涉；干涉后的光信号由光电探测器芯片进行接收。
优选的，干涉后的光信号在由光电探测器芯片进行接收前，还经过一个耦合器，所述耦合器集成在所述调制器单元中，所述耦合器的输出端通过空间聚合物波导与所述光电探测器芯片耦合连接。
优选的，所述基体包括金属基体。
优选的，所述光源芯片包括超辐射发射二极管。
优选的，所述基体的外形包括立方体。
优选的，所述光源芯片和平面光波导设置于所述基体的底面。
优选的，所述平面光波导的输出端通过空间聚合物波导与调制器单元的输入端耦合连接时，不同平面连接处的空间聚合物波导通过外侧覆盖有机固化胶进行固定，其中，所述有机固化胶的折射率满足低于所述空间聚合物波导的折射率要求。
优选的，所述有机固化胶包括紫外固化胶。
优选的，所述空间聚合物波导采用基于飞秒激光双光子体曝光3D刻写技术进行制备。
优选的，上述任意一种空间波导集成三轴光学陀螺仪中，所述平面螺旋光波导可替换为微环谐振腔结构平面光波导。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，具有以下有益效果：
本发明连接各空间平面内平面光波导的空间聚合物波导具有较高的拓展性，使得三轴光学陀螺仪具有较低的损耗以及较高的定位精度，可实现真正的全波导集成一体化三轴光纤陀螺。
本发明所提出的空间波导集成三轴光学陀螺仪为全波导集成的三轴光纤陀螺结构，三个相互垂直的平面螺旋波导结构以及各平面光波导尺寸可达微米量级。
本发明所提出光源、调制器单元及接收器芯片的尺寸同样远远小于现有光源芯片、调制器单元模块及接收器模块。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的空间波导集成三轴光学陀螺仪立体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的光源芯片和平面光波导连接结构示意图。
图3为本发明实施例提供的单一平面内调制器单元、平面螺旋光波导和光电探测器芯片连接结构示意图。
图4为本发明实施例提供的另一视图的空间波导集成三轴光学陀螺仪立体结构示意图。
图5为本发明实施例提供的基于飞秒激光双光子体曝光3D刻写技术生成的空间聚合物波导结构示意图。
图6为本发明实施例提供的不同平面连接处的空间聚合物波导结构示意图。
图7为本发明实施例提供的平面双微环光波导结构示意图。
图8为本发明实施例提供的平面双微环光波导连接示意图。
图中，1-调制器单元；2-平面螺旋光波导；3-光电探测器芯片；4-空间聚合物波导；5-光源芯片；6-平面光波导；7-有机固化胶；8-微环谐振腔结构平面光波导；100-基体。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明实施例公开了一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，如图1、图2、图3、图4所示，包括：基体100、光源芯片5和平面光波导6，基体100的表面预留出三个相互垂直的平面，三个相互垂直的平面上均设置有调制器单元1、平面螺旋光波导2和光电探测器芯片3。
光源芯片5和平面光波导6设置于基体100的另一平面；平面光波导6的输出端通过空间聚合物波导4与调制器单元1的输入端耦合连接；调制器单元1的输出端通过空间聚合物波导4与平面螺旋光波导2光学连接；
光源芯片输出的光信号由平面光波导6分成三束，其中，每一束光信号经过一个调制器单元1加载调制后进入平面螺旋光波导2内发生干涉；干涉后的光信号由光电探测器芯片3进行接收。
进一步的，在上述实施例中，干涉后的光信号在由光电探测器芯片3进行接收前，还经过一个耦合器，所述耦合器集成在调制器单元1中，耦合器的输出端通过空间聚合物波导与光电探测器芯片3耦合连接。
为了便于更清晰的理解本发明的结构，下面结合附图对本发明的结构进行进一步解释，如图1所示，本发明中的空间波导集成三轴光学陀螺仪为x-y-z垂直平面的空间三维光学陀螺结构，三个平面内的平面螺旋结构完全一致，其中光源芯片位于x-y平面的下表面，由PLC波导进行光功率分束，如图2所示，光源芯片输出的光信号由PLC波导一分三分束，由光波导路径长度控制各分支输出光功率大小；三支分束光信号经调制器单元、平面螺旋光波导干涉传输后，根据不同的光功率大小选择不同响应率的探测芯片3进行信号接收，如图3所示，提供了单一平面内调制器单元1、平面螺旋光波导2和光电探测器芯片3连接结构示意图。
上述实施例中，基体100采用正方体(立方体)基体，空间三维波导整体位于正方体基体表面，所述正方体基体材料多为金属基板，在基体表面预留出三个相互垂直的平面，并根据预先设计并仿真后的光波导布图预留出平面螺旋状光波导、平面光波导(PlanarLightwave Circuit，PLC)、探测器及光电调制器单元位置等。
上述实施例中利用基于双光子体曝光的三维(3D)刻写技术的新型的空间三维光波导结构，将三维平面光波导进行空间耦合。由于空间三维光波导具有灵活可控的光波导模场，较小的弯曲半径，可实现光束的三维空间传输路径变换，具有较为可靠的环境适应性，在光路结构上实现分立式三轴光纤陀螺的集成化，可实现进一步缩小光纤陀螺的体积的目的。本发明将传统的光纤敏感环替换为平面螺旋状光波导，高精度的陀螺仪需要较长的光纤长度，而光纤长度过长对环境温度、振动等条件下的稳定性需求势必提升，平面光波导结构则具有微型化及高可靠性，其波导长度不受体积限制。
在一个具体实施例中，基于双光子体曝光的三维(3D)刻写技术可采用飞秒双光子聚合技术(Femtosecond laser two-photon polymerization technology)：利用飞秒激光具备极短的脉宽(百飞秒量级)、极高的单个脉冲能量密度等特性，将激光光斑聚焦在被加工材料的内部结构中，使其产生非线性的光聚合效应，同时在计算机端通过编程提前构画出预想得到的样品结构，利用软件控制激光加工出编程的结构。飞秒激光最大的优势在于：1.具备很高的精准度，可制备微米甚至纳米级别结构。2.可以完成复杂结构的制备，具备很高的完成度和设计性。3.可以成功制备任何形状的真三维结构。
本发明设计三个平面螺旋光波导置于相互垂直的三个平面，通过双光子体曝光3D刻写技术的空间聚合物波导与平面光波导进行有机集成，同时还将光源、探测器、调制器单元、电子集成器件等与空间波导集成为一体化光学陀螺，真正实现有源和无源光学器件的小型化集成。
基于双光子体曝光的3D刻写技术制备的空间聚合物波导的设计目的是为了解决在空间中处于相互垂直的平面光波导结构的光学互联问题。传统的平面光波导由于波导结构固定均位于同一平面内，无法在空间上进行高效耦合。此外，传统的分立式三轴光纤陀螺的光学组件由光纤尾纤进行连接，光纤虽然可解决空间互联问题，但是光纤具有较为严苛的弯曲半径，且光纤本身独立于三轴平面光波导之外，需另外考虑专用固定装置。
本发明所提出的通过空间聚合物波导光学互联方案具体制备流程为：在光源芯片输出端或平面光波导输出端滴涂光刻胶，通过飞秒激光双光子体曝光3D刻写技术制作的空间聚合物波导与PLC波导的输入端桥接，并进行后烘及显影。
由于平面螺旋状波导结构位于相互垂直的三个空间平面，传统的二维平面光波导耦合器难以进行光学互联，而采用光纤耦合器难以避免光纤抗弯曲、扭曲和剪切应力的问题，本发明采用基于双光子体曝光的3D刻写技术制备的空间聚合物波导作为三维空间光波导与调制器单元及平面螺旋状光波导光学桥接，在结构上起真正实现紧密集成的设计。
如图4、图5所示，本发明所提出空间聚合物波导除了可实现不同空间的PLC波导的光学耦合，还同时作为PLC波导6(平面光波导)与光源芯片、调制器单元、接收器芯片的光学耦合方式，相较于透镜耦合等集成方式，空间聚合物波导的耦合方式使得光学部分封装耦合损耗小，减少了对陀螺光路装配的要求，这种全波导耦合的高度集成方式使得三轴光纤陀螺仪整体结构仅为微米级尺寸大小。
在一个具体实施例中，光源芯片可选用波长为1330nm或者1550nm的超辐射发射二极管(Superradiant emitting diode，SLED)，光源芯片设于正方体的底部外侧；PLC波导(平面光波导Planar Lightwave Circuit，PLC的简称)的光信号输入端在底部通光子引线与光源模芯片光学耦合；三个Y波导相位调制器单元及调制器单元驱动模块分别位于三个平面螺旋光波导同侧，Y分支波导调制器单元的输入端通过空间聚合物波导与PLC波导结构输出端耦合，输出端与平面螺旋结构的输入端耦合，光信号由调制器单元经进入螺旋状波导结构；光电探测器芯片芯片，分别位于三个Y分支波导调制器单元的侧边，光电探测器芯片芯片的光敏接收端通过双光子体曝光3D刻写技术与Y分支波导的输出端相连，光信号在平面螺旋状波导内传输后并于调制器单元内产生干涉后由输出端进入光探测器芯片，经数字电路处理后即可计算得到三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。
如图6所示，在空间聚合物波导外侧覆盖有机固化胶固化于基体表面，其中有机固化胶折射率低于空间聚合物波导折射率以减少倏逝波衰减并增加可靠性，以上技术可同时解决平面光波导的高效光学耦合以及波导耦合器的固定问题。
本发明实施例中，将平面螺旋波导、波导调制器单元、光电探测器芯片芯片表贴固定于波导基体的三个相互垂直的平面内；光源芯片与PLC波导在底部平面内；在芯片输出端滴涂光刻胶，通过飞秒激光双光子体曝光3D刻写技术制作的空间聚合物波导与PLC波导的输入端桥接，并进行后烘及显影，在空间聚合物波导外侧覆盖有机固化胶固化于基体表面，其中有机固化胶折射率低于空间聚合物波导折射率以减少倏逝波衰减并增加可靠性；相互垂直的两PLC波导同样由空间聚合物波导光学耦合，Y分支波导调制器单元与平面螺旋结构的桥接、Y分支波导调制器单元与光电探测器芯片芯片的光学互连均为空间聚合物波导连接，在空间聚合物波导外部覆盖低折射率紫外固化胶作为包层以增加可靠性。
本发明实施例中所有光波导均由以下方法制备得到：波导材料延光波导路径沉积芯层材料及包层材料，经曝光刻蚀后得到光波导。本发明实施例中所选芯层材料为高折射率材料如硅，所选包层材料为低折射率材料如二氧化硅。
设计过程中，首先在光波导设计软件中根据应用需求设计光波导结构布图，仿真优化光波导形状及参数；根据应用需求设计三维基体结构尺寸，经机械加工后制作正方体基体。
然后，设计平面螺旋状波导及PLC波导结构并进行流片，所述波导层和所述包层的材料可选：硅和二氧化硅、通过改变配比改变折射率差的有机聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯Polymethylmethacrylate，PMMA)等，以实现各层折射率的调控，通过薄膜沉积及光刻技术将平面螺旋光波导及PLC波导布图进行转移。
传统的高精度三轴光纤陀螺多为分立式结构，且光源、调制器单元、接收器等光学器件由光纤、透镜等方式进行空间耦合，这导致系统体积庞大，并增加了需要主动对准的组件数量。
本发明所提出的结构为全波导集成的三轴光纤陀螺结构，所提出三个相互垂直的平面螺旋波导结构以及各平面光波导尺寸可达微米量级，所提出光源、调制器单元及接收器芯片的尺寸同样远远小于光源芯片、调制器单元模块及接收器模块。此外，连接各空间平面内平面光波导的空间聚合物波导具有较高的拓展性，损耗较低以及较高的定位精度，即可实现真正的全波导集成一体化三轴光纤陀螺。
除螺旋结构可作为平面光波导外，可选微环谐振腔结构平面波导(Microring)8作为敏感单元，如图7所示，该结构由两个标准的跑道型微环谐振腔组成，两个微环尺寸相同，共享输入信号，两微环谐振腔的上端口为光信号输入端口，下端口为光信号输出端口，信号在下端口汇聚后产生干涉信号，干涉信号的强度随微环转动角速度的变化而变化，通过检测干涉信号的强度变化可以获得转动角速度变化。具体的，如图8所示，光信号由空间聚合物波导4将另一垂直平面内的平面光波导与调制器单元1进行耦合连接后，接着调制器单元1与微环谐振腔结构平面波导8的上端口连接，微环谐振腔结构平面波导8的下端口由空间聚合物波导4与光电探测器芯片3进行耦合连接。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，包括：
基体、光源芯片和平面光波导，所述基体的表面预留出三个相互垂直的平面，所述三个相互垂直的平面上均设置有调制器单元、平面螺旋光波导和光电探测器芯片；
所述光源芯片和平面光波导设置于所述基体的另一平面；所述平面光波导的输出端通过空间聚合物波导与调制器单元的输入端耦合连接；所述调制器单元的输出端通过空间聚合物波导与平面螺旋光波导光学连接；
所述光源芯片输出的光信号由所述平面光波导分成三束，其中，每一束光信号经过一个调制器单元加载调制后进入平面螺旋光波导内发生干涉；干涉后的光信号由光电探测器芯片进行接收。
2.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，干涉后的光信号在由光电探测器芯片进行接收前，还经过一个耦合器，所述耦合器集成在所述调制器单元中，所述耦合器的输出端通过空间聚合物波导与所述光电探测器芯片耦合连接。
3.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述基体包括金属基体。
4.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述光源芯片包括超辐射发射二极管。
5.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述基体的外形包括立方体。
6.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述光源芯片和平面光波导设置于所述基体的底面。
7.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述平面光波导的输出端通过空间聚合物波导与调制器单元的输入端耦合连接时，不同平面连接处的空间聚合物波导通过外侧覆盖有机固化胶进行固定，其中，所述有机固化胶的折射率满足低于所述空间聚合物波导的折射率要求。
8.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述有机固化胶包括紫外固化胶。
9.根据权利要求1所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述空间聚合物波导采用基于飞秒激光双光子体曝光3D刻写技术进行制备。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种空间波导集成三轴光学陀螺仪，其特征在于，所述平面螺旋光波导可替换为微环谐振腔结构平面光波导。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117538985A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-02-09 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 |
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2023
- 2023-12-06 CN CN202311672299.0A patent/CN117470210A/zh active Pending
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