CN218238858U - 一种集成光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种集成光学陀螺，其中包括：光源、分束单元、光电探测器和亚波长光栅波导，亚波长光栅波导包括直波导和位于直波导一侧的环形波导；探测光束经过分束单元分为第一探测光束和第二探测光束，第一探测光束从直波导的第一端耦入直波导，第二探测光束从直波导的第二端耦入直波导，第一探测光束和第二探测光束沿相反的传输方向耦入环形波导；光电探测器用于接收环形波导输出的光束。本实用新型实施例的技术方案，解决了现有集成光学陀螺由于环形波导内发生衍射、散射，偏振等干扰，稳定性差且影响传感精度的问题，且具有可设计的自由度高，结构紧凑的特点。

Description

一种集成光学陀螺

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种集成光学陀螺。

背景技术

光学陀螺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。光学陀螺的工作原理是基于萨格纳克效应。萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。

现有集成光学陀螺由于受制于实心波导环形谐振腔中的背向散射、偏振串扰、光学Kerr效应等误差源的影响，其传感精度和稳定性还远未达到实用化的程度，且在可设计的自由度较小且陀螺系统复杂度高，线性度低。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种集成光学陀螺，该集成光学陀螺通过将探测光束分别由两端输入亚波长光栅直波导，进而耦入位于亚波长光栅直波导一侧的亚波长光栅环形波导，使得两束探测光束沿反方向在亚波长光栅环形波导内传播，进而通过光电探测器接收亚波长光栅环形波导输出的光束，进而实现旋转角速度的测量，解决了现有集成光学陀螺由于环形波导内发生衍射、散射，偏振等干扰，稳定性差且影响传感精度的问题，且具有可设计的自由度高，结构紧凑的特点。

根据本实用新型的一方面，提供了一种集成光学陀螺，其中包括：光源、分束单元、光电探测器和亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导包括直波导和位于所述直波导一侧的环形波导；

所述光源用于输出探测光束；

所述分束单元的输入端与所述光源的输出端耦合，所述分束单元的第一输出端与所述直波导的第一端耦合，所述分束单元的第二输出端与所述直波导的第二端耦合，所述探测光束经过所述分束单元分为第一探测光束和第二探测光束，所述第一探测光束从所述直波导的第一端耦入所述直波导，所述第二探测光束从所述直波导的第二端耦入所述直波导，所述第一探测光束和所述第二探测光束沿相反的传输方向耦入所述环形波导；

所述光电探测器用于接收所述环形波导输出的光束。

可选的，所述的集成光学陀螺，还包括相位调制单元，所述相位调制单元用于调制所述第一探测光束和所述第二探测光束的相位。

可选的，所述分束单元和所述相位调制单元集成于同一器件。

可选的，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述环形波导耦出的第一探测光束，所述第二光电探测器用于接收所述环形波导耦出的第二探测光束。

可选的，还包括偏振态调节单元，所述偏振态调节单元用于调节所述第一探测光束和所述第二探测光束的偏振态。

可选的，所述偏振态调节单元包括消偏器。

可选的，所述光源包括激光器。

可选的，所述亚波长光栅包括硅、氮化硅或氧化硅。

可选的，所述直波导的波导宽度W＝450nm，厚度h＝220nm，周期＝300nm、占空比D＝50％。

可选的，所述环形波导的直径大于或等于50μm。

本实用新型实施例提供的一种集成光学陀螺，该集成光学陀螺通过将探测光束分别由两端输入亚波长光栅直波导，进而耦入位于亚波长光栅直波导一侧的亚波长光栅环形波导，使得两束探测光束沿反方向在亚波长光栅环形波导内传播，进而通过光电探测器接收亚波长光栅环形波导输出的光束，进而实现旋转角速度的测量，解决了现有集成光学陀螺由于环形波导内发生衍射、散射，偏振等干扰，稳定性差且影响传感精度的问题，且具有可设计的自由度高，结构紧凑的特点。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的一种集成光学陀螺的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种集成光学陀螺的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的又一种集成光学陀螺的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的再一种集成光学陀螺的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种亚波长光束波导的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本实用新型实施例提供的一种集成光学陀螺的结构示意图，如图1所示，该集成光学陀螺包括：光源100、分束单元200、光电探测器300和亚波长光栅波导400，亚波长光栅波导400包括直波导410和位于直波导410一侧的环形波导420。

参阅图1，光源100用于输出探测光束；分束单元200的输入端210与光源100的输出端110耦合，分束单元200的第一输出端220与直波导410的第一端411耦合，分束单元200的第二输出端230与直波导410的第二端412耦合，探测光束经过分束单元200分为第一探测光束和第二探测光束，第一探测光束从直波导410的第一端411耦入直波导410，第二探测光束从直波导410的第二端412耦入直波导410，第一探测光束和第二探测光束沿相反的传输方向耦入环形波导420；光电探测器300用于接收环形波导420输出的光束。

其中，光源100包括但不限于激光器，例如一个或多个半导体激光器；光源100输出探测光束的波长以及线宽可以根据实际需求进行调整，在此不做限定。分束单元200可以为光纤分束器，用于接收光源100发射的探测光束，并进行分束输出。亚波长光栅波导400具有亚波长周期性结构，在光束传输时，可以接近均匀介质；亚波长光栅波导400的材质包括但不限于硅、氮化硅或氧化硅。直波导410为条形波导，用于接收分束单元200处输出的探测光束，并将探测光束耦入环形波导420，使得两束探测光束沿不同方向传播；直波导410的规格，根据集成光学陀螺的规格以及萨格纳克效应所需条件进行设定，例如具有一定占空比的栅状结构。环形波导420用于接收来自直波导410两端的两束探测光束，并在集成光学陀螺旋转时，作为萨格纳克效应的发生场所；环形波导420包括但不限于完整的环形波导，也可以将环形波导420进行分段设置；环形波导420的规格，根据萨格纳克效应的发生条件进行设定，在此不做限定。

具体而言，光源100输出探测光束，经分束单元200分束后，分为第一探测光束和第二探测光束，两束探测光束分别由直波导410的两端耦入，且在直波导410内沿相反方向传输，进而沿相反传输方向耦入至环形波导420内部，在集成光学陀螺旋转时，环形波导420内沿相反方向传输的第一探测光束和第二探测光束，由于光路长度差异，进而产生萨格纳克效应，使得两束探测光束产生相位差，相位差正比于集成光学陀螺的旋转角速度，通过光电探测器300接收来自环形波导420的第一探测光束和第二探测光束，进而通过测量相位差实现旋转角速度的测量。

需要说明的是，由于亚波长光栅波导400具有亚波长周期性结构，可以有效抑制衍射，且在光束传输时，可以接近均匀介质，进而使得探测光束在亚波长光栅波导400传输时，实现低损耗，且有效抑制衍射，提高了集成光学陀螺的稳定性以及传感精度，且具有可设计的自由度高，结构紧凑的特点。

本实用新型实施例的技术方案，通过将探测光束分别由两端输入亚波长光栅直波导，进而耦入位于亚波长光栅直波导一侧的亚波长光栅环形波导，使得两束探测光束沿反方向在亚波长光栅环形波导内传播，进而通过光电探测器接收亚波长光栅环形波导输出的光束，进而实现旋转角速度的测量，解决了现有集成光学陀螺由于环形波导内发生衍射、散射，偏振等干扰，稳定性差且影响传感精度的问题，且具有可设计的自由度高，结构紧凑的特点。

在上述实施例的基础上，本实用新型还提供一种集成光学陀螺，该光学陀螺在上述实施例的基础上增加相位调制单元，进而实现对分束单元输出的探测光束的相位调制。图2为本实用新型实施例提供的另一种集成光学陀螺的结构示意图，如2所示，集成光学陀螺还包括相位调制单元500，相位调制单元500用于调制第一探测光束和第二探测光束的相位。

参阅图2，相位调制单元500可以位于分束单元200输出光路上，例如图2所示，相位调制单元500位于分束单元200与直波导410之间。

其中，相位调制单元500调制第一探测光束和第二探测光束的相位，包括但不限于使得第一探测光束和第二探测光束具有一定相位差。

具体而言，分束单元200输出第一探测光束和第二探测光束，相位调制单元500对两束探测光束进行调制，经过相位调制的两束探测光束经直波导410耦入环形波导420后，产生萨格纳克效应，并由环形波导输出，进而由光电探测器300接收两束探测光，并通过测量相位差实现旋转角速度的测量，经调制的两束探测光束产生萨格纳克效应，进一步提高了测量结果的可靠性。

可选的，分束单元200和相位调制单元500集成于同一器件。

其中，分束单元200和相位调制单元500集成于同一器件，包括但不限于集成于同一芯片上。

具体而言，分束单元200和相位调制单元500集成于同一器件，进一步提高了集成光学陀螺的集成度，进而缩小了光学陀螺的大小。

综上所述，本实用新型实施例的技术方案，通过增加相位调制单元，进而实现对分束单元输出的探测光束的相位调制，进一步提高了集成光学陀螺的测量结果的精确度。

在上述实施例的基础上，本实用新型还提供一种可选的集成光学陀螺的具体结构，通过设置两个光电探测器，进而分别检测两束探测光束。图3为本实用新型实施例提供的又一种集成光学陀螺的结构示意图。

如图3所示，光电探测器300包括第一光电探测器310和第二光电探测器320，第一光电探测器310用于接收环形波导420耦出的第一探测光束，第二光电探测器320用于接收环形波导420耦出的第二探测光束。

其中，第一光电探测器310和第二光电探测器320包括但不限于PIN光电检测器或雪崩光电二极管。

具体而言，第一探测光束由环形波导420耦出，并输送至第一光电探测器310，由第一光电探测器310进行测试；第二探测光束由环形波导420耦出，并输送至第二光电探测器320，由第二光电探测器320进行测试，进而实现两束探测光束的分别测试，进一步提高了集成光学陀螺的测试精度。

综上所述，本实用新型实施例的技术方案，通过设置两个光电探测器，进而分别检测两束探测光束，进一步提高了集成光学陀螺的测试精度。

在上述实施例的基础上，本实用新型还提供一种可选的集成光学陀螺的具体结构，通过增加偏振调节单元，进而减小偏振对集成光学陀螺测量结果的影响。图4为本实用新型实施例提供的再一种集成光学陀螺的结构示意图。

如图4所示，该集成光学陀螺还包括偏振态调节单元600，偏振态调节单元600用于调节第一探测光束和第二探测光束的偏振态。

参阅图4，偏振态调节单元600可以设置于分束单元200与直波导410之间，偏振态调节单元600调节探测光束的偏振态包括但不限于消除或减小探测光束的偏振。

具体而言，分束单元200对光源100处输出的探测光束进行分束，进而形成第一探测光束和第二探测光束，偏振调节单元600调节第一探测光束和第二探测光束的偏振态，进而使避免探测光束进入环形波导420后，由于偏振对集成光学陀螺的测试结果的干扰。

一实施例中，偏振态调节单元600包括消偏器。

综上所述，本实用新型实施例的技术方案，通过增加偏振调节单元，进而减小偏振对集成光学陀螺测量结果的影响。

可选的，光源100包括激光器。

其中，激光器包括但不限于一个或多个半导体激光器，激光器输出的探测光束的波长，可以根据集成光学陀螺的规格，以及实际需求进行选择，在此不做限定。

具体而言，激光器输出合适的激光波长，能够降低激光功率，有效提高测试结果的精度，以及提高集成光学陀螺的整体性能。

可选的，亚波长光栅包括硅、氮化硅或氧化硅。

具体而言，由硅、氮化硅或氧化硅所制作的亚波长光栅，能够有效降低波导对探测光束的吸收以及抑制探测光束在波导内的衍射，进而提高了探测光束的利用率，以及避免由于泄露光束散射至正在被检测的探测光束，影响集成光学陀螺的测试结果。

图5为本实用新型实施例提供的一种亚波长光束波导的结构示意图。

如图5所示，亚波长光栅波导包括直波导410和位于直波导410一侧的环形波导420，直波导410两侧入射的光束，可以耦入环形波导420。

可选的，直波导410的波导宽度W＝450nm，厚度h＝220nm，周期＝300nm、占空比D＝50％。

具体而言，直波导410的波导宽度W＝450nm，厚度h＝220nm，周期＝300nm、占空比D＝50％，探测光束在直波导410内部传播，能够有效降低探测光束的损耗。

可选的，环形波导420的直径大于或等于50μm。

具体而言，环形波导420的直径大于或等于50μm，能够为沿不同方向在环形波导420内传输的两束探测光，提供发生格纳克效应的条件，进而使得集成光学陀螺的测试结果精度更高。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成光学陀螺，其特征在于，包括光源、分束单元、光电探测器和亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导包括直波导和位于所述直波导一侧的环形波导；

所述光源用于输出探测光束；

所述分束单元的输入端与所述光源的输出端耦合，所述分束单元的第一输出端与所述直波导的第一端耦合，所述分束单元的第二输出端与所述直波导的第二端耦合，所述探测光束经过所述分束单元分为第一探测光束和第二探测光束，所述第一探测光束从所述直波导的第一端耦入所述直波导，所述第二探测光束从所述直波导的第二端耦入所述直波导，所述第一探测光束和所述第二探测光束沿相反的传输方向耦入所述环形波导；

所述光电探测器用于接收所述环形波导输出的光束。

2.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，还包括相位调制单元，所述相位调制单元用于调制所述第一探测光束和所述第二探测光束的相位。

3.根据权利要求2所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述分束单元和所述相位调制单元集成于同一器件。

4.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述环形波导耦出的第一探测光束，所述第二光电探测器用于接收所述环形波导耦出的第二探测光束。

5.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，还包括偏振态调节单元，所述偏振态调节单元用于调节所述第一探测光束和所述第二探测光束的偏振态。

6.根据权利要求5所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述偏振态调节单元包括消偏器。

7.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述光源包括激光器。

8.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述亚波长光栅包括硅、氮化硅或氧化硅。

9.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述直波导的波导宽度W＝450nm，厚度h＝220nm，周期＝300nm、占空比D＝50％。

10.根据权利要求1所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述环形波导的直径大于或等于50μm。

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