CN220650931U - 引光结构及陀螺仪系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种引光结构及陀螺仪系统。引光结构包括衬底、传输波导和引光波导，传输波导和引光波导均设置于衬底，传输波导包括在第一方向上相对设置的两个Y分支波导，Y分支波导包括相互连通的基波导和两个分支波导，两个Y分支波导的基波导沿第一方向连接，各分支波导分设于传输波导在第一方向的两端，以使光线从一个Y分支波导的分支波导，经过两个连通设置的基波导传导至另一个Y分支波导的分支波导，引光波导设置于衬底并位于基波导在第二方向的一侧，引光波导一端连接于基波导，另一端延伸至衬底的边缘，以使从衬底辐射到基波导中的至少部分的光线会分流至引光波导中，并被传导至引光结构的边缘发散掉，以改善衬底辐射光耦合进基波导中，导致系统漂移的问题，提高了引光结构的可靠性。

Description

引光结构及陀螺仪系统

技术领域

本申请涉及集成光学传感技术领域，尤其是指一种引光结构及陀螺仪系统。

背景技术

光学陀螺仪是检测运动载体角速度的一种光学传感器，属于捷联惯导系统的核心器件，在武器制导、航天航空、自动化控制等领域得到广泛运用。

在陀螺仪集成化的过程中，干涉仪的分光和合束，通常用Y分支实现，即双Y结构，当光线在一个Y分支中传导时，部分光线会辐射进衬底，并会由衬底耦合进另一个Y分支中，产生相位误差，引起漂移，影响陀螺仪系统的可靠性，亟需改进。

实用新型内容

本申请实施例提供的引光结构及陀螺仪系统，能够改善引光结构具有双Y分支波导结构时，衬底光辐射引起漂移的问题，有助于提高引光结构的可靠性。

第一方面，本申请实施例提供了一种应用于陀螺仪系统的引光结构，引光结构包括：衬底；传输波导，设置于衬底，传输波导包括在第一方向上相对设置的两个Y分支波导，Y分支波导包括相互连通的基波导和两个分支波导，两个Y分支波导的基波导沿第一方向连接，各分支波导分设于传输波导在第一方向的两端；引光波导，设置于衬底并位于基波导在第二方向的一侧，引光波导在第二方向的一端连接于基波导，其另一端延伸至衬底的边缘，第一方向和第二方向相交。

在一些实施例中，传输波导和引光波导均包括芯层和包覆于芯层的包层，包层的折射率小于芯层的折射率，引光波导的芯层相切于传输波导的包层，或者引光波导的部分芯层容纳于传输波导的包层内。

在一些实施例中，沿第一方向，多个引光波导间隔排布。

在一些实施例中，在第一方向上相邻两个引光波导之间的间距L1满足，2.5μm≤L1≤10μm。

在一些实施例中，多个引光波导分设于基波导在第二方向的两侧。

在一些实施例中，沿第一方向，多个引光波导等距排布。

在一些实施例中，引光波导沿第二方向延伸并沿第一方向倾斜设置。

在一些实施例中，引光波导在第一方向的一侧表面和衬底在第一方向的一侧表面之间的夹角θ满足，8°≤θ≤15°。

在一些实施例中，基波导在第一方向上的长度L2满足，L2≥100μm。

第二方面，本申请实施例提供了一种陀螺仪系统，包括上述第一方面实施例的引光结构。

本申请实施例公开了一种引光结构及陀螺仪系统，引光结构包括衬底、传输波导和引光波导，传输波导和引光波导均设置于衬底，传输波导包括在第一方向上相对设置的两个Y分支波导，Y分支波导包括相互连通的基波导和两个分支波导，两个Y分支波导的基波导沿第一方向连接，各分支波导分设于传输波导在第一方向的两端，以使光线从一个Y分支波导的分支波导，经过两个连通设置的基波导传导至另一个Y分支波导的分支波导，引光波导设置于衬底并位于基波导在第二方向的一侧，引光波导一端连接于基波导，另一端延伸至衬底的边缘，以使从衬底辐射到基波导中的至少部分的光线会分流至引光波导中，并被传导至引光结构的边缘发散掉，以改善衬底辐射光耦合进基波导中，导致系统漂移的问题，提高了引光结构的可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的引光结构的结构示意图。

附图标号说明：

1、引光结构；11、衬底；12、传输波导；13、引光波导；14、Y分支波导；141、基波导；142、分支波导。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要注意的是，除非另有说明，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。

此外，技术术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的引光结构的结构示意图。

第一方面，如图1所示，本申请实施例提供了一种应用于陀螺仪系统的引光结构1，引光结构1包括衬底11、传输波导12和引光波导13，传输波导12设置于衬底11，传输波导12包括在第一方向X上相对设置的两个Y分支波导14，Y分支波导14包括相互连通的基波导141和两个分支波导142，两个Y分支波导14的基波导141沿第一方向X连接，各分支波导142分设于传输波导12在第一方向X的两端；引光波导13设置于衬底11并位于基波导141在第二方向Z的一侧，引光波导13在第二方向Z的一端连接于基波导141，其另一端延伸至衬底11的边缘，第一方向X和第二方向Z相交。

Y分支波导14由一端基波导141和两个分支波导142组成，光线从一个分支波导142进入Y分支后，光线在分支波导142和基波导141的交汇处分光，一部分光线会进入基波导141中，另一部分光会辐射进衬底，辐射进衬底的部分光线会重新耦合进基波导141中，这会在系统中产生一个相位误差，导致系统漂移。为了改善这个问题，本申请实施例中，在传输波导12的第二方向Z的至少一侧连接有引光波导13，该引光波导13一端连接于传输波导12，另一端延伸至衬底11边缘，以使在衬底光辐射进基波导141中后，部分光线会通过引光波导13传递至衬底11边缘耗散掉。

传输波导12和引光波导13均为光波导，光波导是一种用于传输光线的特殊结构。光波导利用光的全反射原理，将光束的能量限制在基底和包层所形成的封闭结构中。光线在波导中沿着光轴传播，同时受到波导的尺寸和形状等因素的约束

可选的，光波导为条型波导或者脊型波导。

可选的，引光波导13为直波导，示例性的，引光波导13为矩形光波导。

可选的，衬底11为二氧化硅或者氮化硅。

本申请实施例公开了一种引光结构1及陀螺仪系统，引光结构1包括衬底11、传输波导12和引光波导13，传输波导12和引光波导13均设置于衬底11，传输波导12包括在第一方向X上相对设置的两个Y分支波导14，Y分支波导14包括相互连通的基波导141和两个分支波导142，两个Y分支波导14的基波导141沿第一方向X连接，各分支波导142分设于传输波导12在第一方向X的两端，以使光线从一个Y分支波导14的分支波导142，经过两个连通设置的基波导141传导至另一个Y分支波导14的分支波导142，引光波导13设置于衬底11并位于基波导141在第二方向Z的一侧，引光波导13一端连接于基波导141，另一端延伸至衬底11的边缘，以使从衬底11辐射到基波导141中的至少部分的光会分流至引光波导13中，并被传导至引光结构1的边缘发散掉，以改善衬底辐射光耦合进基波导141中，导致系统漂移的问题，提高了引光结构1的可靠性。

在一些实施例中，如图1所示，传输波导12和引光波导13均包括芯层(图未示出)和包覆于芯层的包层(图未示出)，包层的折射率小于芯层的折射率，引光波导13的芯层相切于传输波导12的包层，或者引光波导13的部分芯层容纳于传输波导12的包层内。

光波导包括芯层和包覆于芯层的包层，示例性的，光波导包括二氧化硅包层和硅芯层。并且包层材料的折射率小于芯层材料的折射率，光线能够由低折射率材质传向高折射率的材质，由此光线可以由包层传导至芯层。

由衬底11辐射进基波导141的光会首先进入基波导141的包层内，再由包层进入基波导141的芯层，在此过程中，由于引光波导13的芯层和基波导141的包层相切，或者引光波导13的芯层部分容纳于基波导141的包层内，由此部分本该进入基波导141芯层的光线会被引入引光波导13的芯层，以降低衬底11漏光问题对引光结构1可靠性的影响。

可选的，引光波导13的芯层材质的折射率，大于基波导141的芯层材质的折射率，以使衬底辐射光进入基波导141的包层后会更多的进入引光波导13的芯层内，提高引光波导13的引光效率。

在这些实施例中，引光波导13的芯层相切于传输波导12的包层，或者引光波导13的芯层部分容纳于基波导141的包层内，以使从衬底辐射进基波导141包层中的部分光线能够更方便的传入引光波导13耗散掉；且引光波导13的芯层相切于传输波导12的包层，或者引光波导13的芯层部分容纳于基波导141的包层内，也避免了引光波导13和基波导141芯层连接，导致引光波导13和基波导141发生耦合的问题，降低引光波导13引光效能的问题。

在一些实施例中，如图1所示，沿第一方向X，多个引光波导13间隔排布。

在这些实施例中，多个引光波导13沿第一方向X间隔排布，以提高引光波导13对衬底辐射光的吸收效率，提高引光结构1的可靠性。

在一些实施例中，如图1所示，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距L1满足，2.5μm≤L1≤10μm。

为了提高引光波导13对衬底11辐射光的吸收效率，沿基波导141的延伸方向应该设置尽可能多个引光波导13。

示例性的，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距为10μm，以改善由于两个引光波导13距离过远，导致在基波导141尺寸固定时，引光波导13设置数量少，基波导141包层中的光线不能被充分引出，引光波导13引光效果不足的问题。

示例性的，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距为2.5μm，可以降低由于两个引光波导13距离过近，导致引光波导13相互耦合的风险。

示例性的，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距为6μm，既改善了由于两个引光波导13距离过远，导致引光波导13设置数量少，基波导141包层中的光线不能被充分引出，引光波导13引光效果不足的问题，又改善了由于两个引光波导13距离过近，导致引光波导13相互耦合的问题。

在另一些实施例中，基波导141在第一方向X上的长度L2满足，L2≥100μm，以使基波导141周侧至少可以设置一个引光波导13。

示例性的，基波导141在第一方向X上的长度为100μm，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距为2.5μm，以在将引光结构1的尺寸设计的足够小的情况下，基波导141周侧仍有足够的空间设置尽可能多的引光波导13，以提高引光结构13的引光。

在这些实施例中，在第一方向X上相邻两个引光波导13之间的间距L1满足，2.5μm≤L1≤10μm，以改善由于两个引光波导13距离过近，导致引光波导13相互耦合的问题。

在一些实施例中，如图1所示，多个引光波导13分设于基波导141在第二方向Z的两侧。

在这些实施例中，多个引光波导13分设于基波导141在第二方向Z的两侧，通过引光波导13将衬底辐射至基波导141中的部分光引导至衬底11在第二方向Z的两侧边缘，以提高引光波导13的引光效率。

在一些实施例中，如图1所示，沿第一方向X，多个引光波导13等距排布。

在这些实施例中，沿第一方向X，多个引光波导13等距排布，以使在第一方向X可以设置尽可能多的引光波导13，提高引光波导13的引光效率，提高引光结构1的可靠性。

在一些实施例中，如图1所示，引光波导13沿第二方向Z延伸并沿第一方向X倾斜设置。

引光波导13沿第二方向Z延伸并沿第一方向X倾斜设置，以使引光波导13和基波导141之间是一个倾斜的连接面，以避免在引光波导13和基波导141之间存在垂直连接面时，光线在垂直连接面处反射率较高，导致部分光线会重新进入基波导141中，影响引光波导13引光效率的问题。

垂直的连接面指的是引光波导13和基波导141的连接面的轴线与引光波导13的轴线重合，倾斜的连接面指的是引光波导13和基波导141的连接面与引光波导13的轴线之间存在夹角，该夹角在0°至90°之间。

并且，引光波导13背离基波导141一端的端面也是一个倾斜的端面，以方便引光波导13中的光容易从引光波导13中发散至外界。引光波导13在第二方向Z的两个端面和衬底11在第一方向X的表面的夹角相同或不同，可选的，引光波导13在第二方向Z的两个端面相互平行。

在另一些实施例中，如图1所示，引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角θ满足，8°≤θ≤15°。以改善由于夹角θ过小，导致在引光波导13两端面处反射率大的问题，又改善了由于夹角θ过大，导致引光波导13制备难度高的问题。

示例性的，引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角为8°，以提高引光波导13和衬底11在第一方向X的一侧表面的倾斜程度，以改善过小的倾斜角度增加光损耗和耦合损失，并可能导致引光结构13无法满足要求的光学性能的问题。以改善较小的倾斜角度限制光信号的传输效率和耦合效果的问题。

引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角为8°，这个倾斜角度适用于光学器件的端面处理。在一些特定的光学器件中，如光传感器、光调制器和激光器等，其端面需要经过倾斜8度的切割和抛光处理。这个倾斜角度有助于减少反射和散射，改善光信号的传播和耦合效率，并降低光学器件的损耗。

示例性的，引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角为15°，以改善由于过大的倾斜角度，导致引光结构1制备难度高，引光波导13变形或y引光波导13端面的粗糙度增加等问题。

引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角为15°，这个倾斜角度适用于光纤对准和耦合。在光纤连接到引光结构1的时候，光纤端面需要倾斜15度，以便能够更好地对准和耦合光信号。这个倾斜角度可以帮助减少反射和散射，提高光信号传输的效率，并减少光学损耗。

示例性的，引光波导13在第一方向X的一侧表面和衬底11在第一方向X的一侧表面之间的夹角为11°，以提高光信号的传输效率和耦合效果，并降低引光结构1的制备难度。

为了保持引光波导13具有一个倾斜的端面，在加工工艺方面，倾斜设置的引光波导13并采用垂直分切的加工方式，相比于平行于衬底11在第一方向X的表面设置的引光波导13并采用倾斜分切的加工方式，其对加工工艺的要求更低，制备难度低。

在这些实施例中，引光波导13沿第二方向Z延伸并沿第一方向X倾斜设置，以使引光波导13的两侧端面均倾斜设置，方便光线在引光波导13中折射传递，提高引光波导13的引光效率，提高引光结构1的可靠性。

第二方面，本申请实施例提供了一种陀螺仪系统，包括上述第一方面实施例的引光结构。

陀螺仪系统包括光源、偏振器、相位调制器、光纤环、探测器、信号处理电路和上述第一方面实施例的引光结构。光源发出的光经过上述第一方面实施例的引光结构的传输波导和起偏结构，分成沿相反方向传输的两束光进入光纤环，并在不同时刻受到相位调制器不同大小的相位调制，由于系统发生旋转，两束光在光纤环中产生一个Sagnac相位差后，反向传输，发生干涉后，被光电探测器检测，转化为电信号，随后经过信号处理电路，得到陀螺仪的转动电信号。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种引光结构，应用于陀螺仪系统，其特征在于，所述引光结构包括：

衬底；

传输波导，设置于所述衬底，所述传输波导包括在第一方向上相对设置的两个Y分支波导，所述Y分支波导包括相互连通的基波导和两个分支波导，两个所述Y分支波导的所述基波导沿所述第一方向连接，各所述分支波导分设于所述传输波导在所述第一方向的两端；

引光波导，设置于所述衬底并位于基波导在第二方向的一侧，所述引光波导在所述第二方向的一端连接于所述基波导，其另一端延伸至所述衬底的边缘，所述第一方向和所述第二方向相交。

2.根据权利要求1所述的引光结构，其特征在于，所述传输波导和所述引光波导均包括芯层和包覆于所述芯层的包层，所述包层的折射率小于所述芯层的折射率，所述引光波导的所述芯层相切于所述传输波导的所述包层，或者所述引光波导的部分所述芯层容纳于所述传输波导的所述包层内。

3.根据权利要求2所述的引光结构，其特征在于，沿所述第一方向，多个所述引光波导间隔排布。

4.根据权利要求3所述的引光结构，其特征在于，在所述第一方向上相邻两个所述引光波导之间的间距L1满足，2.5μm≤L1≤10μm。

5.根据权利要求3所述的引光结构，其特征在于，多个所述引光波导分设于所述基波导在所述第二方向的两侧。

6.根据权利要求3所述的引光结构，其特征在于，沿所述第一方向，多个所述引光波导等距排布。

7.根据权利要求2-6任一项所述的引光结构，其特征在于，所述引光波导沿第二方向延伸并沿所述第一方向倾斜设置。

8.根据权利要求7所述的引光结构，其特征在于，所述引光波导在所述第一方向的一侧表面和所述衬底在所述第一方向的一侧表面之间的夹角θ满足，8°≤θ≤15°。

9.根据权利要求1所述的引光结构，其特征在于，所述基波导在第一方向上的长度L2满足，L2≥100μm。

10.一种陀螺仪系统，其特征在于，包括上述权利要求1-9任一项所述的引光结构。