微小型集成光纤陀螺仪

1.本发明属于集成光学领域，具体涉及一种微小型集成光纤陀螺仪。


背景技术：

2.基于萨格纳克效应的光纤陀螺仪具有精度高、使用寿命长、无运动部件、抗冲击能力强和动态范围宽等特点，因此该类光纤陀螺仪是目前应用最为广泛的陀螺仪之一。
3.传统的光纤陀螺仪，其中的光源、耦合器、调制器、探测器等核心部件均为分立光学器件，这不仅限制了成本的进一步降低，而且增加了进一步小型化的难度。同时，分立光学器件之间需要采用光互联工艺，导致生产过程复杂，产品一致性难控。目前，随着经济技术的发展，光纤陀螺仪也朝着集成化和芯片化的方向发展。因此，为了避免传统分立光学器件需要光路对准、体积大和系统复杂度高等问题，微小型集成光纤陀螺仪就成为了未来的发展趋势。
4.目前，现有的微小型集成光纤陀螺仪的精度相对较差；其原因在于，在现有的微小型集成光纤陀螺仪中，波导线圈的损耗极大的影响了微小型集成光纤陀螺仪的精度。上述问题，极大的影响了微小型集成光纤陀螺仪的精度，从而极大的制约了微小型集成光纤陀螺仪的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可靠性高、精确度好且体积较小的微小型集成光纤陀螺仪。
6.本发明提供的这种微小型集成光纤陀螺仪，包括基底板、光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块；光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块均布置在基底板上；光源的输出端连接耦合器的第一输入端，探测器的输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的输出端连接调制器的输入端；调制器的第一输出端连接波导线圈模块的一端，调制器的第二输出端连接波导线圈模块的另一端；波导线圈模块的形状为盘绕环形，光源、探测器、耦合器、调制器均布置在环形的内部；光源用于为陀螺仪提供光源；探测器用于探测光强度信息，并输出探测结果；耦合器用于将光源的光分成两束，两束光经过波导线圈模块后再次进入耦合器进行合并干涉，并输出到探测器；调制器用于为陀螺仪产生一个设定灵敏度的相位偏置；波导线圈模块用于将一束光顺时针传输，并将另一束光逆时针传输，从而把转速信息加载到光的相位上。
7.所述的微小型集成光纤陀螺仪还包括半导体制冷器；基底板设置在半导体制冷器上；所述半导体制冷器用于基底板的散热。
8.所述的光源为超辐射发光二极管或掺饵超荧光光纤光源；光源通过直接附接的方式、iii-v键合的方式、外延生长的方式或经由量子点技术生长的方式布置在基底板上。
9.所述的探测器由iii-v族ingaas探测器组成；探测器通过晶圆键合工艺键合到基底板上。
10.所述的耦合器为基于铌酸锂薄膜的多模干涉耦合器。
11.所述的调制器采用铌酸锂薄膜材料，通过外延生长的方式或粘接的方式布置在基底板上；调制器的行波电极设计为电极间隔7μm，电极宽度为24μm，电极厚度为1μm；行波电极结构的半波电压为2.90v，频率响应为2db时带宽为76.8g；调制器的波导光路中，铌酸锂薄膜层宽度为1.26μm，刻蚀角度为70
°
，高度为350nm，二氧化硅层高度为250nm；
12.所述的波导线圈模块包括波导线圈和硅材料层；硅材料层从上到下依次为厚度为1μm的二氧化硅包层、厚度为2μm的二氧化硅掩埋层和厚度为700μm的硅衬底；波导线圈由硅制成，布置在二氧化硅包层的最下部，波导线圈的宽度为2.3μm，波导线圈的厚度为220nm，波导线圈绕制成盘绕环形。
13.所述的盘绕环形，具体包括如下内容：
14.每一个圆角为由一对45
°
的欧拉弯道组成的90
°
欧拉弯道；90
°
欧拉弯道由最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
决定；90
°
欧拉弯道的有效半径r
eff
为90
°
欧拉弯道所占据的方形区域内90
°
弧形弯曲的半径；
15.90
°
欧拉弯道的曲线表示为其中θ切向角，l为从曲线的起点到曲线上任意位置的曲线长度，r为曲率半径，a为常数且计算式为l0为当r＝r
min
时曲线起点到曲线末端位置的曲线长度；
16.最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
自行设定，且设定原则为：最大曲率半径r
max
要足够大，从而保证多模直波导和多模弯曲波导之间的模式失配失效；最小曲率半径r
min
要足够小，从而保证波导绝热弯曲且波导线圈模块的面积最小；
17.在盘绕环形中，相邻的圆角矩形之间的间隔设定原则为：在保证波导线圈耦合长度达到设定值的前提下，波导线圈模块的面积尽可能小。
18.本发明提供的这种微小型集成光纤陀螺仪，将光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块布置到同一块基底板上，并通过对波导线圈模块的创新性设计，不仅实现了微小型集成光纤陀螺仪的功能，而且陀螺仪的体积更小，可靠性更高，精确度更好。
附图说明
19.图1为本发明陀螺仪的结构示意图。
20.图2为本发明陀螺仪的调制器的波导光路的剖面示意图。
21.图3为本发明陀螺仪的耦合器的结构示意图。
22.图4为本发明陀螺仪的波导线圈模块的结构示意图。
23.图5为本发明陀螺仪的波导线圈模块中的盘绕环形的示意图。
具体实施方式
24.如图1所示为本发明陀螺仪的结构示意图：本发明提供的这种微小型集成光纤陀螺仪，包括基底板、光源1、探测器2、耦合器3、调制器4和波导线圈模块5；光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块均布置在基底板上；光源的输出端连接耦合器的第一输入端，探
测器的输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的输出端连接调制器的输入端；调制器的第一输出端连接波导线圈模块的一端，调制器的第二输出端连接波导线圈模块的另一端；波导线圈模块的形状为盘绕环形，光源、探测器、耦合器、调制器均布置在环形的内部；光源用于为陀螺仪提供光源；探测器用于探测光强度信息，并输出探测结果；耦合器用于将光源的光分成两束，两束光经过波导线圈模块后再次进入耦合器进行合并干涉，并输出到探测器；调制器用于为陀螺仪产生一个设定灵敏度的相位偏置；波导线圈模块用于将一束光顺时针传输，并将另一束光逆时针传输，从而把转速信息加载到光的相位上。
25.光从光源出射后，再从左至右经过mmi耦合器被分成两束光。这两束光分别沿顺时针和逆时针方向通过相位调制器进入传感波导线圈。由于sagnac效应，顺逆时针两束光在传感波导线圈中产生一个由旋转引起的相位差。之后，两束光再从右到左经过耦合器，在耦合器中相互干涉，干涉后的光束被探测器接收。一种微小型集成光学陀螺仪的工作原理可以简单的解释为传感波导中沿顺逆时针方向传输的两束光的双光束干涉过程，sagnac效应导致的相位差反应了旋转角速度的大小，经过双光束干涉后，相位差信息将转化为光强度信息再被探测器接收。
26.具体实施时，微小型集成光纤陀螺仪还包括半导体制冷器；基底板设置在半导体制冷器上；所述半导体制冷器用于基底板的散热，确保陀螺仪芯片在全温度范围内具有较好的波长和功率稳定性，从而保证微小型集成光纤陀螺仪的精度。
27.具体实施时，光源为超辐射发光二极管或掺饵超荧光光纤光源；光源通过直接附接的方式、iii-v键合的方式、外延生长的方式或经由量子点技术生长的方式布置在基底板上。
28.具体实施时，探测器由iii-v族ingaas探测器组成；探测器通过晶圆键合工艺键合到基底板上；高质量iii-v族材料在光纤通信的宽波段内具有较大的吸收系数，可集成制备出高性能的探测器，在光电子集成芯片和光互连领域发挥重要的作用。
29.具体实施时，耦合器为基于铌酸锂薄膜的多模干涉耦合器；耦合器可以有两种实现方式，图3(a)为1*2的多模干涉耦合器，图3(b)为2*2的多模干涉耦合器。mmi耦合器输出上端口和下端口的透射率接近，均为0.487左右。耦合器用来将输入光分成两个输出光束(也可将两个输入光束合并成一个输出光束)。在应用时，1*2的多模干涉耦合器刚好与图1中的耦合器对应，而2*2的多模干涉耦合器在图1中应用时，则需要将2个输出端分别连接到调制器4的两个调制臂上。
30.具体实施时，调制器采用铌酸锂薄膜材料，通过外延生长的方式或粘接的方式布置在基底板上；铌酸锂有着出色的电光效应，电光系数可达30.8pm/v,可制备高性能电光调制器件，实现对传输光的线性调制；在考量微波损耗与电光作用效果的平衡关系后，行波电极特性阻抗与50ω的负载阻抗相匹配时，可以有效避免微波反射；调制器的行波电极设计为电极间隔7μm，电极宽度为24μm，电极厚度为1μm；行波电极结构的半波电压为2.90v，频率响应为2db时带宽为76.8g；图2为铌酸锂薄膜电光调制器芯片中波导光路的剖面示意图，调制器的波导光路中，向下刻蚀去除两侧的保护层21、铌酸锂薄膜层22和二氧化硅层23，铌酸锂薄膜层宽度tw为1.26μm，刻蚀角度angle为70
°
，高度etch_h为350nm，二氧化硅层23的高度为250nm；
31.如图4所示为本发明陀螺仪的波导线圈模块的结构示意图；波导线圈模块包括波
导线圈和硅材料层；硅材料层从上到下依次为厚度为1μm的二氧化硅包层41、厚度为2μm的二氧化硅掩埋层43和厚度为700μm的硅衬底44；波导线圈42由硅制成，布置在二氧化硅包层的最下部，波导线圈的宽度为2.3μm，波导线圈的厚度为220nm，波导线圈绕制成盘绕环形；硅和二氧化硅在光波长为1550nm处的折射率分别为3.47和1.44，由于硅和二氧化硅折射率差较大，光被紧紧限制在硅波导中；
32.如图5所示为本发明陀螺仪的波导线圈模块中的盘绕环形的示意图；盘绕环形则包括如下内容：
33.采用盘绕环形(即曲率渐变的方式)来保证光在传输过程中不激发高阶模式；
34.每一个圆角为由一对45
°
的欧拉弯道组成的90
°
欧拉弯道；90
°
欧拉弯道由最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
决定；90
°
欧拉弯道的有效半径r
eff
为90
°
欧拉弯道所占据的方形区域内90
°
弧形弯曲的半径；
35.90
°
欧拉弯道的曲线表示为其中θ为切向角，l为从曲线的起点到曲线上任意位置的曲线长度，r为曲率半径，a为常数且计算式为l0为当r＝r
min
时曲线起点到曲线末端位置的曲线长度；
36.为了最大限度地减少多余的损失和模式间的串扰，最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
自行设定，且设定原则为：最大曲率半径r
max
要足够大，从而保证多模直波导和多模弯曲波导之间的模式失配失效；最小曲率半径r
min
要足够小，从而保证波导绝热弯曲且波导线圈模块的面积最小；
37.盘绕波导每圈的曲率变化会随着波导端对端间隔增大而增大，同时，相同总长度下，波导整体尺寸也会随着波导端对端间隔增大而增大，但是波导端对端间隔过小则会导致模式在相邻两波导处发生耦合；因此，在盘绕环形中，相邻的圆角矩形之间的间隔width设定原则为：在保证波导线圈耦合长度达到设定值的前提下，波导线圈模块的面积尽可能小；在具体实施时，可以采用相邻间距为3.25μm的交叉波导，为了实现更紧凑的结构，首先取波导中心间距的最小值，即为3.25μm。
38.本发明使用多模波导取代传统单模波导来传输基模，以减小侧壁粗糙度引入的散射损耗，使光在较长波导传播时仍具有较小损耗；本发明采用曲率渐变型弯曲波导，使整体结构更为紧凑的同时减小了由于曲率突变引入的模式失配损耗及模间串扰。
39.本发明的优点在于：利用集成光电子工艺在晶圆上实现芯片式陀螺仪，具有低成本、集成化的特点，而且适用于大批量生产，成本更加低廉；采用全固态结构，无可动部件，片上集成芯片，更适用于恶劣复杂的环境，可靠性更高；将光源、耦合器、调制器及探测器设置在盘绕环形中间的位置，减小光纤陀螺仪片上集成的空间，达到小型化、轻量化的目的；采用曲率渐变型盘绕波导结构(即盘绕环形的方式)，使整体结构更为紧凑的同时减小了由于曲率突变引入的模式失配损耗及模间串扰；因此，本发明解决了现有的传统的光纤陀螺系统体积较大，分立器件较多，不利于集成，成本和系统损耗增加，噪声较大的问题，本发明的可靠性更高、精确度更好且体积更小。

技术特征：
1.一种微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于包括基底板、光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块；光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块均布置在基底板上；光源的输出端连接耦合器的第一输入端，探测器的输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的输出端连接调制器的输入端；调制器的第一输出端连接波导线圈模块的一端，调制器的第二输出端连接波导线圈模块的另一端；波导线圈模块的形状为盘绕环形，光源、探测器、耦合器、调制器均布置在环形的内部；光源用于为陀螺仪提供光源；探测器用于探测光强度信息，并输出探测结果；耦合器用于将光源的光分成两束，两束光经过波导线圈模块后再次进入耦合器进行合并干涉，并输出到探测器；调制器用于为陀螺仪产生一个设定灵敏度的相位偏置；波导线圈模块用于将一束光顺时针传输，并将另一束光逆时针传输，从而把转速信息加载到光的相位上。2.根据权利要求1所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的微小型集成光纤陀螺仪还包括半导体制冷器；基底板设置在半导体制冷器上；所述半导体制冷器用于基底板的散热。3.根据权利要求1或2所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的光源为超辐射发光二极管或掺饵超荧光光纤光源；光源通过直接附接的方式、iii-v键合的方式、外延生长的方式或经由量子点技术生长的方式布置在基底板上。4.根据权利要求3所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的探测器由iii-v族ingaas探测器组成；探测器通过晶圆键合工艺键合到基底板上。5.根据权利要求4所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的耦合器为基于铌酸锂薄膜的多模干涉耦合器。6.根据权利要求5所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的调制器采用铌酸锂薄膜材料，通过外延生长的方式或粘接的方式布置在基底板上；调制器的行波电极设计为电极间隔7μm，电极宽度为24μm，电极厚度为1μm；行波电极结构的半波电压为2.90v，频率响应为2db时带宽为76.8g；调制器的波导光路中，铌酸锂薄膜层宽度为1.26μm，刻蚀角度为70
°
，高度为350nm，二氧化硅层高度为250nm；所述的波导线圈模块包括波导线圈和硅材料层；硅材料层从上到下依次为厚度为1μm的二氧化硅包层、厚度为2μm的二氧化硅掩埋层和厚度为700μm的硅衬底；波导线圈由硅制成，布置在二氧化硅包层的最下部，波导线圈的宽度为2.3μm，波导线圈的厚度为220nm，波导线圈绕制成盘绕环形。7.根据权利要求6所述的微小型集成光纤陀螺仪，其特征在于所述的盘绕环形，具体包括如下内容：每一个圆角为由一对45
°
的欧拉弯道组成的90
°
欧拉弯道；90
°
欧拉弯道由最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
决定；90
°
欧拉弯道的有效半径r
eff
为90
°
欧拉弯道所占据的方形区域内90
°
弧形弯曲的半径；90
°
欧拉弯道的曲线表示为其中θ切向角，l为从曲线的起点到曲线上任意位置的曲线长度，r为曲率半径，a为常数且计算式为
l0为当r＝r
min
时曲线起点到曲线末端位置的曲线长度；最大曲率半径r
max
和最小曲率半径r
min
自行设定，且设定原则为：最大曲率半径r
max
要足够大，从而保证多模直波导和多模弯曲波导之间的模式失配失效；最小曲率半径r
min
要足够小，从而保证波导绝热弯曲且波导线圈模块的面积最小；在盘绕环形中，相邻的圆角矩形之间的间隔设定原则为：在保证波导线圈耦合长度达到设定值的前提下，波导线圈模块的面积尽可能小。

技术总结
本发明公开了一种微小型集成光纤陀螺仪，包括基底板、光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块；光源、探测器、耦合器、调制器和波导线圈模块布置在基底板上，波导线圈模块的形状为盘绕环形，光源、探测器、耦合器、调制器均布置在环形的内部；光源提供光源；探测器探测；耦合器将光分成两束，两束光经过波导线圈模块后再次进入耦合器进行合并干涉，并输出探测器；调制器产生一个相位偏置；波导线圈模块用于将一束光顺时针传输，将另一束光逆时针传输，从而把转速信息加载到光的相位上。本发明不仅实现了微小型集成光纤陀螺仪的功能，而且陀螺仪的体积更小，可靠性更高，精确度更好。精确度更好。精确度更好。


技术研发人员：黄端 胡可可 张玲
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/16