光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片

1.一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：该芯片(6)包括两个Y分支波导(32、33)和一个弧形波导(31)，弧形波导(31)的一端连接第一Y分支波导(32)，弧形波导(31)的另一端连接第二Y分支波导(33)，第二Y分支波导(33)的两侧设有调制器电极(34)，第一Y分支波导(32)的两分支端分别连接芯片第一端口(11)和第二端口(12)，第二Y分支波导(33)的两分支端分别连接芯片第三端口(13)和第四端口(14)，该芯片(6)的四个边缘分别为反射辐射模边缘(21)、上边缘(22)、下边缘(23)和尾纤耦合边缘(24)，该芯片的四个端口均在尾纤耦合边缘(24)上，距离上边缘(22)由近及远依次为第一端口(11)、第二端口(12)、第三端口(13)和第四端口(14)，与尾纤耦合边缘(24)相对的边缘为反射辐射模边缘(21)，弧形波导(31)靠近反射辐射模边缘(21)的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：所述的所有波导宽度为4～7μm；两个Y分支波导(32、33)的分支夹角(30)为0.5°～2°。
3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：所述的芯片(6)为平行四边形，切割角(20)为78°～82°。
4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：所述的反射辐射模边缘(21)的倾角(10)为80°～85°。
5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：所述的第一端口(11)与第二端口(12)的间距和第三端口(13)与第四端口(14)的间距均为0.25～1mm，第二端口(12)与第三端口(13)的间距为3～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，其特征在于：所述的弧形波导(31)曲率半径为2～6mm。

技术领域\n本发明涉及电光材料的集成光学芯片，尤其是涉及一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片。\n背景技术\n光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应的角速度光纤传感器，是光、机、电、算一体化的高精密干涉系统。目前，光纤陀螺都是采用图1所示的结构，利用分立器件，通过光纤熔接手段实现器件之间的相互连接来构建光学系统。参阅图1，在光纤陀螺的光学系统中，光源1发出的光先后通过分束器3和Y波导调制器后4分成两束，进入光纤环5并且以相反的方向传播，干涉后再依次经过Y波导调制器4和分束器3汇合到探测器2。其中，Y波导调制器4完成分/合光、起偏和相位调制多个功能，分束器3则保证光纤陀螺互易性条件的满足。互易性与良好的调制特性正是保证光纤陀螺高精度高稳定工作的核心条件。\n在保证光纤陀螺互易性的同时，分束器也引入了其他的问题，例如插入损耗、分束比、消光比等指标随温度的变化所导致的陀螺性能下降。分束器与Y波导调制器的连接需通过尾纤熔接方式实现，由此导致陀螺光学系统的损耗增加，稳定性与可靠性降低，制作工艺复杂且体积庞大，不能适应光纤陀螺高精度、高可靠性、小型化的发展趋势。\n发明内容\n针对光纤陀螺的发展需求与现有分立器件的不足，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺用互易性集成光学调制芯片，替代分立的分束器与Y波导调制器并完成这两种器件的功能，为光纤陀螺提供一个高度集成化器件，满足光纤陀螺小型化、低成本、高精度、高可靠性和互易性的要求。\n本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：\n该芯片包括两个Y分支波导和一个弧形波导，弧形波导的一端连接第一Y分支波导，弧形波导的另一端连接第二Y分支波导，第二Y分支波导的两侧设有调制器电极，第一Y分支波导的两分支端分别连接芯片第一端口和第二端口，第二Y分支波导的两分支端分别连接芯片第三端口和第四端口，该芯片的四周设有反射辐射模边缘、上边缘、下边缘、尾纤耦合边缘。\n所述的所有波导宽度为4～7μm；两个Y分支波导的分支夹角为0.5°～2°。\n所述的芯片为平行四边形，切割角为78°～82°。\n所述的反射辐射模边缘的倾角为80°～85°。\n所述的第一端口与第二端口的间距和第三端口与第四端口的间距均为0.25～1mm，第二端口与第三端口的间距为3～10mm。\n所述的弧形波导曲率半径为2～6mm。\n本发明具有的有益效果是：\n1)该集成光学调制芯片取代分束器和Y波导调制器，可完成分束器与Y波导调制器这两种分立元件在光纤陀螺中的所有功能。\n2)利用第一Y分支波导替代传统的光纤拉制而成的分束器，可提高温度、振动等环境工作稳定性，提高通过谱宽，同时可避免单模光纤分束器中双折射带来的不利影响，以及保偏光纤分束器中的对轴熔接误差问题。\n3)利用第二Y分支波导替代Y波导调制器，并以弧形波导连接两个Y分支波导，具有分隔辐射模影响区域从而满足光纤陀螺互易性要求的作用，可减少系统中的光纤熔接点，降低系统损耗，增强系统的可靠性、稳定性。\n4)芯片中采用质子交换工艺制作的波导比现有Y波导调制器中的波导行程长，可提高偏振性能。\n综上所述，该集成光学调制芯片取代分束器和Y波导调制器应用于光纤陀螺，可提高光学系统的集成度，克服分立元件组合的不足，提高光纤陀螺的可靠性和环境性能，有助于精简陀螺的结构，减小系统空间占用，简化陀螺制作工艺，获得尺寸更小的高精度、高稳定性光纤陀螺。\n附图说明\n图1是光纤陀螺的光学系统结构图。\n图2是本发明所述的互易性集成光学调制芯片图。\n图3是图2的A-A切面图。\n图中：1、光源，2、探测器，3、分束器，4、Y波导调制器，5、光纤环，6、互易性集成光学调制芯片，10、打磨倾角，11.12.13.14、端口，20、切割角，21、反射辐射模边缘，22、上边缘，23、下边缘，24、尾纤耦合边缘，30、Y分支波导夹角，31、弧形波导，32、第一Y分支波导，33、第二Y分支波导，34、调制器电极。\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明作进一步的说明。\n如图2所示，本发明的互易性集成光学调制芯片6包括两个Y分支波导32、33和一个弧形波导31，弧形波导31的一端连接第一Y分支波导32，弧形波导31的另一端连接第二Y分支波导33，第二Y分支波导33的两侧设有调制器电极34，第一Y分支波导32的两分支端分别连接芯片第一端口11和第二端口12，第二Y分支波导33的两分支端分别连接芯片第三端口13和第四端口14，该芯片6的四周设有反射辐射模边缘21、上边缘22、下边缘23、尾纤耦合边缘24。所述的所有波导宽度为4～7μm；两个Y分支波导32、33的分支夹角30为0.5°～2°。\n所述的芯片6为平行四边形，切割角20为78°～82°。\n所述的第一端口11与第二端口12的间距和第三端口13与第四端口14的间距均为0.25～1mm，第二端口12与第三端口13的间距为3～10mm。\n所述的弧形波导31曲率半径为2～6mm。\n如图3所示，所述的反射辐射模边缘21的打磨倾角10为80°～85°。\n本发明的集成光学调制芯片制作步骤如下：\n1.利用铌酸锂电光晶体作为基底材料。\n2.按照切割角20的要求将基底材料切割成平行四边形。\n3.为所述的两个Y分支波导和一个弧形波导制作掩模板。\n4.采用光刻和质子交换工艺，在切割好的基底上制作两个Y分支波导和一个连接二者的弧形波导。\n5.采用光刻工艺在第二Y分支波导33的分支上制作调制器电极34。\n6.对芯片的反射辐射模边缘21进行倾角打磨，对反射辐射模边缘边缘21、尾纤耦合边缘24抛光，对芯片的上边缘22、下边缘23进行消光打磨，芯片制作完成。通过对芯片四个边缘的处理，波导中的辐射模将进入芯片衬底被吸收或散射，从而保证辐射模的传播远离第二Y分支波导，消除辐射模对第三端口、第四端口的非互易影响，保证光路互易性。\n本发明的集成光学调制芯片应用于光纤陀螺中时，光源发出的光由第一端口11进入芯片，被分成两束光波从第三端口13和第四端口14进入光纤环并且以相反的方向传播，干涉后再由第三端口13和第四端口14返回芯片，经第二端口12到达探测器。光源也可以由第二端口12进入芯片，相应的，返回光波则由第一端口11到达探测器。