干涉型硅基芯片微光学陀螺

1.一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于，它具有依次连接的探测 器(2)、采样电路(10)、数字信号处理电路(9)、调制驱动电路(8)、Y波导调制 器(4)、分束器(3)，分束器(3)与光源(1)、探测器(2)相接，Y波导调制器(4) 与螺旋光波导(5)相接，螺旋光波导(5)具有螺旋光波导的Si基底(12)，在螺 旋光波导的Si基底(12)上设有上层螺旋光波导(6)、下层螺旋光波导(7)。
2.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 在所述的光源(1)与探测器(2)之间连接有量子控制光路(11)。
3.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 所述的分束器(3)具有YiVO4双折射晶体(14)、磁致旋光器(15)。
4.根据权利要求2所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 所述的量子控制光路(11)具有第一Y波导器(18)、相位补偿器(17)、频移器(16)、 第二Y波导器(19)，其中第一Y波导器(18)的两臂分别经相位补偿器(17)、频 移器(16)与第二Y波导器(19)相接。
5.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 所述的螺旋光波导(5)是以石英玻璃或硅做基底，用火焰水解的方法在其上生成 SiO2衬底和波导层，用极坐标激光直写技术光刻及蚀刻技术形成螺旋光波导， 再在上面生长上覆层，形成低损耗光波导。
6.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 所述的上层螺旋光波导(6)、下层螺旋光波导(7)两个螺旋光波导位于硅片基底 的同一面上，两者相对并且同心，螺旋光波导外端分别与Y波导的两端连接， 形成干涉型光波导结构。
7.根据权利要求1所述的一种干涉型硅基芯片微光学陀螺，其特征在于， 所述的螺旋光波导采用平行光泵浦及微透镜阵列，波导材料为掺铒或镱的SiO2。

技术领域\n本发明涉及一种干涉型硅基芯片微光学陀螺。\n技术背景\n高精度、高可靠、轻小型化一直是惯性导航陀螺所追求目标。利用Sagnac 效应的光学陀螺与第一代的各种机械陀螺相比，就符合这个目标。因此光学陀 螺中的激光陀螺(ROG)就成为第二代陀螺，是二十世纪七十年代的创新产物； 光纤陀螺(FOG)是第三代陀螺，是二十世纪九十年代的创新产物，目前FOG已 进入全面应用；微光学陀螺(MOG)可以说是第四代陀螺，是二十一世纪的新产 物。MOG与微机械陀螺(MEMS陀螺)相比，虽然尺寸要略大一些，但精度要高1～ 2个数量级。微光学陀螺与光纤陀螺相比，具有突出的优势，是光陀螺技术的发 展方向。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种干涉型硅基芯片微光学陀螺。\n它具有依次连接的探测器、采样电路、数字信号处理电路、调制驱动电路、 Y波导调制器、分束器，分束器与光源、探测器相接，Y波导调制器与螺旋光波 导相接，螺旋光波导具有螺旋光波导的Si基底，在螺旋光波导的Si基底上设 有上层螺旋光波导、下层螺旋光波导。\n本发明的有益效果\n1)与光纤陀螺相比，微光学陀螺用光波导取代光纤，克服分立元件组合的 不足，特别是光纤过长(300～500m)温度及振动影响大的缺点，可获得尺寸更 小的高可靠性、高精度光陀螺。\n2)与微机械陀螺相比，可获得尺寸接近，无运动部件的全固化，精度更高、 能批量生产的陀螺。\n3)新的光波导是在硅(Si)基上实现，因此微光学陀螺是芯片化陀螺。可 将光源、光器件、处理电路做在一个硅芯片上，提高精度与可靠性。\n综上所述，从精度和集成度看微光学陀螺是优于微机械陀螺的新一代陀螺， 是近年来在陀螺技术上的发展方向。\n附图说明\n图1是不带量子控制光路的干涉型硅基芯片微光学陀螺结构示意图；\n图2是带量子控制光路的干涉型硅基芯片微光学陀螺结构示意图；\n图3是本发明螺旋光波导的剖面图；\n图4是本发明螺旋光波导的俯视图；\n图5是本发明螺旋光波导的仰视图；\n图6是本发明上层光波导的剖面图；\n图7是本发明螺旋光波导主动式有源光波导原理图；\n图8是本发明分束器光源偏振分光原理图；\n图9是本发明量子控制光路原理图；\n图中光源1、探测器2、分束器3、Y波导调制器4、螺旋光波导5、螺旋光 波导的上层光波导6、螺旋光波导的下层光波导7、调制驱动电路8、数字信号 处理电路9、采样电路10、量子控制光路11、螺旋光波导的Si基底12、SiO2 层13、YiVO4双折射晶体14、磁致旋光器15、频移器16、相位补偿器17、第一 Y波导器18，第二Y波导器19。\n具体实施方式\n微光学陀螺以硅基光波导取代光纤，并将其他光学器件集成在硅片上， 本发明采用的结构组成是：\n如图1所示，干涉型微光学陀螺(IMOG)结构。干涉型硅基芯片微光学陀 螺具有依次连接的探测器2、采样电路10、数字信号处理电路9、调制驱动电路 8、Y波导调制器4、分束器3，分束器3与光源1、探测器2相接，Y波导调制 器4与螺旋光波导5相接，螺旋光波导5具有螺旋光波导的Si基底12，在螺旋 光波导的Si基底12上设有上层螺旋光波导6、下层螺旋光波导7。上层螺旋光 波导6、下层螺旋光波导7位于同一硅基底的上面，相对并且同心，外端分别与 Y波导的两端连接。来自光源1的光束经分束器3、Y波导4后形成顺时针光束 (CW)和逆时针光束(CCW)分别进入两个螺旋形波导6、7的输入端，又经过 输入端返回到Y波导4，经分束器3在探测器2上形成干涉强度信号。根据Sagnac 效应，当有角速度时CW与CCW两光束产生位相差，其值正比于转动速度。Y波 导利用驱动电路8通过数字信号处理电路9实现对CW或CCW的位相调制，经调 制的信号通过处理电路解调后获得输出信息。本方案的优点在于试验时光源、 分束器、Y波导、探测器、处理电路等均可采用目前高精度光纤陀螺的技术来进 行，该技术已达工程应用程度。\n如图2所示，干涉型微光学陀螺(IMOG)结构，其特点是在光源1和分束 器间3有一个量子控制光路11。\n如图3所示，螺旋光波导的剖面图，从上到下依次是SiO2层13、螺旋光波 导的上层光波导6、SiO2层13、螺旋光波导的下层光波导7、SiO2层13、螺 旋光波导的Si基底12。\n如图4所示，螺旋光波导的俯视图是顺时针螺旋形的光波导。\n如图5所示，螺旋光波导的俯视图是逆时针螺旋形的光波导。\n如图6所示，低损耗环形波导设计工艺工艺设计及微加工的方案。采用 Full-FDTD的方法对弯曲波导的辐射损耗模拟，弯曲波导的折射率调制为0.02， 曲率半径4mm，波导宽度3μm，深度1.5μm。根据理论设计我们提出的工艺设 计及微加工的方案如图3所示。主要采用火焰水解(FHD)的方法和极坐标激光 直写技术来实现。火焰水解法是制作光纤预制棒的方法，由这种方法制作的SiO2 波导的纯度很高，吸收损耗小以石英或硅做基底，用火焰水解的方法在其上生 成SiO2衬底和波导层，用极坐标激光直写技术光刻及蚀刻螺旋光波导，再在上 面生长一层覆层。弯曲光波导层可采用掺杂的材料，如对1550nm波长的采用掺 铒/镱的Al2O3，对1310nm波长则为掺Ge的SiO2。光波导的深度与宽度可根据 理论研究模型用Full-FDTD的方法优化设计，使波导的损耗达到最低值。\n如图7所示，主动式有源光波导的设计原理。螺旋光波导采用平行光泵浦 及微透镜阵列，波导材料为掺铒/镱的SiO2。目前直波导及弯曲波导的损耗仍然 比较大，影响MOG的实现及精度，在技术上未取得突破性进展之前。我们提出 采用有源波导放大器的方法，这是补偿光损耗和提高精度的有效途径。采用激 光侧泵的方式，可以用半导体激光器或LD泵浦及微透镜阵列来实现，波导材料 为掺铒/镱的SiO2。\n如图8所示，分束器光源偏振分光原理图。分束器3具有YiVO4双折射晶体 14、磁致旋光器15。鉴于硅基光波导中的损耗以及有源弯曲波导放大器目前尚 未取得突破，损耗远大于光纤传输的损耗。为提高微光学陀螺中的传输光强， 可采用的偏振分光方案。此方案用具有较大双折射效应的钒酸钇(YiVO4)晶体 替代传统的2×2耦合器，可使光源的利用效率提高4倍以上，等效于硅基光波 导长度提高4倍以上，以保证微光学陀螺的灵敏度。在图5中，SLD光源的出射 光为全偏振态，进入钒酸钇晶体14后发生双折射，其中的e光经磁光旋转器15 后，可全部通过Y调制器进入微光学陀螺，并返回重新经过磁光旋转器后成为o 光，经钒酸钇晶体到达探测器，因此该方案中，光源能量可利用50％。而传统2×2 耦合器方案中，光束两次经过2×2耦合器，光能量仅为光源总能量的1/4，而 全偏振态的光进入Y波导调制器时，又损失一半，因此光源能量仅利用了12.5％。\n如图9所示，量子控制光路。量子控制光路11具有第一Y波导器18、第一 Y波导器18分别经相位补偿器17、频移器16与第二Y波导器19相接。光波导 是集成光路的基础元件，为了实现光集成器件的良好性能，极需要低损耗波导。 通过量子相干控制探索集成光波导的损耗，可以极大的提高波导器件的性能。 光从光源1出来，经过第一个Y波导器18分成两束光，一束光经过相位补偿器 17，进入第二个Y波导器19，另一束光经过移频器16也进入第二个Y波导器 19和第一束光合在一起，再进入分束器3。