CN113280804A - 一种纳米光子陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米光子陀螺仪。所述纳米光子陀螺仪包括：波导芯片和刻蚀在所述波导芯片上的激光器、干涉仪、耦合器模块、谐振腔和光电探测器模块；所述激光器与所述干涉仪的第一端连接，所述干涉仪的第二端与所述耦合器模块的第一端连接，所述耦合器模块的第二端与所述谐振腔连接，所述耦合器模块的第三端与所述光电探测器模块连接。本发明可以减小陀螺仪的体积。

Description

一种纳米光子陀螺仪
技术领域
本发明涉及集成光学陀螺领域，特别是涉及一种纳米光子陀螺仪。
背景技术
基于萨格纳克效应的光学陀螺由于具有全固态、抗电磁干扰、精度高、动态范围宽的优点，逐渐成为陀螺市场的主流。现有的光学陀螺，主要包括激光陀螺和干涉式光纤陀螺，激光陀螺和干涉式光纤陀螺的相关技术已经比较成熟，但面对下一步空间卫星应用或自主导航等领域对高精度和小型化陀螺的需求，激光陀螺和干涉式光纤陀螺都遇到了技术瓶颈。
为了满足惯性导航***发展的需求，高精度、小型化低成本是陀螺技术研究方向。谐振式集成光学陀螺利用谐振原理增强萨格纳克效应，不仅能够实现较高的检测精度，还在小型化上具有明显的优势，又克服了闭锁效应，具有同时实现惯性器件高精度、小型化的潜在优势。因此具有巨大的市场需求而受到科研人员的重视。
目前相关研究人员对谐振式集成光学陀螺进行了大量的研究，零偏稳定性等性能指标也有了很大的提高，但是***分立器件较多，如铌酸锂调制器、耦合器、谐振腔等器件需要通过光纤进行耦合连接，从而使得体积和***功耗较大，成本较高，难以实现工程应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米光子陀螺仪，可以减小陀螺仪的体积。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种纳米光子陀螺仪，包括：波导芯片和刻蚀在所述波导芯片上的激光器、干涉仪、耦合器模块、谐振腔和光电探测器模块；所述激光器与所述干涉仪的第一端连接，所述干涉仪的第二端与所述耦合器模块的第一端连接，所述耦合器模块的第二端与所述谐振腔连接，所述耦合器模块的第三端与所述光电探测器模块连接。
可选的，所述耦合器模块包括：第一波导耦合器模块和第二波导耦合器模块，所述第一波导耦合器模块的第一端与所述干涉仪的第二端连接，所述第一波导耦合器模块的第二端与所述光电探测模块连接，所述第一波导耦合器模块的第三端与所述第二波导耦合器模块的第一端连接，所述第二波导耦合器模块的第二端与所述谐振腔连接。
可选的，所述第一波导耦合器模块包括：第一波导耦合器和第二波导耦合器；
所述第一波导耦合器的第一端与所述干涉仪的第一输出端连接；所述第一波导耦合器的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第一波导耦合器的第三端与所述第二波导耦合器模块连接；
所述第二波导耦合器的第一端与所述干涉仪的第二输出端连接；所述第二波导耦合器的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第二波导耦合器的第三端与所述第二波导耦合器模块连接。
可选的，所述第二波导耦合器模块包括：第三波导耦合器、第四波导耦合器、第五波导耦合器和第六波导耦合器；
所述第三波导耦合器的输入端与所述第一波导耦合器的第一输出端连接；所述第四波导耦合器的输入端与所述第一波导耦合器的第二输出端连接；
所述第五波导耦合器的输入端与所述第二波导耦合器的第一输出端连接；所述第六波导耦合器的输入端与所述第二波导耦合器的第二输出端连接；
所述第三波导耦合器的输出端、所述第四波导耦合器的输出端，所述第五波导耦合器的输出端和所述第六波导耦合器的输出端均与所述谐振腔连接。
可选的，所述光电探测器模块包括：第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器的输入端与所述第一波导耦合器的第二端连接；所述第二光电探测器的输入端与所述第二波导耦合器的第二端连接。
可选的，所述干涉仪为马赫增德干涉仪。
可选的，所述谐振腔的材料为Si3N4波导。
可选的，所述第一波导耦合器和所述第二波导耦合器均为双进双出的波导耦合器。
可选的，所述第三波导耦合器、所述第四波导耦合器、所述第五波导耦合器和所述第六波导耦合器均为单进双出的波导耦合器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过将激光器、干涉仪、耦合器模块、谐振腔和光电探测器模块刻蚀在同一芯片上，由于芯片为刻蚀有波导的波导芯片，使得各种光学器件之间直接通过芯片上的波导连接不需要光纤进行连接，减小了陀螺仪的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的纳米光子陀螺仪的结构示意图。
符号说明：1-激光器，2-干涉仪，3-第一波导耦合器，4-第三波导耦合器，5-第四波导耦合器，6-第二波导耦合器，7-第五波导耦合器，8-第六波导耦合器，9-谐振腔，10-第一光电探测器，11-第二光电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
现有的谐振式光学陀螺***分立器件较多体积较大，不利于集成，增加***成本和功耗，并且引入较大***噪声，降低了***的稳定性和测试精度，同时，传统的集成光学陀螺一般采用二氧化硅波导腔，二氧化硅波导谐振腔损耗较大(约为0.1dB/cm)，品质因数低，并且难以实现起偏性能，需要辅助偏振控制器。
针对以上问题，本实施例提供了一种片上集成式纳米光子陀螺仪，将分立器件与波导谐振腔集成到一块芯片上，不但减小了光子陀螺仪的体积，而且降低了功耗和成本，提高***的稳定性，可满足不同精度、不同应用的陀螺的要求。如图1所示，所述纳米光子陀螺仪，包括：波导芯片和刻蚀在所述波导芯片上的激光器1、干涉仪2、耦合器模块、谐振腔9和光电探测器模块；所述激光器1与所述干涉仪2的第一端连接，所述干涉仪2的第二端与所述耦合器模块的第一端连接，所述耦合器模块的第二端与所述谐振腔9连接，所述耦合器模块的第三端与所述光电探测器模块连接，所有结构完全集成到一片波导芯片上。
作为一种可选的实施方式，所述耦合器模块包括：第一波导耦合器模块和第二波导耦合器模块，所述第一波导耦合器模块的第一端与所述干涉仪2的第二端连接，所述第一波导耦合器模块的第二端与所述光电探测模块连接，所述第一波导耦合器模块的第三端与所述第二波导耦合器模块的第一端连接，所述第二波导耦合器模块的第二端与所述谐振腔9连接。
作为一种可选的实施方式，所述第一波导耦合器模块包括：第一波导耦合器3和第二波导耦合器6；所述第一波导耦合器3的第一端与所述干涉仪2的第一输出端连接；所述第一波导耦合器3的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第一波导耦合器3的第三端与所述第二波导耦合器模块连接；所述第二波导耦合器6的第一端与所述干涉仪2的第二输出端连接；所述第二波导耦合器6的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第二波导耦合器6的第三端与所述第二波导耦合器模块连接。
作为一种可选的实施方式，所述第二波导耦合器模块包括：第三波导耦合器4、第四波导耦合器5、第五波导耦合器7和第六波导耦合器8；所述第三波导耦合器4的输入端与所述第一波导耦合器3的第一输出端连接；所述第四波导耦合器5的输入端与所述第一波导耦合器3的第二输出端连接；所述第五波导耦合器7的输入端与所述第二波导耦合器6的第一输出端连接；所述第六波导耦合器8的输入端与所述第二波导耦合器6的第二输出端连接；所述第三波导耦合器4的输出端、所述第四波导耦合器5的输出端，所述第五波导耦合器7的输出端和所述第六波导耦合器8的输出端均与所述谐振腔9连接。
作为一种可选的实施方式，所述光电探测器模块包括：第一光电探测器10和第二光电探测器11；所述第一光电探测器10的输入端与所述第一波导耦合器3的第二端连接；所述第二光电探测器11的输入端与所述第二波导耦合器6的第二端连接，所述第一光电探测器10和第二光电探测器11的输出端连接，为陀螺仪的输出端。
作为一种可选的实施方式，所述干涉仪2为马赫增德干涉仪。
作为一种可选的实施方式，所述谐振腔9的材料为Si3N4波导(氮化硅波导)，最后采用键合工艺进行片上集成，所述氮化硅波导的芯层厚度为40nm。
作为一种可选的实施方式，所述第一波导耦合器3和所述第二波导耦合器6均为双进双出的波导耦合器(2×2波导耦合器)。
作为一种可选的实施方式，所述第三波导耦合器4、所述第四波导耦合器5、所述第五波导耦合器7和所述第六波导耦合器8均为单进双出的波导耦合器(1×2波导耦合器)。
作为一种可选的实施方式，第一探测器10和第二探测器11均采用InP工艺制作。
作为一种可选的实施方式，所述第三波导耦合器4的第一输出端与所述谐振腔9的第一端连接；所述第三波导耦合器4的第二输出端与所述谐振腔9的第二端连接；所述第四波导耦合器5的第一输出端与所述谐振腔9的第三端连接；所述第四波导耦合器5的第二输出端与所述谐振腔9的第四端连接；所述第五波导耦合器7的第一输出端与所述谐振腔9的第五端连接；所述第五波导耦合器7的第二输出端与所述谐振腔9的第六端连接；所述第六波导耦合器8的第一输出端与所述谐振腔9的第七端连接，所述第六波导耦合器8的第二输出端与所述谐振腔9的第八端连接。
具体工作过程如下：激光器1输出的激光输入马赫增德干涉仪，经过马赫增德干涉仪会对激光进行调制，然后分为两路，一路光(上路光)通过第一波导耦合器3分为两路分光，其中一路分光通过第三波导耦合器4的第一输出端使光沿逆时针方向耦合进入到谐振腔9中，再通过第四波导耦合器5的第一输出端进入第四波导耦合器5，再进入第一波导耦合器3，再通过第一波导耦合器3的第二端进入第一探测器10将光信号转换为电信号，信号通过探测器输出，然后进行信号的处理，另外一路分光通过第四波导耦合器5的第二输出端使光沿顺时针方向耦合进入到谐振腔9中，再通过第六波导耦合器8的第二输出端进入第二波导耦合器6，再通过第二波导耦合器6的第二端进入第二探测器11将光信号转换为电信号，信号通过探测器输出，然后进行信号的处理。
同理，另一路光(下路光)通过第二波导耦合器6分为两路分光，其中一路分光通过第五波导耦合器7的第二输出端使光沿逆时针方向耦合进入到谐振腔9中，然后通过第三波导耦合器4的第二输出端进入第三波导耦合器4，再进入第一波导耦合器3，再通过第一波导耦合器3的第二端进入第一探测器10将光信号转换为电信号，信号通过探测器输出，然后进行信号的处理，另外一路分光通过第六波导耦合器8的第一输出端使光沿顺时针方向耦合进入到谐振腔9中通过第五波导耦合器7的第一输出端进入第五波导耦合器7，再进入第二波导耦合器6，然后通过第二波导耦合器6的第二端输入第二探测器11将光信号转换为电信号，然后进行信号的处理。
基于上述过程，与现有的集成光学陀螺***相比，本实施例提供的纳米光子陀螺仪结构合理、设计巧妙，具有如下优点：
(1)由一种单环结构的谐振倍增互易性敏感环路(由第一波导耦合器、第二波导耦合器、第三波导耦合器、第四波导耦合器、第五波导耦合器、第六波导耦合器和谐振腔构成的)构成的纳米光子陀螺，可大幅提高陀螺互易性，在降低加工难度、提升成品率的同时，进一步缩小陀螺体积。
(2)用了一种全起偏高清晰度光路制作方法，采用氮化硅波导制作谐振腔，氮化硅波导芯层尺寸厚度只有40nm，可以降低侧壁损耗，有望将波导损耗从0.1dB/cm降低至0.1dB/m，提升谐振腔品质因数的同时，实现单偏振，去掉辅助偏振控制器，有效抑制偏振噪声。
(3)低成本：利用集成光电子工艺在晶圆上实现规模化生产，具有大批量、低成本、集成化的特点。
(4)高可靠性：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军用环境。
(5)通过合理设计Si3N4波导截面尺寸，可以在保证低弯曲损耗的同时实现高偏振消光比，满足陀螺需求。
(6)采用高增益差分检测技术，可以有效分离陀螺输出中的共模和差模信号，在实现稳定跟踪谐振腔谐振频率的同时，有效增加信号环路增益，提升陀螺检测精度。
(7)解决了传统光学陀螺高精度与微小型的矛盾，突破低损耗波导谐振腔制作、高互易性敏感光路设计、有源与无源光电子器件的片上集成等关键技术。高精度的集成纳米光子陀螺***，既能够降低功耗和噪声，保证测试精度，又能减小体积，降低成本，扩大应用范围。
(8)解决了现有的传统的谐振式光学陀螺***体积较大，分立器件较多，不利于集成，成本和***损耗增加，噪声较大的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，包括：波导芯片和刻蚀在所述波导芯片上的激光器、干涉仪、耦合器模块、谐振腔和光电探测器模块；所述激光器与所述干涉仪的第一端连接，所述干涉仪的第二端与所述耦合器模块的第一端连接，所述耦合器模块的第二端与所述谐振腔连接，所述耦合器模块的第三端与所述光电探测器模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述耦合器模块包括：第一波导耦合器模块和第二波导耦合器模块，所述第一波导耦合器模块的第一端与所述干涉仪的第二端连接，所述第一波导耦合器模块的第二端与所述光电探测模块连接，所述第一波导耦合器模块的第三端与所述第二波导耦合器模块的第一端连接，所述第二波导耦合器模块的第二端与所述谐振腔连接。
3.根据权利要求2所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述第一波导耦合器模块包括：第一波导耦合器和第二波导耦合器；
所述第一波导耦合器的第一端与所述干涉仪的第一输出端连接；所述第一波导耦合器的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第一波导耦合器的第三端与所述第二波导耦合器模块连接；
所述第二波导耦合器的第一端与所述干涉仪的第二输出端连接；所述第二波导耦合器的第二端与所述光电探测器模块连接；所述第二波导耦合器的第三端与所述第二波导耦合器模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述第二波导耦合器模块包括：第三波导耦合器、第四波导耦合器、第五波导耦合器和第六波导耦合器；
所述第三波导耦合器的输入端与所述第一波导耦合器的第一输出端连接；所述第四波导耦合器的输入端与所述第一波导耦合器的第二输出端连接；
所述第五波导耦合器的输入端与所述第二波导耦合器的第一输出端连接；所述第六波导耦合器的输入端与所述第二波导耦合器的第二输出端连接；
所述第三波导耦合器的输出端、所述第四波导耦合器的输出端，所述第五波导耦合器的输出端和所述第六波导耦合器的输出端均与所述谐振腔连接。
5.根据权利要求3所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述光电探测器模块包括：第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器的输入端与所述第一波导耦合器的第二端连接；所述第二光电探测器的输入端与所述第二波导耦合器的第二端连接。
6.根据权利要求1所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述干涉仪为马赫增德干涉仪。
7.根据权利要求1所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述谐振腔的材料为Si3N4波导。
8.根据权利要求3所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述第一波导耦合器和所述第二波导耦合器均为双进双出的波导耦合器。
9.根据权利要求4所述的一种纳米光子陀螺仪，其特征在于，所述第三波导耦合器、所述第四波导耦合器、所述第五波导耦合器和所述第六波导耦合器均为单进双出的波导耦合器。
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