CN113310480A - 一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学陀螺***，包括：光源与直波导调制器的输入端连接；直波导调制器的输出端与Y波导相位调制器的输入端连接；Y波导相位调制器的上调制臂的输出端与第一光环形器的输入端连接；Y波导相位调制器的下调制臂的输出端与第二光环形器的输入端连接；Y波导相位调制器用于将经过调制后的光信号进行分光；第一光环形器的输出端与第一波导耦合器连接；第二光环形器的输出端与第二波导耦合器连接；第一光环形器的反射端与信号接收模块连接；第二光环形器的反射端与锁频模块连接；锁频模块还与光源连接；第一波导耦合器、第二波导耦合器还与谐振腔连接。本发明能够提高光学陀螺***的偏振性能并降低***成本。

Description

一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***

技术领域

本发明涉及光学陀螺技术领域，特别是涉及一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***。

背景技术

惯性技术是唯一具有全自主实时运动信息获取能力的核心技术，具有可靠性高、抗干扰能力强等优势，在国防安全和国计民生的众多领域起到不可替代的关键性作用。随着惯性技术的发展和应用范围的逐渐扩大，为了实现对运动载体的精确姿态检测，对惯性器件提出了更高的要求，其中对于中、低精度陀螺仪的高可靠性、小型化和低成本的需求尤为迫切。集成光学陀螺作为第二代光学陀螺仪，区别于传统的利用高速转子定轴性敏感角速度的机械陀螺和静电陀螺，利用Sagnac效应实现角速度检测，不存在可动部件，抗冲击和振动能力强，具有很高的可靠性；利用窄线宽激光在高品质因数环形谐振腔的多光束干涉增强Sagnac效应，能够在较短几何光程内实现数百甚至上千倍的等效光程，从而在小体积内实现较高的陀螺检测精度；利用集成光电子技术逐步将光学、光电器件及检测电路集成在单一基片上，可实现小型化和批量化生产、大幅度降低陀螺成本。因此，集成光学陀螺被认为是在整个低、中精度领域实现陀螺可靠性、小型化和低成本最有研究前景的方案之一，具有非常广阔的应用需求和极其重要的研究价值。

环形波导谐振腔作为谐振式集成光学陀螺的核心部件，其极限灵敏度与环形谐振腔的清晰度及其所围成的有效面积有着密切关系，与光纤陀螺和激光陀螺相比，谐振式集成光学陀螺在小型化和集成化方面均有着巨大优势。环形波导谐振腔的性能好快直接决定着谐振式集成光学陀螺的分辨率及其它性能，是该种陀螺设计和制造的关键。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，品质因数低，并且难以实现起偏性能，会使***引入较大的偏振噪声，需要辅助偏振控制器，这无疑增加了***体积和成本，影响集成光学陀螺的应用和推广。

综上所述，针对现有的基于二氧化硅的谐振式集成光学陀螺***，由于二氧化硅波导谐振腔损耗较大，品质因数低，并且难以实现起偏性能，导致***存在较大的偏振噪声，需要辅助偏振控制器，这无疑增加***成本。因此，需要一种偏振性能高且成本低的光学陀螺***。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***，以提高光学陀螺***的偏振性能并降低***成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***，包括：光源、调制模块、第一光环形器、第二光环形器、谐振腔、第一波导耦合器、第二波导耦合器、信号接收模块和锁频模块；调制模块包括直波导调制器和Y波导相位调制器；

所述光源与所述直波导调制器的输入端连接；所述直波导调制器用于对所述光源发出的光信号进行信号调制；所述直波导调制器的输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接；所述Y波导相位调制器的上调制臂的输出端与第一光环形器的输入端连接；所述Y波导相位调制器的下调制臂的输出端与第二光环形器的输入端连接；所述Y波导相位调制器用于将经过调制后的光信号进行分光；所述第一光环形器的输出端与所述第一波导耦合器连接；所述第二光环形器的输出端与所述第二波导耦合器连接；所述第一光环形器的反射端与所述信号接收模块连接；所述第二光环形器的反射端与所述锁频模块连接；所述锁频模块还与所述光源连接；所述第一波导耦合器、所述第二波导耦合器还与所述谐振腔连接。

可选的，所述谐振腔的材料为氮化硅。

可选的，所述谐振腔为超宽度深比结构的谐振腔。

可选的，所述谐振腔为透射式谐振腔。

可选的，所述谐振腔为环形谐振腔。

可选的，所述光学陀螺***还包括光隔离器；所述光隔离器的输入端与所述光源连接；所述光隔离器的输出端与所述直波导调制器连接。

可选的，所述信号接收模块包括：依次连接的第一光电探测器、第一信号解调装置和陀螺信号采集装置；所述第一光电探测器的输入端还与所述第一光环形器的反射端连接。

可选的，所述锁频模块包括第二光电探测器和第二信号解调装置；所述第二光电探测器的输入端与所述第二光环形器的反射端连接；所述第二光电探测器的输出端与所述第二信号解调装置的输入端连接；所述第二信号解调装置的输出端与所述光源连接。

可选的，所述光源为激光器。

可选的，所述激光器为可调谐窄线宽激光器。

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：

本发明提供的基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***，光源发出的光在分光前就通过直波导调制器完成了信号调制，有助于消除可能由调制信号或者调制器系数不同所引起的传递函数差异和***的非互异性，提高光学陀螺***的偏振性能。仅通过谐振腔和其他光学元件的连接关系即可降低偏振噪声，从而减低***的成本。

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为本发明所提供的光学陀螺***的结构示意图。

符号说明：

1-激光器，2-光隔离器，3-直波导调制器，4-上调制臂，5-下调制臂，6- 第一光环形器，7-第二光环形器，8-第一波导耦合器，9-第二波导耦合器，10- 谐振腔，11-第一光电探测器，12-第一信号解调装置，13-陀螺信号采集装置， 14-第二光电探测器，15-第二信号解调装置。

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。

本发明的目的是提供一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***，以提高光学陀螺***的偏振性能并降低***成本。

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。

如图1所示，本发明提供的一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***，包括：光源、调制模块、第一光环形器6、第二光环形器7、谐振腔10、第一波导耦合器8、第二波导耦合器9、信号接收模块和锁频模块；调制模块包括直波导调制器3和Y波导相位调制器；还包括光隔离器2。

所述光源与所述直波导调制器3的输入端连接；所述直波导调制器3用于对所述光源发出的光信号进行信号调制；所述直波导调制器3的输出端与所述 Y波导相位调制器的输入端连接；所述Y波导相位调制器的上调制臂4的输出端与第一光环形器6的输入端连接；所述Y波导相位调制器的下调制臂5 的输出端与第二光环形器7的输入端连接；所述Y波导相位调制器用于将经过调制后的光信号进行分光；所述第一光环形器6的输出端与所述第一波导耦合器8连接；所述第二光环形器7的输出端与所述第二波导耦合器9连接；所述第一光环形器6的反射端与所述信号接收模块连接；所述第二光环形器7 的反射端与所述锁频模块连接；所述锁频模块还与所述光源连接；所述第一波导耦合器8、所述第二波导耦合器9还与所述谐振腔10连接。所述光隔离器2 的输入端与所述光源连接；所述光隔离器2的输出端与所述直波导调制器3 连接。

在实际应用中，所述谐振腔10的材料为氮化硅。

在实际应用中，所述谐振腔10为超宽度深比结构的谐振腔。

在实际应用中，所述谐振腔10为透射式谐振腔。

在实际应用中，所述谐振腔10为环形谐振腔。

作为一种可选的实施方式，所述信号接收模块包括：依次连接的第一光电探测器11、第一信号解调装置12和陀螺信号采集装置13；所述第一光电探测器11的输入端还与所述第一光环形器6的反射端连接。

作为一种可选的实施方式，所述锁频模块包括第二光电探测器14和第二信号解调装置15；所述第二光电探测器14的输入端与所述第二光环形器7的反射端连接；所述第二光电探测器14的输出端与所述第二信号解调装置15 的输入端连接；所述第二信号解调装置15的输出端与所述光源连接。

在实际应用中，所述光源为激光器1。

在实际应用中，所述激光器为可调谐窄线宽激光器。

本发明还提供一种基于氮化硅波导谐振腔的光学陀螺***更为具体的实施方式。激光器1输出端通过保偏光纤跳线与光隔离器2的输入端相连，光隔离器2的输出端通过保偏光纤跳线与直波导调制器3输入端相连接，直波导调制器3的输出端通过保偏光纤跳线分别与Y波导相位调制器的上调制臂4和下调制臂5相连，其中Y波导相位调制器的上调制臂4通过保偏光纤跳线与第一光环形器6的输入端相连，第一光环形器6的输出端通过第一波导耦合器 8与谐振腔10相连；Y波导相位调制器的下调制臂5通过保偏光纤跳线与第二光环形器7的输入端相连，第二光环形器7的输出端通过第二波导耦合器9 与谐振腔10相连，第一光环形器6的反射端通过保偏光纤跳线与第一光电探测器11的输入端相连，第一光电探测器11的输出端通过同轴电缆线与第一信号解调装置12输入端相连，第一信号解调装置12输出端与陀螺信号采集装置 13相连；第二光环形器7的反射端通过保偏光纤跳线与第二光电探测器14的输入端相连，第二光电探测器14的输出端通过同轴电缆线与第二信号解调装置15输入端相连。本发明中，激光器采用的是可调谐窄线宽激光器，对激光的调制信号可以选择方波信号、正弦信号和锯齿波信号等进行调制。氮化硅波导谐振腔采用透射式结构。谐振腔采用低损耗，高偏振消光比的Si3N4波导。

上述光学陀螺***的具体工作过程如下：

激光器1输出的光通过光隔离器2，然后激光器通过直波导调制器3进行调制，通过调制后的光通过Y波导相位调制器分为两路，一路通过上调制臂4，通过对其施加三角波信号实现载波抑制，抑制背向散射光，然后激光通过第一光环形器6，然后输出的光通过第一波导耦合器8耦合进入谐振腔10，激光在谐振腔10中不断传输，然后通过第二波导耦合器9耦合进入第二光环形器7，然后通过第二光环形器7的反射端输出，然后在通过第二光电探测器14将光信号转换为电信号后进入到第二信号解调装置15，经解调后的信号作为锁频信号，对激光器1进行锁频。

另一路光通过下调制臂5，通过对其施加三角波信号实现载波抑制，抑制背向散射光，然后激光通过第二光环形器7，然后输出的光通过第二波导耦合器9耦合进入谐振腔10，激光在谐振腔10中不断传输，然后通过第一波导耦合器8耦合进入第一光环形器6，然后通过第一光环形器6的反射端输出，然后再通过第一光电探测器11将光信号转换为电信号后进入到第一信号解调装置12，经解调后的信号作为陀螺信号，然后进入到陀螺信号采集装置13进行陀螺信号的采集。

本发明中，激光器输出的光在分光前就由直波导完成了信号调制，这有助于消除可能由调制信号或调制器调制系数不同所引起的传递函数差异和***非互易性。

波导环形谐振腔是构成很多集成光学器件的重要部件，在光通信和光传感领域有着广泛应用。采用微纳工艺将该结构集成在单片上，在小型化和集成化方面优势巨大。而具有高偏振消光比性能的波导环形谐振腔是制作相关偏振器件和抑制集成光学陀螺中偏振噪声的有效方案。

现有的基于二氧化硅波导谐振腔的集成光纤陀螺***，偏振噪声较大，体积较大，不易集成，品质因数低，并且难以实现起偏性能，成本和***损耗较大(约为0.1dB/cm)。由于采用二氧化硅波导腔，其损耗较大，品质因数低，并且难以实现起偏性能，使得在腔中传输的光具有两个偏振态，导致陀螺***具有较大的偏振噪声，降低***精度，为维持一个偏振态传输，需要辅助偏振控制器，这导致整体***体积较大，成本较高的问题。而本发明采用氮化硅谐振腔作为光学陀螺***的敏感单元，氮化硅波导对光限制能力强、抗辐射、热稳定性好，同时将波导设计成超高宽深比结构可以降低因侧壁粗糙度引起的散射损耗，降低了传输损耗，同时可以提高波导的偏振消光比，降低了***偏振噪声，并不需要额外的偏振控制装置实现起偏功能，降低了***体积和成本。用该结构波导制作的环形谐振腔同时具有高清晰度和单偏振的性能。

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 (10)

1.一种光学陀螺***，其特征在于，包括：光源、调制模块、第一光环形器、第二光环形器、谐振腔、第一波导耦合器、第二波导耦合器、信号接收模块和锁频模块；调制模块包括直波导调制器和Y波导相位调制器；

所述光源与所述直波导调制器的输入端连接；所述直波导调制器用于对所述光源发出的光信号进行信号调制；所述直波导调制器的输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接；所述Y波导相位调制器的上调制臂的输出端与第一光环形器的输入端连接；所述Y波导相位调制器的下调制臂的输出端与第二光环形器的输入端连接；所述Y波导相位调制器用于将经过调制后的光信号进行分光；所述第一光环形器的输出端与所述第一波导耦合器连接；所述第二光环形器的输出端与所述第二波导耦合器连接；所述第一光环形器的反射端与所述信号接收模块连接；所述第二光环形器的反射端与所述锁频模块连接；所述锁频模块还与所述光源连接；所述第一波导耦合器、所述第二波导耦合器还与所述谐振腔连接。

2.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述谐振腔的材料为氮化硅。

3.根据权利要求2所述的光学陀螺***，其特征在于，所述谐振腔为超宽度深比结构的谐振腔。

4.根据权利要求2所述的光学陀螺***，其特征在于，所述谐振腔为透射式谐振腔。

5.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述谐振腔为环形谐振腔。

6.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述光学陀螺***还包括光隔离器；所述光隔离器的输入端与所述光源连接；所述光隔离器的输出端与所述直波导调制器连接。

7.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述信号接收模块包括：依次连接的第一光电探测器、第一信号解调装置和陀螺信号采集装置；所述第一光电探测器的输入端还与所述第一光环形器的反射端连接。

8.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述锁频模块包括第二光电探测器和第二信号解调装置；所述第二光电探测器的输入端与所述第二光环形器的反射端连接；所述第二光电探测器的输出端与所述第二信号解调装置的输入端连接；所述第二信号解调装置的输出端与所述光源连接。

9.根据权利要求1所述的光学陀螺***，其特征在于，所述光源为激光器。

10.根据权利要求9所述的光学陀螺***，其特征在于，所述激光器为可调谐窄线宽激光器。

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