CN116558495A - 集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法，该陀螺仪包括：光源模块、第一耦合模块、第二耦合模块、至少两个偏振分离旋转模块、光电探测模块和螺旋波导模块；两个所述偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，用于将所述两束同为TE偏振态的光波转换为TE和TM两种偏振态，并送至螺旋波导模块的两端，使其各自在螺旋波导模块中以相反方向传输，然后接收经过螺旋波导模块之后的两束光并将两者偏振态都转换回相同的TE模；该陀螺仪去除了环行器或50/50耦合器的使用，避免了反射光波到光源，并且消除了***误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及光学陀螺仪领域，尤其涉及一种集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法。
背景技术
传统干涉式光学陀螺仪的配置如图1所示。光源发出的光被50/50耦合器分开，进入到单模波导线圈中形成顺时针和逆时针光束。当陀螺仪垂直于平面旋转时，反向传播的两路光经历不同的相移，该相移与旋转速度成正比。返回的光再经过50/50耦合器干涉后，相移被转换为强度信息。光经过环形器后由光电探测器检测到。环形器作为分立的光学器件，通常基于磁光介质材料，很难应用在单片集成芯片方案中；此外，环形器也有一定的损耗，约1-2dB；也增加了成本。不采用环形器则会有反射光到光源，这通常是不希望的。50/50耦合器也经常用来替代环形器，以提取返回的光送至探测器，但是这个50/50耦合器会导致额外的链路损耗，例如来回共两次经过50/50耦合器导致2×3dB＝6dB损耗，并且有部分反射光会经过50/50耦合器返回光源进而对光源造成影响。
上述环形器或50/50耦合器的额外损耗和反射等问题都影响了干涉式光学陀螺仪的性能。此外，***误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性产生影响，也需要进一步改善。所以，基于集成陀螺仪方案去除了环行器或50/50耦合器的使用，避免反射光波到光源，并且消除***误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性产生影响的意义重大。因此，亟需一种新型的集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法以改善上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法，该集成干涉陀螺仪链路光损耗低，避免发射光至光源，进而提高了干涉式光学陀螺仪的各项性能，也简化了制造，降低了成本。此外该集成干涉陀螺仪***可以消除了***误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性的影响。
第一方面，本发明提供一种集成干涉光学陀螺仪，包括：光源模块、第一耦合模块、第二耦合模块、两个偏振分离旋转模块、光电探测模块和螺旋波导模块；所述第一耦合模块用于将光源模块发出的一束光波分为两束光波；两个所述偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，用于将所述两束同为TE偏振态的光波转换为横电(transverse electric，TE)和横磁(transverse magnetic，TM)两种偏振态，并送至螺旋波导模块5的两端，使其各自在螺旋波导模块5中以相反方向传输，然后接收经过螺旋波导模块5之后的两束光并将两者偏振态都转换回相同的TE模；所述第二耦合模块用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波；所述光电探测模块与所述第二耦合模块连接，用于根据所述合成光波获取陀螺仪的旋转速度信息。
本发明的方法有益效果为：本发明提供的集成干涉光学陀螺仪中的两个偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，将所述两束光波分别以TE模和TM模偏振态经由螺旋波导模块传输。本发明提供的所述第二耦合模块用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波，所述光电探测模块与所述第二耦合模块连接，本发明无需环形器，也不会产生射向光源的反射光，能够避免光波的损耗，有利于提升集成干涉光学陀螺仪的性能。上述TE和TM偏振态的两束光波在陀螺仪静止状态下具有固定的相位差，可以通过合理设计这个固定的相位差使得集成干涉型光学陀螺仪工作在最佳的工作点上，更有效的获取旋转速度信息。
可选的，所述偏振分离旋转模块用于将两束TE模偏振态的光波转化为一束TE模叠加TM模偏振态的光波；或所述偏振分离旋转模块用于将一束TE模叠加TM模偏振态的光波转化为两束TE模偏振态的光波；所述螺旋波导模块同时支持TE模和TM模的偏振光在其中传输；在同一所述螺旋波导模块中，所述TE模偏振态的光波和所述TM模的偏振态的光波的传输方向相反。
可选的，还包括偏振控制模块；所述偏振控制模块与至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调整或控制光波的偏振模态，例如，滤除不需要的TM偏振光进而值保留需要的TE偏振光。
可选的，还包括可调光衰减模块；所述可调光衰减模块与所述第二耦合模块连接，用于调整两干涉臂上的光波的强度，进而提升干涉效果。
可选的，还包括相位调制模块；所述相位调制模块分别与所述第一耦合模块和至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调制光波的相位进而调节干涉型光学陀螺仪在工作点。
可选的，还包括延迟线；所述延迟线分别与光源模块和所述第一耦合模块连接，用于延迟光波。
可选的，所述第一耦合模块和第二耦合模块均连接有光源模块和光电探测模块。
第二方面，本发明提供一种光学陀螺仪组件，包括两个陀螺仪，两个所述陀螺仪的中TE模偏振光的传播方向彼此相反；两个所述陀螺仪的中TM模偏振光的传播方向彼此相反。
可选的，所述两个所述陀螺仪的光源模块和光电探测模块的连接位置相反。
可选的，所述两个所述陀螺仪的偏振分离旋转模块的端口方向不同。
可选的，所述两个所述陀螺仪共用同一个光源模块；所述光源模块发出的一束光波通过耦合模块分为四束光波。
第三方面，本发明提供一种计算陀螺仪转速信息的方法，用于通过第一方面中任一项所述的陀螺仪获取旋转速度信息，包括：将一束光波分为两束TE模式的光波；将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波均经由螺旋波导模块传输；将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；计算光电探测模块检测到的光强度信息，然后将所述光强度信息转化为总相位信息，以获取旋转速度信息。
由于TE模和TM模两种偏振光的有效折射率不同，两者经过螺旋波导模块后产出一个固定的相位差，用φ0表示。当该陀螺仪垂直于平面旋转时，反向传播的两路光经历不同的相移，用φr表示，该相移与旋转速度成正比。返回的光再经过耦合模块干涉后，相移被转换为光强度信息，由光电探测模块检测到。通过光电探测模块检测到的信号，可以提取φr，进而可以获取旋转速度信息。当φ0为π/2+k×π时，k为任意整数，干涉光学陀螺仪在最佳工作点上。
所述最佳工作点即光强度相对于角速度曲线上的斜率最大处，也即变化最敏感处。可以通过设置螺旋波导线圈的波导截面尺寸和形状、波导长度来设置初始φ0为π/2+k×π，k为任意整数，使之在最佳工作点上，也可以通过相位调制模块来调节到该最佳工作点。另一些具体的实施例中，光电探测模块检测到的总相位φtotal满足：
其中，neff,TE和neff,TM分别是TE模偏振光和TM模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，L为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
第四方面，本发明提供一种计算陀螺仪组件转速信息的方法，用于通过第二方面中任一项所述的陀螺仪组件获取旋转速度信息，包括：在每一个陀螺仪中，将一束光波分为两束TE模式的光波；将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波分别经由两个陀螺仪的螺旋波导模块传输，TE模式的光波和TM模式的光波在两个陀螺仪的螺旋波导模块中方向相反；将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；计算第一个陀螺仪的光电探测模块检测到的第一光强度信息，将所述第一光强度信息转化为第一总相位信息；计算第二个陀螺仪的光电探测模块检测到的第二光强度信息，将所述第二光强度信息转化为第二总相位信息；第一总相位信息第二总相位信息与取平均数，以获取旋转速度信息。
为降低或消除环境对固定相位差φ0影响，本实施例还可以进一步拓展。示例性的，包含两个该集成干涉光学陀螺仪，其具有相同的螺旋波导线圈，只是第二个集成干涉光学陀螺仪的进光和出光方向有所调整，使得两个集成干涉光学陀螺仪中TE模和TM模偏振光的传播方向都彼此相反，分别逆时针和顺时针传播。这样，第二个集成干涉光学陀螺仪中TE模和TM模光经过线圈后产出的固定相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪的相反，即-φ0，而旋转产生的相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪相同，都为φr。第一个集成干涉光学陀螺仪产生的总相位变化φtotal满足：
其中，neff,TE和neff,TM分别是TE模偏振光和TM模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，L为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
第二个集成干涉光学陀螺仪产生的总相位变化φtotal‘′满足：
其中，neff,TE和neff,TM分别是TE模偏振光和TM模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，L为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。接下来，通过将两个集成干涉光学陀螺仪产生的相位求平均数，可以消掉φ0项，即消除了***误差、漂移或扰动的影响，反向传播的两路光经历不同的相移φr满足：
其中，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
第五方面，本发明提供一种干涉光学陀螺仪***，包括***电路、机械封装部件和第一方面中任一项所述的陀螺仪；所述***电路包括处理器、控制器、驱动器、信号采集器、校准器和温度传感器中的至少一种；所述机械封装部件包括外壳、底座、垫片、光/电接口、减震器和MEMS中的至少一种；所述其他光学部件包括透镜、棱镜、反射镜、隔离器、光学镀膜、光纤连接线及接口中的至少一种。
可选的，三个所述光学陀螺仪***朝三个方向放置，用于探测三个方向的角速度信息；三个所述光学陀螺仪***与外置的三个加速度传感器相配合，用于组成一个惯性传感***。
附图说明
图1为现有技术的一种光学陀螺仪的结构示意图；
图2为本发明提供的一种集成干涉光学陀螺仪的结构示意图；
图3为本发明提供的一种设有相位调制模块、偏振控制模块、可调光衰减模块的集成干涉光学陀螺仪的结构示意图；
图4为本发明提供的TE模和TM模偏振下的波导横截面处的光场模斑；
图5为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第一端输入偏振分离旋转模块的示意图；
图6为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第二端输入偏振分离旋转模块的示意图；
图7为本发明提供的TM模偏振光从偏振分离旋转模块的第三端输入偏振分离旋转模块的示意图；
图8为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第三端输入偏振分离旋转模块的示意图；
图9为本发明提供的一种耦合模块同时连接光源模块和光电探测模块的陀螺仪的结构示意图；
图10为本发明提供的一种分光耦合器与两个光电探测模块连接的结构示意图；
图11为本发明提供的一种可调光衰减模块与两个光电探测模块连接的结构示意图；
图12为本发明提供的一种光源模块和光电探测模块的连接位置相反的两个陀螺仪组成的***的结构示意图；
图13为本发明提供的一种偏振分离旋转模块的端口方向不同的两个所述陀螺仪的组成的***的结构示意图；
图14为本发明提供的一种两个陀螺仪共用同一个光源模块的结构示意图；
图15为本发明提供的一种计算陀螺仪转速信息的方法的流程示意图；
图16为本发明提供的一种计算陀螺仪组件转速信息的方法的流程示意图；
图17为本发明提供的一种干涉光学陀螺仪***的结构示意图；
图18为本发明提供的三个干涉光学陀螺仪***在空间分布的结构示意图。
图中标号：
1、光源模块；11、第一光源模块；12、第二光源模块；
21、第一耦合模块；22、第二耦合模块；23、第三耦合模块；24、第四耦合模块；
31、第一相位调制模块；32、第二相位调制模块；33、第三相位调制模块；34、第四相位调制模块；
41、第一偏振分离旋转模块；42、第二偏振分离旋转模块；43、第三偏振分离旋转模块；44、第四偏振分离旋转模块；
5、螺旋波导模块；51、第一螺旋波导模块；52、第二螺旋波导模块；
61、第一偏振控制模块；62、第二偏振控制模块；63、第三偏振控制模块；64、第四偏振控制模块；
71、第一可调光衰减模块；72、第二可调光衰减模块；73、第三可调光衰减模块；74、第四可调光衰减模块；
8、光电探测模块；81、第一光电探测模块；82、第二光电探测模块；
91、偏振分离旋转模块的第一端；92、偏振分离旋转模块的第二端；93、偏振分离旋转模块的第三端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
图1为现有技术的一种光学陀螺仪的结构示意图。图2为本发明提供的一种集成干涉光学陀螺仪的结构示意图。
针对现有技术存在的问题，如图2所示，本发明提供了一种集成干涉光学陀螺仪，包括：光源模块1、第一耦合模块21、第二耦合模块22、至少两个偏振分离旋转模块、光电探测模块8和螺旋波导模块5。所述第一耦合模块21用于将光源模块1发出的一束光波分为两束光波。两个所述偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块5的远心端和近心端，用于将所述两束同为TE偏振态的光波转换为TE和TM两种偏振态，并送至螺旋波导模块5的两端，使其各自在螺旋波导模块5中以相反方向传输，然后接收经过螺旋波导模块5之后的两束光并将两者偏振态都转换回相同的TE模。所述第二耦合模块22用于将从所述远心端和所述近心端输出并经过所述偏振分离旋转模块的两束光波合并为一束合成光波。所述光电探测模块8与所述第二耦合模块22连接，用于根据所述合成光波获取陀螺仪的旋转速度信息。
具体的，请参照图2，第一耦合模块21和第二耦合模块22均为1×2耦合器。所述第一耦合模块21将来自光源模块1的一束光波分为两束TE模光波。其中一束TE模光波经过第一偏振分离旋转模块41转化为TM模光波，由螺旋波导模块5的远心端传输到近心端，之后所述TM模光波经过第二偏振分离旋转模块42转化为TE模光波，沿第二耦合模块22传输到光电探测模块8。
与此同时，另一束TE模光波经过第二偏振分离旋转模块42，由螺旋波导模块5的近心端传输到远心端，之后所述TE模光波经过第一偏振分离旋转模块41，沿第二耦合模块22传输到光电探测模块8。
另一些具体的实施例中，所述光源模块1为片上混合集成或异质集成光源，集成材料包含但不限于三五族(III-V)/硅、III-V/氮化硅、III-V/薄膜铌酸锂、III-V/氧化铝、III-V/二氧化硅、III-V/聚合物。
又一些具体的实施例中，所述光源模块1可以为外置光源，将其耦合进入陀螺仪芯片。
再一些具体的实施例中，所述光源模块1包含但不限于分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)、分布式布拉格反射激光器(Distributed BraggReflector,DBR)、超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode，SLD)、发光二极管(Light-emitting Diode，LED)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)、放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)和光放大器。
值得说明的是，本发明提供的集成干涉光学陀螺仪中的两个偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块5的远心端和近心端，将所述两束光波分别以TE模和TM模偏振态经由螺旋波导模块5传输，使得两束光波在陀螺仪的初始状态下(即旋转角速度为零时)具有固定的相位差，可以通过合理设计这个固定的相位差使得集成干涉型光学陀螺仪工作在最佳的工作点上，更有效的获取旋转速度信息。本发明提供的所述第二耦合模块22用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波，所述光电探测模块8与所述第二耦合模块22连接，本发明无需环形器，也不会产生射向光源的反射光，能够避免光波的损耗，有利于提升光学陀螺仪的性能。
在一些实施例中，所述偏振分离旋转模块用于将两束TE模偏振态的光波转化为一束TE模叠加TM模偏振态的光波。或所述偏振分离旋转模块用于将一束TE模叠加TM模偏振态的光波转化为两束TE模偏振态的光波。所述螺旋波导模块5同时支持TE模和TM模的偏振光在其中传输。在同一所述螺旋波导模块5中，所述TE模偏振态的光波和所述TM模的偏振态的光波的传输方向相反。
具体的，所述偏振分离旋转模块包括但不限于绝热耦合器、弯曲耦合器、定向耦合器、Y型分支、多模干涉结构、亚波长结构、多层波导结构。
另一些具体的实施例中，所述螺旋波导模块5包括单模波导或多模波导。螺旋波导线圈的形状可以是圆形螺旋、圆角方形螺旋、圆角多边形螺旋等。波导交叉的实现形式可以包括但不限于多模波导交叉、非线性优化交叉、多层波导交叉、不同材料层波导交叉。所述集成干涉式光学陀螺仪的波导类型包括通道波导、脊波导、缝隙波导、扩散波导、光子晶体波导中的至少一种。
又一些具体的实施例中，所述耦合模块既可以是1×2耦合器，也可以是2×2耦合器，包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、光子晶体分光器、亚波长分光器中的至少一种，只要满足使两路输出的分光比为50/50即可。
再一些具体的实施例中，所述光电探测模块8包括但不限于锗探测器、硅探测器、锗硅探测器、III-V探测器、金属-半导体-金属探测器、雪崩光电探测器。
图3为本发明提供的一种设有相位调制模块、偏振控制模块、可调光衰减模块的陀螺仪的结构示意图。
如图3所示，在一些实施例中，还包括偏振控制模块。所述偏振控制模块与至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调整光波的偏振模态。
具体的，第一偏振控制模块61与第一偏振分离旋转模块41连接。第二偏振控制模块62与第二偏振分离旋转模块42连接。请参照图2，第一耦合模块21和第二耦合模块22均为1×2耦合器。所述第一耦合模块21将来自光源模块1的一束光波分为两束TE模光波。其中经过第一相位调制模块31的一束TE模光波通过第一偏振分离旋转模块41转化为TM模光波，由螺旋波导模块5的远心端传输到近心端，之后所述TM模光波经过第二偏振分离旋转模块42转化为TE模光波，沿第二偏振控制模块62、第二可调光衰减模块72和第二耦合模块22传输到光电探测模块8。
与此同时，经过第二相位调制模块32和第二相位调制模块32的一束TE模光波经由第二偏振分离旋转模块42仍维持TE模，由螺旋波导模块5的近心端传输到远心端，之后所述TE模光波经过第一偏振分离旋转模块41仍维持TE模，沿第一偏振控制模块61、第一可调光衰减模块71和第二耦合模块22传输到光电探测模块8。
值得说明的是，所述偏振控制模块的结构形式包括但不限于级联弯曲波导、级联多层波导转换器、含局部掺杂硅波导、可调掺杂硅PIN结(PIN junction)、可调掺杂硅PN结(PN junction)。
参照图3，在一些实施例中，还包括可调光衰减模块。所述可调光衰减模块与所述第二耦合模块22连接，用于调整两干涉臂上的光波的相对强度，进而提升干涉效果。
具体的，所述可调光衰减模块的结构形式包括但不限于可调马赫－曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)、可调掺杂硅PIN结、可调掺杂硅PN结、电吸收调制器。所述可调光衰减模块可以用来调节两臂上的光强，即补偿TE模和TM模两偏振态下的光损耗差异。所述光损耗差异的来源包括TE模和TM模光在螺旋波导线圈中的光传输损耗差异、偏振分离旋转模块的光插损差异、波导交叉的光插损差异、颗粒物或加工缺陷导致的两臂光插损差异等，进而使得两路光在干涉前的光强相等或接近相等，以到达最佳的干涉效果，也即最佳的陀螺仪旋转速度信息探测能力。可调光衰减器可以放置在干涉仪的两臂上或其中一臂上。
参照图3，在一些实施例中，还包括相位调制模块。所述相位调制模块分别与所述第一耦合模块21和至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调制光波的相位。
具体的，相位调制模块为相位调制器(phase shifter，PS)，可以用于调节干涉光学陀螺仪的最佳工作点，可以用于补偿加工误差导致的初始相位偏移，也可以用于将高频信号加载到光波上。
值得说明的是，所述相位调制器的结构形式包括但不限于氮化钛加热器、掺杂硅加热器、硅PN结、硅PIN结、压电陶瓷器件、微机电***(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)结构、聚合物相位调制器、铌酸锂相位调制器、III-V相位调制器、其他化合物相位调制器等。相位调制器可以在两臂上，也可以只在一臂上。两臂上的相位调制器可以以推挽(push-pull)、差分(differential)等形式工作。相位调制器可以放置在干涉仪的两臂上或其中一臂上。
值得说明的是，上述相位调制模块、偏振控制模块、可调光衰减模块的相对位置不限于上述附图中所示，也可以相互交换位置或调整顺序。也可以根据需要省去其中的一个或多个模块，以简化***复杂性。
在一些实施例中，还包括延迟线(图中未示出)。所述延迟线分别与光源模块1和所述第一耦合模块21连接，用于延迟光波。
具体的，所述延迟线连接于光源模块1和所述第一耦合模块21之间。所述延迟线的形状可以是圆形螺旋、圆角方形螺旋、圆角多边形螺旋、外接光纤波导等。
图4为本发明提供的TE模和TM模偏振下的波导横截面处的光场模斑。
如图4所示，观察波导的横截面处的光场模斑可见，TE和TM两种偏振模式的光都能被波导支持，即都能沿波导进行传播。
图5为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第一端输入偏振分离旋转模块的示意图。图6为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第二端输入偏振分离旋转模块的示意图。图7为本发明提供的TM模偏振光从偏振分离旋转模块的第三端输入偏振分离旋转模块的示意图。图8为本发明提供的TE模偏振光从偏振分离旋转模块的第三端输入偏振分离旋转模块的示意图。
如图5-8所示，所述偏振分离旋转模块具有三个端，当偏振分离旋转模块的第一端91或偏振分离旋转模块的第二端92用于输入光波时，偏振分离旋转模块的第三端93用于输出光波。当偏振分离旋转模块的第三端93用于输入光波时，偏振分离旋转模块的第一端91或偏振分离旋转模块的第二端92用于输出光波。偏振分离旋转模块具有可逆性。
参照图5，具体的，当偏振分离旋转模块的第一端91输入TE模光波时，偏振分离旋转模块的第三端93输出TM模光波。
参照图6，另一些具体的实施例中，当偏振分离旋转模块的第二端92输入TE模光波时，偏振分离旋转模块的第三端93输出TE模光波。
参照图7，又一些具体的实施例中，当偏振分离旋转模块的第三端93输入TM模光波时，偏振分离旋转模块的第一端91输出TE模光波。
参照图8，再一些具体的实施例中，当偏振分离旋转模块的第三端93输入TE模光波时，偏振分离旋转模块的第二端92输出TE模光波。
图9为本发明提供的一种耦合模块同时连接光源模块和光电探测模块的陀螺仪的结构示意图。
如图9所示，在一些实施例中，所述第一耦合模块21连接有第一光源模块11和第一光电探测模块81；第二耦合模块22连接有第二光源模块12和第二光电探测模块82。
具体的，所述第一耦合模块21和第二耦合模块22均为2×2耦合器。在第一时段内，所述第一耦合模块21将来自第一光源模块11的一束光波分为两束光波。参照图5，其中，经过第一相位调制模块31和第一偏振控制模块61的一束TE模光波经由第一偏振分离旋转模块41转化为TM模光波，由螺旋波导模块5的远心端传输到近心端。参照图7，之后所述TM模光波经过第二偏振分离旋转模块42转化为TE模光波，沿第四偏振控制模块64、第二可调光衰减模块72和第二耦合模块22传输到第二光电探测模块82。
与此同时，参照图6，经过第二相位调制模块32和第二相位调制模块32的一束TE模光波经由第二偏振分离旋转模块42仍维持TE模，由螺旋波导模块5的近心端传输到远心端。参照图8，之后所述TE模光波经过第一偏振分离旋转模块41仍维持TE模，沿第三偏振控制模块63、第一可调光衰减模块71和第二耦合模块22传输到第二光电探测模块82。
另一些具体的实施例中，在第二时段内，所述第二耦合模块22将来自第二光源模块12的一束光波分为两束光波。参照图6，其中，经过第一可调光衰减模块71和第三偏振控制模块63的一束TE模光波经由第一偏振分离旋转模块41仍维持TE模，由螺旋波导模块5的远心端传输到近心端。参照图8，之后所述TE模光波经过第二偏振分离旋转模块42仍保持TE模，沿第二偏振控制模块62、第二相位调制模块32和第一耦合模块21传输到第一光电探测模块81。
与此同时，参照图5，经过第二可调光衰减模块72和第四偏振控制模块64的一束TE模光波经由第二偏振分离旋转模块42转化为TM模，由螺旋波导模块5的近心端传输到远心端。参照图7，之后所述TM模光波经过第一偏振分离旋转模块41转化为TE模，沿第一偏振控制模块61、第一相位调制模块31和第一耦合模块21传输到第一光电探测模块81。
值得说明的是，上述第一时段和第二时段可以交替循环，实现时分复用的工作，能够接收集成干涉光学陀螺仪在不同时间段内的信号。
另一些具体的实施例中，也可以再额外增加了两个偏振控制模块(图中未显示)，使得光在进入螺旋波导之前和离开螺旋波导之后，都能进行偏振控制。
值得注意的是，以上所述集成干涉式光学陀螺仪所在的集成材料平台包括硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、绝缘体上氮化硅、二氧化硅、氧化铝、磷化铟、铌酸锂、聚合物等。集成干涉式光学陀螺仪器件可以基于同一个中材料平台。也可以基于不同材料平台，再通过晶圆键合、异质生长、不同芯片之间光耦合方式集成(图中未示)。所述陀螺仪的工作波长范围包括可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段中的至少一种。
图10为本发明提供的一种分光耦合器与两个光电探测模块连接的结构示意图。
如图10所示，值得说明的是，当图2和图3中的实施例采用2×2耦合器时，也可以在2×2耦合器的两个出光端口处各连接一个光电探测模块8，即使用两个光电探测模块8，如图10所示，其中的第一光电探测模块81和第二光电探测模块82可以通过做差分来处理探测信号。此外，如果有需要，也可以在集成干涉式光学陀螺仪的可调光衰减模块后加入分光耦合器(tap coupler)并连接第一光电探测模块81和第二光电探测模块82，用于检测某些位置的光信号信息。
图11为本发明提供的一种可调光衰减模块与两个光电探测模块连接的结构示意图。
如图11所示，可调光衰减模块前后接有分光耦合器并连接光电探测模块8。光电探测模块8可以集成于片上，也可以外置并通过光耦合与片内进行连接。
在一些实施例中，根据使用需要或可集成的条件，光源模块1、光电探测模块8可以放置在集成芯片之外，并通过光耦合与片内进行连接。该情况下，可以使用端面耦合器或光栅耦合器将光耦合进入或送出芯片，耦合方式包含但不限于透镜汇聚耦合、光纤对接耦合、倏逝波耦合中的至少一种。所述端面耦合器的结构设计可以包括但不限于倒锥形、台阶倒锥形、悬臂梁、多根波导、多层波导、亚波长结构中的至少一种。所述光栅耦合器的结构设计包括但不限于直光栅、扇形弯曲光栅、双偏振光栅、多层材料光栅中的至少一种。
应理解，图2、3、9仅是结构示意图，实际使用时，波导走向、弯曲方向、摆放方向、各个模块的摆放位置和相对顺序都可以做适当调整。多个图2、3、9中的集成干涉光学陀螺仪可以形成阵列。
图12为本发明提供的一种光源模块和光电探测模块的连接位置相反的两个陀螺仪组成的***的结构示意图。图13为本发明提供的一种偏振分离旋转模块的端口方向不同的两个所述陀螺仪的组成的***的结构示意图。图14为本发明提供的一种两个陀螺仪共用同一个光源模块的***的结构示意图。
如图12-14所示，本发明提供一种光学陀螺仪组件，包括两个所述上述实施例中任一项所述的陀螺仪，两个所述陀螺仪的中TE模偏振光的传播方向彼此相反。两个所述陀螺仪的中TM模偏振光的传播方向彼此相反。
参照图12，具体的，所述两个所述陀螺仪的光源模块1和光电探测模块8的连接位置相反。
更具体的，针对第一陀螺仪，第一光源模块11发出的一束光波经过第一耦合模块21分为两束TE模光波。参照图5，其中，经过第一相位调制模块31的TE模光波通过第一偏振分离旋转模块41转化为TM模。由第一螺旋波导模块51的远心端传输到近心端。参照图7，之后所述TM模光波经过第二偏振分离旋转模块42转化为TE模，沿第二偏振控制模块62、第二可调光衰减模块72和第二耦合模块22传输到第一光电探测模块81。
与此同时，参照图6，经过第二相位调制模块32的TE模光波通过第二偏振分离旋转模块42仍保持TE模。由第一螺旋波导模块51的近心端传输到远心端。参照图8，之后所述TE模光波经过第一偏振分离旋转模块41仍保持TE模，沿第一偏振控制模块61、第一可调光衰减模块71和第二耦合模块22传输到第一光电探测模块81。
针对第二陀螺仪，第二光源模块12发出的一束光波经过第三耦合模块23分为两束TE模光波。参照图6，其中，经过第三相位调制模块33的TE模光波通过第三偏振分离旋转模块43仍保持TE模。由第二螺旋波导模块52的远心端传输到近心端。参照图8，之后所述TE模光波经过第四偏振分离旋转模块44仍保持TE模，沿第四偏振控制模块64、第四可调光衰减模块74和第四耦合模块24传输到第二光电探测模块82。
与此同时，参照图5，经过第四相位调制模块34的TE模光波通过第四偏振分离旋转模块44转化为TM模。由第二螺旋波导模块52的近心端传输到远心端。参照图7，之后所述TM模光波经过第三偏振分离旋转模块43转化为TE模，沿第三偏振控制模块63、第三可调光衰减模块73和第四耦合模块24传输到第二光电探测模块82。
参照图13，另一些具体的实施例中，所述两个所述陀螺仪的偏振分离旋转模块的端口方向不同。
更具体的，参照图5和14第一偏振分离旋转模块41的偏振分离旋转模块的第一端91与第一相位调制模块31连接。第一偏振分离旋转模块41的偏振分离旋转模块的第二端92与第一偏振控制模块61连接。
第二偏振分离旋转模块42的偏振分离旋转模块的第一端91与第二偏振控制模块62连接。第二偏振分离旋转模块42的偏振分离旋转模块的第二端92与第二相位调制模块32连接。
第三偏振分离旋转模块43的偏振分离旋转模块的第一端91与第三偏振控制模块63连接。第三偏振分离旋转模块43的偏振分离旋转模块的第二端92与第三相位调制模块33连接。
第四偏振分离旋转模块44的偏振分离旋转模块的第一端91与第四相位调制模块34连接。第四偏振分离旋转模块44的偏振分离旋转模块的第二端92与第四偏振控制模块64连接。
参照图14，又一些具体的实施例中，所述两个所述陀螺仪共用同一个光源模块1。所述光源模块1发出的一束光波通过耦合模块分为四束光波。
具体的，设置三个1×2耦合器级联，以使一束光波分为四束光波。
另一些具体的实施例中，也可以设置一个1×4耦合器，以使一束光波分为四束光波。
此外，上述两个集成干涉光学陀螺仪也可以共用同一个光电探测模块(图中未示)，通过时分复用的形式，在不同时间段内接受来自两个集成干涉光学陀螺仪的信号。
图15为本发明提供的一种计算陀螺仪转速信息的方法的流程示意图。
如图15所示，本实施例提供一种计算陀螺仪转速信息的方法，用于通过上述实施例中任一项所述的陀螺仪获取旋转速度信息，包括：
S11，将一束光波分为两束TE模式的光波；
S12，将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；
S13，将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波均经由螺旋波导模块传输；
S14，将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；
S15，计算光电探测模块检测到的光强度信息，然后将所述光强度信息转化为总相位信息，以获取旋转速度信息；
其中，总相位信息φtotal满足：
图16为本发明提供的一种计算陀螺仪组件转速信息的方法的流程示意图。
如图16所示，本实施例提供一种计算陀螺仪组件转速信息的方法，用于通过上述实施例中任一项所述的陀螺仪获取旋转速度信息，包括：
S21，在每一个陀螺仪中，将一束光波分为两束TE模式的光波；
S22，将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；
S23，将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波分别经由两个陀螺仪的螺旋波导模块传输，TE模式的光波和TM模式的光波在两个陀螺仪的螺旋波导模块中方向相反；
S24，将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；
S25，计算第一个陀螺仪的光电探测模块检测到的第一光强度信息，将所述第一光强度信息转化为第一总相位信息；计算第二个陀螺仪的光电探测模块检测到的第二光强度信息，将所述第二光强度信息转化为第二总相位信息；第一总相位信息第二总相位信息与取平均数，以获取旋转速度信息；
其中，第一相位总信息φtotal满足：
第二相位总信息φtotal‘′满足：
取平均数后得到的φr满足：
参照图3，具体的，光源发出的光为TE模偏振态，经过耦合模块分为两路光，光经过相位调制模块到达偏振分离旋转模块。在偏振分离旋转模块处经过偏振分离旋转之后，两路光分别以TE模和TM模偏振态进入螺旋波导模块5，各自在其中以相反方向传播。该螺旋波导线圈都对TE模和TM模偏振光具有保偏性，即光的偏振态经传输后不改变。两路光离开螺旋波导线圈后，反方向经过偏振分离旋转模块，都转换为TE模偏振态并从与入射端口不同的另一个端口出来，各自进入一个可调光衰减模块和偏振控制模块，再进入第二个耦合模块合并后进入光电探测模块8。
由于TE模和TM模两种偏振光的有效折射率不同，两者经过螺旋波导模块5后产出一个固定的相位差，用φ0表示。当该陀螺仪垂直于平面旋转时，反向传播的两路光经历不同的相移，用φr表示，该相移与旋转速度成正比。返回的光再经过耦合模块干涉后，相移被转换为光强度信息，由光电探测模块8检测到。通过光电探测模块8检测到的信号，可以提取φr，进而可以获取旋转速度信息。当φ0为π/2+k×π时，k为任意整数，干涉光学陀螺仪在最佳工作点上。
所述最佳工作点即光强度相对于角速度曲线上的斜率最大处，也即变化最敏感处。可以通过设置螺旋波导线圈的波导截面尺寸和形状、波导长度来设置初始φ0为π/2+k×π，k为任意整数，使之在最佳工作点上，也可以通过相位调制模块来调节到该最佳工作点。
另一些具体的实施例中，光电探测模块8检测到的总相位φtotal满足：
其中，neff,TE和neff,TM分别是TE模偏振光和TM模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，L为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
值得说明的是，本发明中使用TE模和TM模两种偏振态并使用偏振分离旋转器做偏振分离和旋转，避免了反射光返回至光源，因而不需要使用环形器或50/50耦合器，减少了额外链路光损耗，进而提高了干涉式光学陀螺仪的各项性能。同时也简化了制造，易于集成，降低了成本。
在一些实施例中，根据所述合成光波获取旋转速度信息，包括：根据所述合成光波获取所述TE模和TM模偏振态光波的相位差值。根据所述相位差值获取光强度信息。根据所述光强度信息计算陀螺仪的旋转速度信息。
通常，***误差、漂移或扰动会对光学陀螺仪的性能稳定性产生影响。具体到本发明中，由于TE模和TM模两个偏振光的有效折射率不同，他们随环境温度变化也可能有所不同。TE模和TM模两个偏振光经过螺旋波导线圈后的固定相位差φ0也可能会随时间漂移。这些都会体现在上述公式中的φ0项上。
为降低或消除环境对固定相位差φ0影响，本实施例还可以进一步拓展。请参照图12，图12中的结构包含两个该集成干涉光学陀螺仪，其具有相同的螺旋波导线圈，只是第二个集成干涉光学陀螺仪的进光和出光方向有所调整，使得两个集成干涉光学陀螺仪中TE模和TM模偏振光的传播方向都彼此相反，分别逆时针和顺时针传播，如图12中环绕TE和TM的箭头所示。这样，第二个集成干涉光学陀螺仪中TE模和TM模光经过线圈后产出的固定相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪的相反，即-φ0，而旋转产生的相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪相同，都为φr。也即，第二个集成干涉光学陀螺仪产生的总相位变化φtotal‘′满足：
其中，nrff,TE和neff,TM分别是TE模偏振光和TM模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，L为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
接下来，通过将两个集成干涉光学陀螺仪产生的相位求平均数，可以消掉φ0项，即消除了***误差、漂移或扰动的影响，反向传播的两路光经历不同的相移φr满足：
其中，λ为工作波长，A为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，Ω为待检测的角速度。
如图17所示，该集成干涉光学陀螺仪可以集成进光学陀螺仪***中，与***中其他部件协同工作。光学陀螺仪***包括：其他光学部件、***电路、机械封装部件。所述其他光学部件包括透镜、棱镜、反射镜、隔离器、光学镀膜、光纤连接线及接口，所述透镜包括棱镜。所述***电路包括处理器、控制器、驱动器、信号采集器、校准器和温度传感器。所述机械封装部件包括外壳、底座、垫片、光/电接口、减震器和MEMS。
如图18所示，三个所述光学陀螺仪***可以朝三个方向放置，用于探测三个方向的角速度信息。此外，三个所述光学陀螺仪***，还可以与外置的三个加速度传感器配合使用，组成一个惯性传感***。
本发明的应用场景包括但不限于智能穿戴设备、自动机器人、智慧城市、交通工具、及军用设施。所述穿戴设备包括智能手机、智能手表，智能耳机，虚拟现实/增强现实头盔，所述交通工具包括自动驾驶车和飞行器。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (15)
1.一种集成干涉光学陀螺仪，其特征在于，包括：光源模块、第一耦合模块、第二耦合模块、至少两个偏振分离旋转模块、光电探测模块和螺旋波导模块；
所述第一耦合模块用于将光源模块发出的一束光波分为两束光波；
两个所述偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，用于将所述两束同为TE偏振态的光波转换为TE和TM两种偏振态，并送至螺旋波导模块的两端，使其各自在螺旋波导模块中以相反方向传输，然后接收经过螺旋波导模块之后的两束光并将两者偏振态都转换回相同的TE模；
所述第二耦合模块用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波；
所述光电探测模块与所述第二耦合模块连接，用于根据所述合成光波获取陀螺仪的旋转速度信息。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述偏振分离旋转模块用于将两束TE模偏振态的光波转化为一束TE模叠加TM模偏振态的光波；
或所述偏振分离旋转模块用于将一束TE模叠加TM模偏振态的光波转化为两束TE模偏振态的光波；
所述螺旋波导模块同时支持TE模和TM模的偏振光在其中传输；在同一所述螺旋波导模块中，所述TE模偏振态的光波和所述TM模的偏振态的光波的传输方向相反。
3.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，还包括偏振控制模块；
所述偏振控制模块与至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调整或控制光波的偏振模态。
4.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，还包括可调光衰减模块；
所述可调光衰减模块与所述第二耦合模块连接，用于调整两干涉臂上的光波的强度。
5.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，还包括相位调制模块；
所述相位调制模块分别与所述第一耦合模块和至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调制光波的相位。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，还包括延迟线；
所述延迟线分别与光源模块和所述第一耦合模块连接，用于延迟光波。
7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述第一耦合模块和第二耦合模块均连接有光源模块和光电探测模块。
8.一种光学陀螺仪组件，包括两个权利要求1-7中任一项所述陀螺仪，其特征在于，两个所述陀螺仪的中TE模偏振光的传播方向彼此相反；两个所述陀螺仪的中TM模偏振光的传播方向彼此相反。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述两个所述陀螺仪的光源模块和光电探测模块的连接位置相反。
10.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述两个所述陀螺仪的偏振分离旋转模块的端口方向不同。
11.根据权利要求8或10所述的组件，其特征在于，所述两个所述陀螺仪共用同一个光源模块；所述光源模块发出的一束光波通过耦合模块分为四束光波。
12.一种计算陀螺仪转速信息的方法，用于通过权利要求1-7中任一项所述的陀螺仪获取旋转速度信息，其特征在于，包括：
将一束光波分为两束TE模式的光波；
将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；
将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波均经由螺旋波导模块传输；
将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；
计算光电探测模块检测到的光强度信息，然后将所述光强度信息转化为总相位信息，以获取旋转速度信息。
13.一种计算陀螺仪组件转速信息的方法，用于通过权利要求8-11中任一项所述的陀螺仪组件获取旋转速度信息，其特征在于，包括：
在每一个陀螺仪中，将一束光波分为两束TE模式的光波；
将所述两束TE模式的光波转换为一束TE模式的光波和一束TM模式的光波；
将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波分别经由两个陀螺仪的螺旋波导模块传输，TE模式的光波和TM模式的光波在两个陀螺仪的螺旋波导模块中方向相反；
将所述一束TE模式的光波和所述一束TM模式的光波转化为两束TE光波后合并为一束合成光波；
计算第一个陀螺仪的光电探测模块检测到的第一光强度信息，将所述第一光强度信息转化为第一总相位信息；计算第二个陀螺仪的光电探测模块检测到的第二光强度信息，将所述第二光强度信息转化为第二总相位信息；第一总相位信息第二总相位信息与取平均数，以获取旋转速度信息。
14.一种干涉光学陀螺仪***，其特征在于，包括***电路、机械封装部件、其他光学部件和权利要求1-7中任一项所述的陀螺仪或权利要求8-11中任一项所述的陀螺仪组件；
所述***电路包括处理器、控制器、驱动器、信号采集器、校准器和温度传感器中的至少一种；
所述机械封装部件包括外壳、底座、垫片、光/电接口、减震器和MEMS中的至少一种；
所述其他光学部件包括透镜、棱镜、反射镜、隔离器、光学镀膜、光纤连接线及接口中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的干涉光学陀螺仪***，其特征在于，三个所述光学陀螺仪***朝三个方向放置，用于探测三个方向的角速度信息；三个所述光学陀螺仪***与外置的三个加速度传感器相配合，用于组成一个惯性传感***。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310547328.4A CN116558495A (zh) | 2023-05-15 | 2023-05-15 | 集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310547328.4A CN116558495A (zh) | 2023-05-15 | 2023-05-15 | 集成干涉光学陀螺仪、组件、***和计算旋速信息的方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN116558495A true CN116558495A (zh) | 2023-08-08 |
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ID=87494252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2023
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