CN116989761A - 一种协同架构的集成光学陀螺仪 - Google Patents

一种协同架构的集成光学陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种协同架构的集成光学陀螺仪，包括：光源、探测器1之后连接的分束结构1，在分束结构1之后连接的起偏结构和探测器2，在起偏结构之后连接的空间模式滤波结构，在空间模式滤波结构之后连接的分束结构2，在分束结构2之后连接的分束结构3、分束结构4，在分束结构3之后连接的探测器3、可调光衰减结构1，在分束结构4之后连接的可调光衰减结构2、探测器4，在可调光衰减结构1之后连接的调制结构1，在可调光衰减结构2之后连接的调制结构2，调制结构1和调制结构2分别连接干涉环的两端。本发明通过对泄露到衬底、包层的噪声光进行滤波；在顺逆时针光路引入协同结构，实时监测顺逆时针光路强度，并协同调节，保证光路互易。

Description

一种协同架构的集成光学陀螺仪
技术领域
本发明涉及角运动检测技术中的集成光学陀螺技术领域，并特别涉及一种协同架构的集成光学陀螺仪。
背景技术
集成光学陀螺是一种采用集成光学和集成光电子学技术将干涉式陀螺的光学、光电器件及检测电路集成在单一基片上的新型陀螺。该陀螺结合了光学陀螺和微电子技术的优点，在高性能、高可靠性的基础上，有望进一步减小陀螺的体积、成本、功耗，实现批量化生产，满足芯片式高精度自主导航的需求。目前，干涉式集成光学陀螺***结构为：光源出射的光经过分束结构1、起偏结构、分束结构2后形成顺、逆时针光路，并经过调制结构，在干涉环的互易端口合束干涉后携带Sagnac敏感的转速信息。基于光路可逆原则，经过分束结构2、起偏结构、分束结构1后最终到达探测器，探测器输出经过解调之后得到陀螺输出即角速度信息。
基于上述结构搭建的集成光学陀螺存在物体没有角速度，不转动的情况下角速度输出偏置漂移的问题，且漂移过程与温度相关性较差导致温补算法校正能力有限，偏置漂移积分后会随时间快速发散，导致自主导航性能指数降低，制约了实际应用。
发明内容
本申请提案主要解决器件芯片化过程中，空间模式滤波技术问题，以及陀螺结构中非互易噪声抑制技术问题，以达到减小集成光学陀螺零输入情况下角速度输出偏置的目的。
具体来说，本发明提供了一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中包括：光源、探测器1之后连接的分束结构1，在分束结构1之后连接的起偏结构和探测器2，在起偏结构之后连接的空间模式滤波结构，在空间模式滤波结构之后连接的分束结构2，在分束结构2之后连接的分束结构3、分束结构4，在分束结构3之后连接的探测器3、可调光衰减结构1，在分束结构4之后连接的可调光衰减结构2、探测器4，在可调光衰减结构1之后连接的调制结构1，在可调光衰减结构2之后连接的调制结构2，调制结构1和调制结构2分别连接干涉环的两端。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该分束结构1分束比为50:50；分束结构1输出的光分别入射起偏结构和探测器2。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该起偏结构，用于滤除经分束结构1传来的光束光场中的横磁波模式，保留光束光场中横电波模式。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺，其中该探测器2，用于根据其接收的光，检测光源输出光功率的稳定性。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该起偏结构输出的光进入到该空间模式滤波结构，该结构对波导中的高阶模式以及衬底、包层泄露模式进行滤除。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该空间模式滤波结构输出的光进入分束结构2，分束结构2的分束比为50:50。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该分束结构2输出的光进入分束结构3和分束结构4；
分束结构3的分束比为95:5，使95％的光入射到可调光衰减结构1中，5％的光入射到探测器3中；
分束结构4的分束比为95:5，使95％的光入射到可调光衰减结构2中，5％的光入射到探测器4中；
探测器3用于检测其光路的光强度，并与探测器4检测的光路的光强度进行对比，通过可调光衰减结构1和可调光衰减结构2进行协同、补偿，使顺逆时针光路强度相同。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该可调光衰减结构1输出的光进入调制结构1，调制结构1为相位调制器；可调光衰减结构2输出的光进入调制结构2，调制结构2为相位调制器；调制结构1与调制结构2功能相同，施加的电信号同频率、同幅度、相位相反；
该调制结构1、2输出的光分别作为顺逆时针光进入干涉环传输；
遵循光路可逆原则，干涉环顺时针传输光进入调制结构2，可调光衰减结构2、分束结构4；干涉环逆时针传输光进入调制结构1，可调光衰减结构1、分束结构3；两束光在分束结构2合束处进行干涉，并输出到空间模式滤波结构，进入起偏结构，经过分束结构1，到达探测器1。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该空间模式滤波结构包括偏振分束器，用于对光场中的横磁波模式进行滤除后送入基于吸收波导的空间模式滤波结构中。
所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其中该空间模式滤波结构包括弯曲波导起偏器，用于对光场中横电波模式进行紧束缚，横磁波模式泄露，在弯曲波导起偏器周围设置吸收波导，用于对泄露的横磁波模式进行滤除，弯曲波导起偏器连接高阶模滤波器，对传输路径中的高阶模进行滤除。
由以上方案可知，本发明的优点在于：
本发明的协同架构解决了原有技术方案中片上器件引入的空间模式串扰。
本发明的协同架构具有顺逆时针光功率平衡互易的补偿作用。
本发明基于集成器件搭建了陀螺***，优化了陀螺性能，实现了***小型化、批量化生产，具有较大实用价值。
附图说明
图1为本发明协同架构的集成光学陀螺技术方案整体结构图；
图2为本发明具体实施例采用光学陀螺结构图；
图3为本发明另一具体实施例采用光学陀螺结构图。
具体实施方式
集成光学陀螺输出偏置问题本质上是顺逆时针光路非互易。在由尾纤耦合的分立器件搭建的光学陀螺***中，器件尾纤起到了对非互易噪声的滤波作用。由分立器件去尾纤芯片化搭建的集成光学陀螺，非互易噪声在包层与衬底中自由传输并耦合到后端链路，交叉耦合串扰对顺逆时针光路非互易，引起输出偏置的问题，而理想情况下应该得到互易的光路，两条光路相互反相，可以抵消。本发明通过引入滤波结构、并在分束部分引入协同结构保证了顺逆时针光路互易，减小输出偏置。
为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。
为了实现上述技术效果，本发明包括如下关键技术点：关键点1，在起偏结构与分束结构2之间引入空间模式滤波结构，对泄露到衬底、包层的噪声光进行滤波，避免其在后续链路中重新耦合，形成非互易噪声；关键点2，在顺逆时针光路引入协同结构，实时监测顺逆时针光路强度，并协同调节，保证互易性。
具体来说本发明公开了一种协同架构的集成光学陀螺。在光源、探测器1之后连接了分束结构1，在分束结构1后连接了起偏结构和探测器2，在起偏结构之后连接空间模式滤波结构，在空间模式滤波结构后连接了分束结构2，在分束结构2后连接了分束结构3、分束结构4，在分束结构3后连接了探测器3、可调光衰减结构1，在分束结构4后连接了可调光衰减结构2、探测器4，在可调光衰减结构1后连接调制结构1，在可调光衰减结构2后连的调制结构2，调制结构1和调制结构2分别连接干涉环的两端。采用本发明的陀螺架构，能够减小体积、降低功耗和成本，减小集成光学陀螺零输入情况下角速度输出偏置。
一种协同架构的集成光学陀螺，包括光源、探测器、可调光衰减结构、调制结构等有源模块；包括分束结构、起偏结构、空间模式滤波结构、干涉环等无源模块。
所述光源输出光为宽谱，例如谱宽大于20nm，宽谱光入射到分束结构1。
分束结构1为2*2端口器件，分束比为50:50。分束结构1输出的光分别入射起偏结构和探测器2。
所述起偏结构对单模传输的光场的TM(横磁波)模式进行滤除，保留TE(横电波)模式。
探测器2接收的光用于检测光源输出光功率稳定性。
起偏结构输出的光进入到空间模式滤波结构，该结构对波导中的高阶模式以及衬底、包层泄露模式进行滤除。单模传输光场在分束结构渐变处会发生模式突变，从而引入高阶模式以及泄露模式等噪声。通过模式有效折射率不同，可设定不同模式不同传输路径，从而实现对单模模式中高阶以及泄露模式噪声的滤除。
空间模式滤波结构输出的光进入分束结构2，分束结构2为1*2端口器件，分束比为50:50。
分束结构2输出的光进入分束结构3和分束结构4。分束结构3为1*2端口器件，分束比为95:5。其中95％的光入射到可调光衰减结构1中。5％的光入射到探测器3中。探测器3用于检测该顺时针光路的光强度，并与逆时针路进行对比，通过可调光衰减结构进行协同、补偿，使顺逆时针光路强度相同，例如让图1中光衰结构1到调制结构1的光强和光衰结构2到调制结构2的光强相同。
分束结构4、可调光衰减结构2、探测器4结构与作用与分束结构3、可调光衰减结构1、探测器3相同。
可调光衰减结构1输出的光进入调制结构1，调制结构1为相位调制器。可调光衰减结构2输出的光进入调制结构2，调制结构2为相位调制器。调制结构1与调制结构2功能相同，施加的电信号同频率、同幅度、相位相反。
调制结构1、2输出的光分别作为顺逆时针光进入干涉环传输。
遵循光路可逆原则，干涉环顺时针传输光进入调制结构2，可调光衰减结构2、分束结构4；干涉环逆时针传输光进入调制结构1，可调光衰减结构1、分束结构3；两束光在分束结构2合束处进行干涉，并输出到空间模式滤波结构，进入起偏结构，经过分束结构1，到达探测器1。
具体实施方式如图2所示，包括光源、基于MMI(multimodeinterference，多模干涉耦合器)的分束结构1、探测器1、探测器2、基于PBS(polarization beamsplitters，偏振分束器)的起偏结构、基于吸收波导的空间模式滤波结构、基于MMI的分束结构2、基于DC(directionalcoupler，定向耦合器)的分束结构3、基于DC的分束结构4、可调光衰减结构1、调制结构1、探测器3、可调光衰减结构2、调制结构2、探测器4、干涉环。
所述光源输出光为宽谱，宽谱光入射到MMI端口1。
MMI1为2*2端口器件，TE模式分束比为50:50。MMI1输出的光分别入射PBS、和探测器2。
PBS对单模传输的光场的TM模式进行滤除，并输入到吸收波导中。保留TE模式光进入MMI2，用MMI结构可以滤除高阶模，MMI2为1*2端口器件，TE模式分束比为50:50。
探测器2接收的光用于检测光源输出光功率稳定性。
MMI2输出的光进入DC3和DC4。DC3为1*2端口器件，分束比为95:5。其中95％的光入射到可调光衰减结构1中。5％的光入射到探测器3中。探测器3用于检测该顺时针光路的光强度，并与逆时针路进行对比，通过可调光衰减结构进行协同、补偿，使顺逆时针光路强度相同。
DC4、可调光衰减结构2、探测器4结构与作用与DC3、可调光衰减结构1探测器3相同。
可调光衰减结构1输出的光进入调制结构1，调制结构1为相位调制器。可调光衰减结构2输出的光进入调制结构2，调制结构2为相位调制器。调制结构1与调制结构2功能相同，施加的电信号同频率、同幅度、相位相反。
调制结构1、2输出的光分别作为顺逆时针光进入干涉环传输，并经过可逆光路在探测器1输出。
具体实施方式如图3所示。包括光源、基于DC的分束结构1、探测器1、探测器2、基于满足形状双折射结构的弯曲波导的起偏结构、基于吸收波导以及高阶模滤波器的空间模式滤波结构、基于DC的分束结构2、基于DC的分束结构3、基于DC的分束结构4、可调光衰减结构1、调制结构1、探测器3、可调光衰减结构2、调制结构2、探测器4、干涉环。
所述光源输出光为宽谱，宽谱光入射到DC端口1。
DC1为2*2端口器件，TE模式分束比为50:50。DC1输出的光分别入射弯曲波导起偏器和探测器2。
满足形状双折射的弯曲波导，对TE模式进行紧束缚，TM模式泄露，在弯曲波导起偏器周围设置吸收波导，对泄露的TM模式进行滤除，弯曲波导起偏器连接高阶模滤波器，对传输路径中的高阶模进行滤除。保留单模TE模式光进入DC2，DC2为1*2端口器件，TE模式分束比为50:50。
探测器2接收的光用于检测光源输出光功率稳定性。
DC2输出的光进入DC3和DC4。DC3为1*2端口器件，分束比为95:5。其中95％的光入射到可调光衰减结构1中。5％的光入射到探测器3中。探测器3用于检测该顺时针光路的光强度，并与逆时针路进行对比，通过可调光衰减结构进行协同、补偿，使顺逆时针光路强度相同。
DC4、可调光衰减结构2、探测器4结构与作用与DC3、可调光衰减结构1、探测器3相同。
可调光衰减结构1输出的光进入调制结构1。调制结构1为相位调制器。可调光衰减结构2输出的光进入调制结构2。调制结构2为相位调制器。调制结构1与调制结构2功能相同，施加的电信号同频率、同幅度、相位相反。
调制结构1、2输出的光分别作为顺逆时针光进入干涉环传输。并经过可逆光路在探测器1输出。

Claims (10)

1.一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，包括：光源、探测器1之后连接的分束结构1，在分束结构1之后连接的起偏结构和探测器2，在起偏结构之后连接的空间模式滤波结构，在空间模式滤波结构之后连接的分束结构2，在分束结构2之后连接的分束结构3、分束结构4，在分束结构3之后连接的探测器3、可调光衰减结构1，在分束结构4之后连接的可调光衰减结构2、探测器4，在可调光衰减结构1之后连接的调制结构1，在可调光衰减结构2之后连接的调制结构2，调制结构1和调制结构2分别连接干涉环的两端。
2.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该分束结构1分束比为50:50；分束结构1输出的光分别入射起偏结构和探测器2。
3.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该起偏结构，用于滤除经分束结构1传来的光束光场中的横磁波模式，保留光束光场中横电波模式。
4.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺，其特征在于，该探测器2，用于根据其接收的光，检测光源输出光功率的稳定性。
5.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该起偏结构输出的光进入到该空间模式滤波结构，该结构对波导中的高阶模式以及衬底、包层泄露模式进行滤除。
6.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该空间模式滤波结构输出的光进入分束结构2，分束结构2的分束比为50:50。
7.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该分束结构2输出的光进入分束结构3和分束结构4；
分束结构3的分束比为95:5，使95％的光入射到可调光衰减结构1中，5％的光入射到探测器3中；
分束结构4的分束比为95:5，使95％的光入射到可调光衰减结构2中，5％的光入射到探测器4中；
探测器3用于检测其光路的光强度，并与探测器4检测的光路的光强度进行对比，通过可调光衰减结构1和可调光衰减结构2进行协同、补偿，使顺逆时针光路强度相同。
8.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该可调光衰减结构1输出的光进入调制结构1，调制结构1为相位调制器；可调光衰减结构2输出的光进入调制结构2，调制结构2为相位调制器；调制结构1与调制结构2功能相同，施加的电信号同频率、同幅度、相位相反；
该调制结构1、2输出的光分别作为顺逆时针光进入干涉环传输；
遵循光路可逆原则，干涉环顺时针传输光进入调制结构2，可调光衰减结构2、分束结构4；干涉环逆时针传输光进入调制结构1，可调光衰减结构1、分束结构3；两束光在分束结构2合束处进行干涉，并输出到空间模式滤波结构，进入起偏结构，经过分束结构1，到达探测器1。
9.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该空间模式滤波结构包括偏振分束器，用于对光场中的横磁波模式进行滤除后送入基于吸收波导的空间模式滤波结构中。
10.如权利要求1所述的一种协同架构的集成光学陀螺仪，其特征在于，该空间模式滤波结构包括弯曲波导起偏器，用于对光场中横电波模式进行紧束缚，横磁波模式泄露，在弯曲波导起偏器周围设置吸收波导，用于对泄露的横磁波模式进行滤除，弯曲波导起偏器连接高阶模滤波器，对传输路径中的高阶模进行滤除。
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