CN218847233U - 一种单轴光学惯性测量单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单轴光学惯性测量单元。包括sld光源、第一光电探测器、混合波导集成芯片、光纤陀螺环和第二光电探测器；混合波导集成芯片嵌于铌酸锂晶体里，sld光源和第一光电探测器连接在混合波导集成芯片一侧的两端，光纤陀螺环和第二光电探测器连接在混合波导集成芯片另一侧的两端；混合波导集成芯片包括一个2×2波导耦合器、一个Y波导调制器和一个M‑Z干涉结构调制器；Y波导调制器和M‑Z干型结构调制器共用连接在2×2波导耦合器上。本实用新型通过把波导耦合器和Y波导调制器和M‑Z干涉结构调制器巧妙集成在一个衬底上，实现精确测量光纤陀螺Y波导调制器内部波导温度变化特性，达到了***小型化，完善了光纤陀螺的结构互易性。

Description

一种单轴光学惯性测量单元

技术领域

本实用新型属于集成光学和传感技术领域的一种光学测量结构，具体是一种光纤陀螺和温度传感器高度融合的单轴光学惯性测量单元。

背景技术

惯性技术是海陆空各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定以及过载传感等的核心技术，是同时具备自主性好、信息全面、实时连续、抗干扰性强等特性的载体运动信息感知技术。

惯性导航是20世纪中期发展起来的完全自主式的导航技术。陀螺仪是惯性***的核心部件，用于敏感运动载体相对惯性空间的角运动，测量载体的角位移和角速度。基于sagnac效应的光纤陀螺是新一代光学陀螺，已经成为惯性传感的主要发展方向。光路的互易性是光纤陀螺实现高精度角速度测量的基础，光路的互易性首先是光路结构的互易性。但是，温度的飘移也严重影响光纤陀螺测量精度，如何精确的测量光路各节点的温度至关重要，然而，作为光纤陀螺光路组成重要光学器件Y波导调制器内部波导温度精确测量始终是个技术难题。

实用新型内容

为了实现背景技术提到的技术难题，本实用新型提供了一种光纤陀螺和波导温度传感器高度融合的单轴光学惯性测量单元，实现了精确测量光纤陀螺Y波导调制器内部波导温度变化特性和***小型化的目的。

本实用新型的具体实施方案如下：

本实用新型包括sld光源、第一光电探测器、混合波导集成芯片、光纤陀螺环和第二光电探测器；混合波导集成芯片嵌于铌酸锂晶体里，sld光源和第一光电探测器连接在混合波导集成芯片一侧的两端，光纤陀螺环和第二光电探测器连接在混合波导集成芯片另一侧的两端。

所述的混合波导集成芯片包括一个2×2波导耦合器、一个Y波导调制器和一个M-Z干涉结构调制器；Y波导调制器和M-Z干涉结构调制器共用连接在2×2波导耦合器上；

2×2波导耦合器一侧的两端分别作为与sld光源连接的光输入端尾纤耦合端口、与第一光电探测器连接的光纤陀螺输出端尾纤耦合端口，光输入端尾纤耦合端口、光纤陀螺输出端尾纤耦合端口分别经各自的一根耦合光纤后和sld光源、第一光电探测器连接；2×2波导耦合器另一侧的两端为两个正向输出端分别与Y波导调制器、M-Z干涉结构调制器的输入端连接，Y波导调制器的输出端引出用于分别与光纤陀螺环两端尾纤对接的第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，M-Z干涉结构调制器的输出端引出用于与第二光电探测器对接的温度测量输出端尾纤耦合端口。

所述的Y波导调制器包括一个对称Y分支波导、一对平行波导以及分布在平行波导两侧的金属调制电极，对称Y分支波导的集合端和2×2波导耦合器另一侧的一端连接，对称Y分支波导的两个分支端分别经各自的一根平行波导的一端连接，两根平行波导的另一端分别作为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，经耦合光纤、耦合光纤6d和光纤陀螺环的两端连接。

所述的M-Z干涉结构调制器包括输入端对称Y分支波导、输出端不对称Y分支波导、连接输入端对称Y分支波导和输出端不对称Y分支波导之间的一对等长的平行波导以及分布在平行波导两侧的金属调制电极；

输入端对称Y分支波导的集合端和2×2波导耦合器另一侧的另一端连接，输入端对称Y分支波导的两个分支端分别经各自的一根平行波导和输出端不对称Y分支波导的两个分支端连接，输出端不对称Y分支波导的集合端作为与第二光电探测器对接的温度测量输出端尾纤耦合端口，经耦合光纤和第二光电探测器连接；

其中，输入端对称Y分支波导的两个分支端等长，输出端不对称Y分支波导的两个分支端长度不相等，一对平行波导等长，每条平行波导两侧均设有金属调制电极。

所述的sld光源采用宽谱光源。

所述的光纤陀螺环采用四级对称工艺绕制，具体可以为sagnac光纤陀螺环。

所述的混合波导集成芯片，采用光刻技术和质子交换法在铌酸锂晶体里完成2×2波导耦合器、Y波导调制器光波导和M-Z干涉结构调制器光波导制作，再采用套刻技术和真空溅射技术完成Y波导调制器金属电极和M-Z干涉结构调制器的金属电极的制作。

所述的M-Z干涉结构调制器中，两个干涉臂不等长，温度变化时，波导的长度和折射率均发生变化，从而光程差发生变化，因为两个干涉臂不等长，长臂和短臂因为温度变化而产生的光程变化量不等，通过干涉信号检测可以得知两臂光程变化量差，结合材料热膨胀特性和折射率变化特性可以精确测得波导芯片波导温度特性。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出一种把纤陀螺和波导温度传感器融合的单轴光学惯性测量单元：通过把波导耦合器和Y波导调制器和M-Z干涉结构调制器巧妙集成在一个铌酸锂衬底上，实现精确测量纤陀螺Y波导调制器内部波导温度变化特性，且达到了***小型化的目的；充分利用波导耦合器的第四个分支，完善了光纤陀螺的结构互易性。

附图说明

图1是单轴光学惯性测量单元的整体结构示意图；

图2是混合波导集成芯片的结构示意图。

图中：混合波导集成芯片--1，sld光源—2，第一光电探测器—3，光纤陀螺环—4，第二光电探测器—5，铌酸锂晶体基底—11，波导耦合器—12，Y波导调制器—13、14、15，M-Z干涉结构调整器—16、17、18、19，耦合光纤---6a、6b、6c、6d、6e。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型技术方案作进一步描述。

如图1所示，本实用新型所提出的一种单轴光学惯性测量单元，集成Y波导调制器波导温度测量和角速度测量于一个测量单元里，实现Y波导调制器波导温度测量光路***和光纤陀螺光路***相融合。包括sld光源2、第一光电探测器3、混合波导集成芯片1、光纤陀螺环4和第二光电探测器5；混合波导集成芯片1嵌于铌酸锂晶体11里，sld光源2和第一光电探测器3连接在混合波导集成芯片1一侧的两端，光纤陀螺环4和第二光电探测器5连接在混合波导集成芯片1另一侧的两端。

其中由sld光源2、第一光电探测器3、混合波导集成芯片1、光纤陀螺环4构成了光纤陀螺光路***；由sld光源2、混合波导集成芯片1和第二光电探测器5构成了Y波导调制器波导温度测量光路***，这样在本实用新型测量单元中将光纤陀螺光路***和Y波导调制器波导温度测量光路***实现融合，两套***中的sld光源2复用，实现了复用光源且主要光路高度集成在一个衬底上。

如图2所示，混合波导集成芯片1包括一个2×2波导耦合器12、一个Y波导调制器和一个M-Z干涉结构调制器；Y波导调制器和M-Z干涉结构调制器共用连接在2×2波导耦合器12上；

2×2波导耦合器12一侧的两端12a、12b分别作为与sld光源2连接的光输入尾纤耦合端口、与第一光电探测器3连接的光纤陀螺输出端尾纤耦合端口，光输入尾纤耦合端口、光纤陀螺输出端尾纤耦合端口分别经各自的一根第一耦合光纤6a和第二耦合光纤6b后和分别sld光源2、第一光电探测器3连接。

2×2波导耦合器12另一侧的两端12c、12d为两个正向输出端分别与Y波导调制器、M-Z干涉结构调制器的输入端连接，Y波导调制器的输出端引出用于分别与光纤陀螺环4两端尾纤对接的第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，M-Z干涉结构调制器的输出端引出用于与第二光电探测器5对接的波导温度测量输出端尾纤耦合端口。

如图2所示，Y波导调制器包括一个对称Y分支波导13、一对第一平行波导14以及分布在第一平行波导14两侧的金属调制电极15，对称Y分支波导13的集合端13a和2×2波导耦合器12另一侧的一端12c连接，对称Y分支波导13的两个分支端13b、13c分别与两根第一平行波导14的一端连接，两根第一平行波导14的另一端分别作为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，经第三耦合光纤6c、第四耦合光纤6d和光纤陀螺环4的两端连接。

一对第一平行波导14分别为平行波导14a和平行波导14b，对称Y分支波导13的分支端13b经平行波导14a和第一尾纤耦合端口连接，对称Y分支波导13的分支端13c经平行波导14b和第二尾纤耦合端口连接。

如图2所示，M-Z干涉结构调制器包括输入端对称Y分支波导16、输出端不对称Y分支波导18、连接输入端对称Y分支波导16和输出端不对称Y分支波导18之间的一对等长的第二平行波导17以及分布在第二平行波导17两侧的金属调制电极19；

输入端对称Y分支波导16的集合端16a和2×2波导耦合器12另一侧的另一端12d连接，输入端对称Y分支波导16的两个分支端16b、16c分别经各自的一根第二平行波导17和输出端不对称Y分支波导18的两个分支端18b、18c连接，输出端不对称Y分支波导18的集合端18a作为与第二光电探测器5对接的温度测量输出端尾纤耦合端口，经第五耦合光纤6e和第二光电探测器5连接。

其中，输入端对称Y分支波导16的两个分支端16b、16c等长，输出端不对称Y分支波导18的两个分支端18b、18c长度不相等，作为两臂的一对第二平行波导17两臂等长，每条第二平行波导17两侧均设有金属调制电极19。

一对第二平行波导17分别为平行波导17a和平行波导17b，输入端对称Y分支波导16的分支端16b经平行波导17a和输出端不对称Y分支波导18的分支端18b连接，输入端对称Y分支波导16的分支端16c经平行波导17b和输出端不对称Y分支波导18的分支端18c连接。

这样，光信号由光源发出，2×2波导耦合器实现分光，分别进入两个Y波导调制器和MZ干涉结构调制器，实现光源复用。

如图1所示，光学陀螺光路：光源2发出的光通过第一耦合光纤6a与波导耦合器12分支12a耦合连接，经过波导耦合器12分成两路光，一路光通过分支12c进入Y波导调制器13输入端的基波导13a，Y波导调制器13将光再次分成两束，通过14a、14b耦合进入6c、6d，分别以顺时针和逆时针方向通过光纤陀螺环4，通过光纤陀螺环4的两束光再次回到Y波导调制器13集合端汇合后干涉，干涉光经波导耦合器12分支端12b，最终通过第二耦合光纤6b进入第一光电探测器3。

波导温度测量光路：光源2发出的光通过第一耦合光纤6a与波导耦合器12分支12a耦合连接，经过波导耦合器12分成两路光，其中一路光通过分支12d进入M-Z干涉结构调制器输入端16a，光通过M-Z干涉结构调制器并在输出端18a干涉汇合后耦合进入第五耦合光纤6e，最终进入第二光电探测器5。

Y波导调制器的两个分支长度相等。

如图2所示，M-Z干涉结构调制器，因为输出端不对称Y分支波导的分支18b和18c长度不相等，所以由16b、17a和18b构成的干涉臂和16c、17b和18c构成的干涉臂长度不相等，从而温度变化时，长臂和短臂因为温度变化而产生长度和折射率变化量有差异，进而光程变化量不等，即经过M-Z干涉结构的两路光的光程差发生变化，通过对干涉信号检测可以得知两臂光程差变化量，结合材料热膨胀特性和折射率变化特性可以精确测得光纤陀螺Y波导调制器波导温度变化特性。

混合波导集成芯片1，采用光刻技术和质子交换法在铌酸锂晶体里完成2×2波导耦合器12、Y波导调制器和M-Z干涉调制器光波导制作，再采用套刻技术和真空溅射技术完成Y波导调制器两个平行波导两侧金属电极和M-Z干涉结构调制器的金属电极制作。具体的：先采用光刻技术把设计的光波导掩膜图案转移的铌酸锂晶体衬底上，然后采用质子交换技术改变铌酸锂衬底折射率，洗去衬底上的波导掩膜图案，完成光传输波导制作；再采用套刻技术把电极掩膜图案转移到铌酸锂衬底上，然后采用真空溅射镀膜技术生成所需要的调制电极；最后洗去衬底上的电极掩膜图案，完成整个芯片制造。

本实用新型的单轴光学惯性测量单元，通过把波导耦合器、Y波导调制器和M-Z干涉结构调制器巧妙集成在一个铌酸锂衬底上，充分利用了波导耦合器的第四个分支，达到了***结构小型化和实时精确测量光纤陀螺光路中Y波导调制器内部波导温度变化特性的目的。

Claims (4)

1.一种单轴光学惯性测量单元，其特征在于：包括sld光源(2)、第一光电探测器(3)、混合波导集成芯片(1)、光纤陀螺环(4)和第二光电探测器(5)；混合波导集成芯片(1)嵌于铌酸锂晶体(11)里，sld光源(2)和第一光电探测器(3)连接在混合波导集成芯片(1)一侧的两端，光纤陀螺环(4)和第二光电探测器(5)连接在混合波导集成芯片(1)另一侧的两端。

2.根据权利要求1所述的一种单轴光学惯性测量单元，其特征在于：

所述的混合波导集成芯片(1)包括一个2×2波导耦合器(12)、一个Y波导调制器和一个M-Z干涉结构调制器；Y波导调制器和M-Z干涉结构调制器共用连接在2×2波导耦合器(12)上；

2×2波导耦合器(12)一侧的两端(12a、12b)分别作为与sld光源(2)连接的光输入端尾纤耦合端口、与第一光电探测器(3)连接的输出端尾纤耦合端口，光输入端尾纤耦合端口、输出端尾纤耦合端口分别经各自的一根第一耦合光纤(6a)和第二耦合光纤(6b)后分别和sld光源(2)、第一光电探测器(3)连接；

2×2波导耦合器(12)另一侧的两端(12c、12d)为两个正向输出端分别与Y波导调制器、M-Z干涉结构调制器的输入端连接，Y波导调制器的输出端引出用于分别与光纤陀螺环(4)两端尾纤对接的第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，M-Z干涉结构调制器的输出端引出用于与第二光电探测器(5)对接的输出端尾纤耦合端口。

3.根据权利要求2所述的一种单轴光学惯性测量单元，其特征在于：

所述的Y波导调制器包括一个对称Y分支波导(13)、一对第一平行波导(14)以及分布在第一平行波导(14)两侧的金属调制电极(15)，对称Y分支波导(13)的集合端(13a)和2×2波导耦合器(12)另一侧的一端(12c)连接，对称Y分支波导(13)的两个分支端(13b、13c)分别经各自的一根第一平行波导(14)的一端连接，两根第一平行波导(14)的另一端分别作为第一尾纤耦合端口和第二尾纤耦合端口，经第三耦合光纤(6c)、第四耦合光纤(6d)和光纤陀螺环(4)的两端连接。

4.根据权利要求2所述的一种单轴光学惯性测量单元，其特征在于：

所述的M-Z干涉结构调制器包括输入端对称Y分支波导(16)、输出端不对称Y分支波导(18)、连接输入端对称Y分支波导(16)和输出端不对称Y分支波导(18)之间的一对等长的第二平行波导(17)以及分布在第二平行波导(17)两侧的金属调制电极(19)；

输入端对称Y分支波导(16)的集合端(16a)和2×2波导耦合器(12)另一侧的另一端(12d)连接，输入端对称Y分支波导(16)的两个分支端(16b、16c)分别经各自的一根第二平行波导(17)和输出端不对称Y分支波导(18)的两个分支端(18b、18c)连接，输出端不对称Y分支波导(18)的集合端(18a)作为与第二光电探测器(5)对接的输出端尾纤耦合端口，经第五耦合光纤(6e)和第二光电探测器(5)连接；

其中，输入端对称Y分支波导(16)的两个分支端(16b、16c)等长，输出端不对称Y分支波导(18)的两个分支端(18b、18c)长度不相等，一对第二平行波导(17)等长，每条第二平行波导(17)两侧均设有金属调制电极(19)。

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