[发明专利]基于光学微腔的集成光波导陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域和微机电领域，具体是一种基于光学微腔的集成光波 导陀螺。

背景技术

陀螺仪是惯性系统的核心部件，能够精确地确定运动物体的方位，它是现 代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的惯性导航仪器。传统的惯性陀螺 仪主要是指机械式陀螺仪，机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂， 测量精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，光学陀螺成为 现代陀螺仪的发展主体，包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪，两者均基于1913年 法国科学家G.Sagnac发现的Sagnac效应(即在一个任意几何形状的闭合光学 环路中，从任意一点发出的沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点 时，如果闭合光路在其平面内相对惯性空间有旋转，则两束光波的相位将发生 变化)实现。其中，由于光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优 点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了传统机械式陀螺仪，成 为现代导航仪器中的关键部件。

光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，皆以光纤环敏感载体 的转动，将入射光分为两束，分别沿着光纤环的顺时针和逆时针传播，最后在 某点回合，通过测量二者的相位变化和频率变化来计算载体产生的转动角速 度。对于干涉式陀螺，光纤环由多圈光纤在特制的骨架上按特定的方式绕制而 成，为光纤陀螺提供大等效面积的闭合光路，以便在增强Sagnac效应的同时， 减小光学陀螺的体积。干涉式陀螺的性能直接受光纤环的稳定性和抗干扰能力 影响，而光纤环的稳定性和抗干扰能力与光纤环的制作技术相关。例如：1983 年NicholasJ.Frigo提出的四极对称绕环方法是光纤环制作技术的经典方法，在 一定程度上改善了光纤环的抗干扰能力及其温度性能，但操作相当复杂，无法 保证环质量，必须在绕制后对光纤环的性能检测和筛选。且由于光纤环的绕置 结构，使得其体积必然占据一定空间，无法进一步减少，不利于光学陀螺仪向 微小型化发展。且光纤环有弯曲损耗、交叉损耗等问题，从而影响干涉信号检 测而最终影响光纤陀螺的精度。对于谐振式光纤陀螺，其优点不需要制备很长 的光纤，不存在额外损耗，但其光线环集成性及抗震性不佳。光纤陀螺的一个 重要优势是抗震性能优越，耐冲击是光纤陀螺优于其他类型陀螺的一个很重要 的方面，光纤环是影响光纤陀螺抗震性能的主要器件，因此，提高光纤环的抗 震性能是保证光纤陀螺抗震性能的关键。而要提高光纤环的抗震性能，目前的 做法是在绕制光纤环时涂胶。固胶虽然改善了光纤环的抗震性能，但仍受涂胶 量及涂胶的均匀度的影响，而且胶的温度性能及自身固化后状态对光纤环性能 也会产生影响，进而使装配后的光纤陀螺性能不稳定。总之，光纤环的质量不 但限制了光纤陀螺性能的进一步提高，而且会影响光纤陀螺在高精度领域的应 用。

随着微加工技术的发展，高Q光学微腔为研制新型光学陀螺仪提供了新的 思路。光学微腔是指线度约为5μm至500μm的、尺寸可与光波波长相比拟的 光学介电谐振器，是凝聚态介观物理研究中的活跃领域。目前研究的光学微腔 主要集中在均匀介质的圆环或圆球等结构，由于其具有极高的品质因素和极小 的模式体积，使其在空间和时域上能很好地实现光存储，成为研究腔量子电动 力学效应、提高或抑制自发辐射率、降低激光器域值、制备光学滤波器、产生 确定性单光子源、实现波长调制转换器和光存储器等的理想研究平台。并随着 近年来微加工技术的飞速发展，也促进了光学微腔的实现、发展和进一步研究。

发明内容

本发明为了解决现有光纤陀螺仪性能提高受光纤环质量限制、不利于光纤 陀螺仪在高精度领域应用等问题，提供了一种基于光学微腔的集成光波导陀 螺。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于光学微腔的集成光波导陀螺， 包括光源、分束器及由信号处理单元和两个光电探测器构成的光检测装置，光 源正对分束器的入射口设置，两个光电探测器的输出端与信号处理单元信号采 集端相连，还包括采用MEMS加工工艺在半导体衬底上加工得到的光学微腔、 以及平行对称设置于光学微腔两侧的光波导(即双波导)，且两光波导分别与 光学微腔构成光波导-微腔耦合结构，光学微腔、光波导设置于分束器与光检 测装置之间，分束器的两出射口分别经入射光纤与两光波导的入射端一一对应 建立两路入射光路，两光波导的出射端分别经出射光纤与光检测装置中两光电 探测器的输入端一一对应建立两路出射光路。