[发明专利]基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片

说明书

本发明实施例公开了一种基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片，包括第一光纤‑波导模式转换器、第二光纤‑波导模式转换器、第一3dB耦合器、SiON起偏器、第二3dB耦合器以及第三光纤‑波导模式转换器、第四光纤‑波导模式转换器。本发明在保证开环光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高开环光纤陀螺的多项性能，实现开环光纤陀螺的更小型化、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺。

技术领域

本发明涉及集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片。

背景技术

由于可以精确测量角位移，高灵敏度的陀螺仪在一系列领域中，如航空导航、机器人、无人汽车驾驶以及地理测绘等，发挥着至关重要的作用，低廉紧凑的陀螺仪更是受到市场的广泛需求。基于Sagnac效应的光学陀螺由于其高灵敏度受到了广泛的关注，已经发展成为了一项多用途的成熟技术。相比传统基于角动量守恒的机械陀螺，光学陀螺没有运动模块，因此不受重力、冲击和振动的影响，从而也意味着不需要任何特殊的万向悬挂架或者封装手段。

随着用于通信领域的低损耗单模光纤以及各种光纤器件的快速发展，将其应用在光学陀螺中就催生了全光纤的光学陀螺（FOG）。作为光学陀螺的典型代表，光纤陀螺目前已经发展成为具有高灵敏度、高稳定性、可信赖的成熟技术手段，具有比最先进的微机电陀螺更好的性能表现，而且具有更低的成本、功耗以及尺寸。典型的光纤光学陀螺主要包括三种组成部分：被动传感光纤线圈、有源无源器件（如光源、相位调制器、光电探测器和耦合器）以及读出电路。为了不断完善被动传感部分，近年来研究者们开展了大量的相关研究，发明了一系列新型光纤，如具有极低非线性和热效应的空心光纤以及高偏振消光比光纤。另外，更加复杂的光纤缠绕技术不断被开发出来以消除由热梯度和振动带来的非互易噪声和漂移。进一步的发展还包括采用更薄的包层或者多芯光纤，从而显著减少传感光纤线圈的尺寸，但依然保持较高的灵敏度。

然而，目前大部分光纤陀螺采用分离的光学器件来实现光信号的产生、调制以及探测，而这些分离的光学器件通常通过尾纤相互连接在一起，从而形成Sagnac干涉光学回路。尽管采用分离器件提供了可以选择不同器件的自由度，但同样导致了一系列的问题，如寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等，上述情况均会不同程度的降低系统性能。尽管通过采用如模式和偏振滤光器件可以尽可能的减少上述效应的影响，但是额外增加了封装成本。另外，采用一系列分离光学器件还会增大系统尺寸以及重量。

为了避免上述采用分离器件引入的寄生反射、连接点处增加的插入损耗以及对环境敏感的偏振失配等，近年来，随着集成光子学的发展，研究者们提出了集成光学陀螺。通过将除传感线圈外光学陀螺需要的所有有源和无源光学器件进行集成，即构成集成光学驱动（IOD）芯片，该驱动芯片可以同传感线圈，如被动光纤或超低损耗的氮化硅波导，连接在一起形成干涉光学陀螺。这样以来，该集成驱动芯片大大减少了光学陀螺的尺寸、重量、功耗以及制作成本，从而将为光学陀螺的普及起到重要的推动作用。

目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成光学芯片是基于铌酸锂（LiNbO₃）材料的集成芯片。其在同一个芯片上，集成了 Y型分束器、起偏器和相位调制器，主要用于不同精度下的闭环光纤陀螺中，从而实现干涉相位的闭环反馈，降低了器件漂移的影响，精度较高。另一方面，在实际应用中，基于铌酸锂材料的集成芯片也存在一些不足：（1）铌酸锂光波导制作方法为质子交换法，对质子交换的时间、温度、交换介质的特性及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高；（2）材料的热光系数较大；当光通过LiNbO₃材料时，由于环境温度的变化，会影响器件的光学传输特性，从而产生温度漂移效应。因此，为了保证器件在宽温度范围内的工作稳定性，必须采取温度补偿措施，使得外围控制电路比较复杂。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于SiON起偏器的光纤陀螺用SiN基集成光学芯片，以有效提高其稳定性、可靠性。