专利名称：一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型属于集成光学和光纤传感器技术领域，特别涉及一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片。
背景技术：
光纤陀螺是一种惯性角速度测量仪器，主要应用于平台导航，导弹制导，瞄准稳定，姿态控制、定位等领域。光纤陀螺检测角速度的原理是萨格奈克效应即光束进入系统后分成两束相反方向传播的光波，它们在经过相同光路，以相反方向传播后同相地返回分束点。若绕垂直于光路所在平面的轴线，相对于惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，从而产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。通过计算光程差及与之相应的相位差信息，即可测得相应的角速度。在实际的惯性系统测量中，一般需要测量三个相互垂点方向的角速率信息，因此，利用单个惯性传感器件实现三轴测量，符合惯性器件小型化、低成本的发展趋势，在惯性系统检测方面具有重要的应用前景。目前的三轴光纤陀螺均为分立的光纤器件组合而成，需要多个光纤方向耦合器、 光学相位调制器等，因此整个系统体积大，质量高，而且稳定性和一致性较差。其中，光学相位调制器是三轴光纤陀螺的核心器件，目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的光学调制器是分离的铌酸锂晶体调制器。这种调制器工艺成本高，工艺过程复杂，与光纤对接的插入损耗也较大。近些年来，平面集成光学波导器件得到了广泛地发展。与传统的分立光学元器件相比，集成光学器件由平面光波导构成，其功能器件的尺寸仅为数十微米至数毫米，并且可实现光学功能器件的芯片化，大大地降低了光学系统的体积，是未来光学传感器件和系统进一步发展的主要方向之一。同时，有机聚合物光波导材料和电光材料在近年来得到了极大地发展，为研制高性能的集成光波导器件和高速电光调制器件等提供了更为优秀的功能材料。
发明内容技术问题本实用新型提出一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片，采用有机聚合物光波导材料和电光材料实现具有相位调制、分光、合波、衰减等多功能的集成光学芯片，用于研制三轴一体化光纤陀螺。该芯片具有光源利用率高、一致性好、集成度高、质量轻、易于大批量生产等优点。技术方案本实用新型提出的用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片中，输入光波导和输出光波导与第一方向耦合器的两输入端口相连，第一方向耦合器的两输出端口分别与第二方向耦合器和第三方向耦合器的一个输入端相连，第二方向耦合器和第三方向耦合器各自的另外一个输入端分别连接第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器，第二方向耦合器的两输出端口分别与第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器和第一 Y分支耦合器相连，第三方向耦合器的两输出端口分别与第二 Y分支耦合器和第三Y分支耦合器相连；每一个马赫-曾德尔结构的光波导衰减器的波导之上均设有一个金属电极；第一 Y分支耦合器的两输出端口分别与第一输出光波导、第二输出光波导相连，第二 Y分支耦合器的两输出端口分别与第三输出光波导、第四输出光波导相连，第三Y分支耦合器的两输出端口分别与第五输出光波导、第六输出光波导相连；在每一个输出光波导上均设有一个金属电极。芯片上的各输入光波导、输出光波导以及各功能器件均由光波导芯层、光波导上包层、光波导下包层、和衬底组成，光波导芯层宽度和厚度均为数微米，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；金属电极与光波导芯层的位置关系为金属电极位于光波导上包层之上，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间。输入光波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器、第三方向耦合器、第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器、第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器和输出光波导由低损耗的有机聚合物光波导材料制备；第一 Y分支耦合器、第二 Y分支耦合器、第三Y分支耦合器、第一输出光波导、第二输出光波导、第三输出光波导、第四输出光波导、第五输出光波导和第六输出光波导由有机聚合物电光材料制备。本实用新型所提出的一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片光路如下光源由输入光波导进入芯片，沿第一方向耦合器分为两束光强相等的光束分别进入第二方向耦合器和第三方向耦合器。第二方向耦合器将光束再分为两束光强相等的光束，分别进入第一 Y 分支耦合器和马赫-曾德尔结构的光波导衰减器。第三方向耦合器将光束再分为两束光强相等的光束，分别进入第二 Y分支耦合器和第三 Y分支耦合器。进入马赫-曾德尔结构的光波导衰减器的光信号迅速衰减。光强相等的三束光信号分别进入三支Y分支耦合器中，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六输出光波导，经相位调制后分别进入对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个光纤环路，经循环后返回各自的波导端口。光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入到光探测器中。通过对光探测器输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。有益效果本实用新型与现有的技术相比具有以下的优点1、本实用新型所提出的三轴光纤陀螺的集成光学芯片和传统的分立器件构成的三轴光纤陀螺相比，无需将各光纤耦合器、调制器等分立器件再组装，其关键功能器件均已芯片化，通过该多功能芯片即可实现光束的调制、衰减、分束和合波功能等。2、本实用新型所提出的三轴光纤陀螺的集成光学芯片将光波导耦合器阵列、Y分支耦合器和相位调制器阵列芯片化，同时复用光源和光探测器，具有一致性好、稳定性高、 功率低、体积小和质量轻等众多优点。3、本实用新型的三轴光纤陀螺的集成光学芯片由高性能的有机聚合物低损耗光波导材料和有机聚合物电光材料制备，和传统的铌酸锂材料相比，损耗低、电光系数高，而且制备工艺简单，成本大幅降低。
图1是三轴光纤陀螺的集成光学芯片结构示意图。[0016]图2是三轴光纤陀螺的集成光学芯片中光波导和电极的横截面示意图。图3是基于三轴光纤陀螺的集成光学芯片的三轴光纤陀螺的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步描述。本实用新型提出的三轴光纤陀螺的集成光学芯片结构如图1所示该芯片包括输入光波导1、第一方向耦合器21、第二方向耦合器22、第三方向耦合器23、马赫-曾德尔结构的光波导衰减器、金属电极4、第一 Y分支耦合器51、第二 Y分支耦合器52、第三Y分支耦合器53、输出光波导。从输入端到输出端，分别集成了输入光波导1、第七输出光波导67、两个马赫-曾德尔结构的光波导衰减器3及金属电极 4、第一方向耦合器21、第二方向耦合器22和第三方向耦合器23、第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器31、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器32，第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器33及金属电极4、第一 Y分支耦合器51、第二 Y分支耦合器52、第三Y分支耦合器53和第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、 第五输出光波导65、第六输出光波导66及金属电极4。波导器件的结构如下输入光波导1 和输出光波导67与第一方向耦合器21相连，第一方向耦合器21的两输出端口分别与第二方向耦合器22和第三方向耦合器23的输入端相连，第二方向耦合器22和第三方向耦合器 23的另外两输入端分别连接第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器31、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器32，第二方向耦合器22的两输出端口分别与第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器33和第一 Y分支耦合器51相连，第三方向耦合器23的两输出端口分别与第二 Y分支耦合器52和第三Y分支耦合器53相连，三个金属电极4分别位于三个马赫-曾德尔结构的光波导衰减器的波导之上，第一 Y分支耦合器51与第一输出光波导61、第二输出光波导62相连，第二 Y分支耦合器52与第三输出光波导63、第四输出光波导64相连，第三Y分支耦合器53与第五输出光波导65、第六输出光波导66相连，六个金属电极4分别位于第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66之上。其中，图1芯片中虚线左侧的器件，包括输入光波导1、第一方向耦合器21、第二方向耦合器22、第三方向耦合器23、第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器31、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器32，第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器33、第七输出光波导 67由低损耗的有机聚合物光波导材料制备，可确保光信号在传输过程中有较低的光学衰减。芯片中虚线右侧的器件，包括第一 Y分支耦合器51、第二 Y分支耦合器52、第三Y分支耦合器53、第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导 64、第五输出光波导65、第六输出光波导66由有机聚合物电光材料制备，利用光学电光效应，通过金属电极4对第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66内的光信号进行相位调制；金属电极由金、银及铝等金属制备，用于通入电信号。该芯片中的第一方向耦合器21、第二方向耦合器22、第三方向耦合器23主要起到分光、合波的作用，将光源81提供的光信号分为三束光强相等的光信号输出到第一 Y分支耦合器51、第二 Y分支耦合器52、第三Y分支耦合器53，并由三个Y分支耦合器将光信号分为六束光强相等的光信号，进入到第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66中。第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、 第六输出光波导66及波导上面的金属电极4的功能是输出相位可调制的光信号，使其进入第一光纤线圈71、第二光纤线圈72、第三光纤线圈73。调制方法为利用有机聚合物电光材料的电光效应，通过在金属电极4内通电信号，对输出光的相位进行电光调制。芯片中除输入波导1和第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66、第七输出光波导67以外的各端口产生的光信号属于噪声信号，均经过马赫-曾德尔结构的光波导衰减器，使其衰减，以避免对信号测试产生干扰。衰减器工作方式在位于第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器31、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器32，第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器33波导上的金属电极4通直流信号，利用光波导材料的热光效应，使马赫-曾德尔结构波导两壁中的光信号产生相位差n，则在衰减器输出端的光信号为零。有机聚合物电光材料具有高的电光系数，可通过电极对波导进行高速相位调制。 第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66和在输出光波导上方的金属电极4的主要功能是提供光强相等，光相位可调的六束光信号，通过金属电极4对六束光信号进行相位调制，使调制光进入对应三个轴方向的第一光纤线圈71、第二光纤线圈72、第三光纤线圈73中。本实用新型提出的三轴光纤陀螺的集成光学芯片中的光波导和金属电极的空间位置关系如图2所示芯片上的各输入光波导、输出光波导以及各功能器件均由光波导芯层U、光波导上包层12、光波导下包层13、和衬底14组成，光波导芯层11宽度和厚度均为数微米，光波导上包层12和光波导下包层13厚度为数微米以上。金属电极4与光波导芯层11的位置关系为金属电极4位于光波导上包层12之上，与光波导芯层11平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间。本实用新型提出的集成光学光纤陀螺芯片应用于光纤陀螺领域，应用本芯片的三轴光纤陀螺如图3所示光源81中的光信号由输入光波导1进入芯片，沿第一方向耦合器21分为两束光强相等的光束分别进入第二方向耦合器22和第三方向耦合器 23。第二方向耦合器22将光束再分为两束光强相等的光束，分别进入第一 Y分支耦合器51 和第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器33，进入第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器 33的光信号由金属电极4控制，使其衰减。第三方向耦合器23将光束再分为两束光强相等的光束，分别进入第二 Y分支耦合器52和第三Y分支耦合器53。其中马赫-曾德尔结构的光波导衰减器的功能是使多余端口内输出的光信号迅速衰减，因此不会产生噪声光。三束光强相等的光信号进入到第一 Y分支耦合器51、第二 Y分支耦合器52、第三Y分支耦合器 53中，再由Y分支耦合器分为六束光强相等的光信号，分别进入带有金属电极的六支第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、第五输出光波导65、第六输出光波导66，经相位调制后分别进入对应直角坐标系X、Y、Z三个方向的三个第一光纤线圈71、第二光纤线圈72、第三光纤线圈73，经循环后返回各自的波导端口。光信号在芯片中沿原光路返回，最终进入到光探测器82中。通过对光探测器82输出光强的测试，即可计算得到X、Y、Z三个方向的角速度，实现三轴角速度检测。其中，调制光信号的相位由位于第一输出光波导61、第二输出光波导62、第三输出光波导63、第四输出光波导64、 第五输出光波导65、第六输出光波导66上的金属电极4控制。光探测器82通过对输出光强进行信号处理，并通过电路将电信号反馈至金属电极4，控制调制光的相位，最终得到三个轴方向的角速度。
权利要求1.一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片，其特征在于，输入光波导(1)和输出光波导(67)与第一方向耦合器(21)的两输入端口相连，第一方向耦合器(21)的两输出端口分别与第二方向耦合器(22)和第三方向耦合器(23)的一个输入端相连，第二方向耦合器 (22)和第三方向耦合器(23)各自的另外一个输入端分别连接第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(31)、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(32)，第二方向耦合器(22)的两输出端口分别与第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(33)和第一 Y分支耦合器(51)相连，第三方向耦合器(23)的两输出端口分别与第二 Y分支耦合器(52)和第三Y分支耦合器 (53)相连；每一个马赫-曾德尔结构的光波导衰减器的波导之上均设有一个金属电极(4); 第一 Y分支耦合器(51)的两输出端口分别与第一输出光波导(61)、第二输出光波导(62) 相连，第二 Y分支耦合器(52)的两输出端口分别与第三输出光波导(63)、第四输出光波导 (64)相连，第三Y分支耦合器(53)的两输出端口分别与第五输出光波导(65)、第六输出光波导(66)相连；在每一个输出光波导上均设有一个金属电极(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片，其特征在于芯片上的各输入光波导、输出光波导以及各功能器件均由光波导芯层(11)、光波导上包层(12)、 光波导下包层(13)、和衬底(14)组成，光波导芯层(11)宽度和厚度均为数微米，光波导上包层(12)和光波导下包层(13)厚度为数微米以上；金属电极(4)与光波导芯层(11)的位置关系为金属电极(4)位于光波导上包层(12)之上，与光波导芯层(11)平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片，其特征在于输入光波导(1)、第一方向耦合器(21)、第二方向耦合器(22)、第三方向耦合器(23)、第一马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(31)、第二马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(32)、第三马赫-曾德尔结构的光波导衰减器(33)和输出光波导(67)由低损耗的有机聚合物光波导材料制备；第一 Y分支耦合器(51)、第二 Y分支耦合器(52)、第三Y分支耦合器(53)、第一输出光波导(61)、第二输出光波导(62)、第三输出光波导(63)、第四输出光波导(64)、第五输出光波导(65)和第六输出光波导(66)由有机聚合物电光材料制备。
专利摘要本实用新型提出的一种用于三轴光纤陀螺的集成光学芯片集成了输入光波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器、第三方向耦合器、马赫-曾德尔结构的光波导衰减器、输出光波导、第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器、第三Y分支耦合器和设计制作的金属电极。芯片由低损耗的有机聚合物光波导材料和有机聚合物电光材料制备。和传统的分立器件光学系统相比，该芯片将多个关键功能波导器件集成在统一芯片上，通过该多功能芯片即可实现光束的调制、衰减、分束和合波功能等，具有一致性好、稳定性高、功率低、体积小和质量轻等众多优点。可应用于开发三轴光纤陀螺。
文档编号G01C19/72GK202041212SQ201120058478
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者张彤, 张晓阳, 李威, 薛晓军, 雷威 申请人:东南大学