一种片上光学干涉式角速度传感模块的制作方法

本发明属于传感技术领域，更具体地，涉及一种片上光学干涉式角速度传感模块。

背景技术：

陀螺仪是一种角速度传感器，是惯性导航系统中的一个重要器件。惯性导航系统是一种不依赖于外部信息，不与外部产生信息交互的自主式导航系统，它在军事和民用中都有很大的应用价值。其中，光学陀螺仪具有机械稳定性高，精度高，抗电磁干扰的优点，因此被广泛的应用于航天飞船、火箭、导弹、飞机、潜艇等领域。随着手机、汽车、机器人等消费电子市场对光学陀螺仪需求的增大，大量关于集成光学陀螺仪的研究在近几十年之内涌现出来。

对于传统的集成光学干涉式陀螺仪，环形波导线圈是其传感元件，在波导线圈中相向传输两光束，当陀螺仪静止时，两束光束所经历的光程相同，光程差为零。但当陀螺仪以某角速度相对于垂直于感应平面的轴旋转时，根据sagnac效应，顺逆时针的两束光束的光程差会发生变化，进而导致两束光的产生一定的相位差，并且该相位差与旋转的角速度相关。通常在环形波导线圈中会安置一个相位调制器，加载周期相位调制信号，使顺逆时针的两束光产生固定的相位差，当该值为π/2的奇数倍时，陀螺仪拥有最佳灵敏度。

目前，关于集成光学陀螺仪的研究主要可以分为谐振式和干涉式陀螺仪。现有的研究方案除了提高陀螺仪灵敏度等指标的追求以外，还有就是实现整片集成的方案。其中就有干涉式陀螺仪的整片的混合集成方案，在该方案中，在氮化硅平台上制作了超低损耗的氮化硅波导线圈，在ⅲ-ⅴ族平台上实现了有源器件的制作，并在硅基平台上实现了混合集成的方案，从而实现了光学陀螺仪的整片集成器件。然而，这种混合平台的耦合制作工艺复杂，成本较高。对于硅基平台而言，制作混合集成的环形器、相位调制器是很困难的。因此，如果可以通过结构设计避免相位调制器和环形器的使用，将有很重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种片上光学干涉式角速度传感模块，旨在解决现有技术中由于有源部件调制器和环形器与无源传感部件的工艺平台不兼容而导致工艺上高难度混合集成的技术问题。

本发明提供了一种片上光学干涉式角速度传感模块，包括：分束模块，包括三个端口，第一端口用于接收单色光源，分束模块用于将所述单色光源等功率分为两束光；模式转换模块，包括六个端口，第一端口和第二端口与所述分束模块的第二端口和第三端口连接，所述模式转换模块用于将所述两光束中的一束光由基横电模te0转化为一阶横电模te1，并在通过传感波导线圈之后又由te1模式转化为te0模式输出，而另一光束则一直保持为te0模式，并在通过传感波导线圈之后仍然保持te0模式输出；波导线圈模块，与所述模式转换模块的第三端口和第四端口连接，用于感应角速度信号以及实现相向传输双光束的固定相位差，te1与te0模式分别在波导线圈中沿顺、逆时针方向传输，两光束将产生一个模式导致的固定相位差，根据sagnac效应，在旋转的情形下，相向传输的两光束将产生一个角速度导致的相位差；干涉模块，与所述模式转换模块的第五端口和第六端口连接，用于将携带角速度信号的两束光束相互干涉，将相位信号转化为强度信号。

其中，所述模式转换模块包括：两个模式复用解复用器，每个模式复用解复用器具有三个端口，分别为te0-te1端、te0-te0端以及复用端，其两个模式复用解复用器的复用端分别与波导线圈模块的波导两端相连接，第一个模式复用解复用器的te0-te1端和第二个模式复用解复用器的te0-te0端分别与分束模块的波导相连接，而第一个模式复用解复用器的te0-te0端和第二个模式复用解复用器的te0-te1端分别与干涉模块的波导相连接；te0模式从模式复用解复用器te0-te1端和te0-te0端输入将分别在复用端输出te1模式和te0模式，由于光路可逆，从复用端输入te1模式和te0模式，将分别在te0-te1端和te0-te0端输出te0模式；工作时，其中的一束光束进入所述模式转换模块的第一个模式复用器的te0-te1端，由te0模式转化为te1模式从复用端输出，然后接入所述的波导线圈模块中顺时针传输，而另一束光束进入所述模式转换模块的第二个模式复用器的te0-te0端，保持te0模式不变化从复用端输出，然后接入所述的波导线圈模块中逆时针传输，之后顺时针传输的te1模式光束将经过模式转换模块的第二个模式复用器的复用端，并将转化成te0模式从te0-te1端输出，而逆时针传输的te0模式光束将经过模式转化模块的第一个模式复用器的复用端，并一直保持为te0模式从te0-te0端输出，最后两光束在所述干涉模块中干涉最后输出。

其中，所述的波导线圈模块包括弯曲波导及同时支持te0和te1两种模式的低插入损耗交叉波导。在本文中，低插入损耗具体是指每个交叉波导的插入损耗应小于0.1db。

其中，所述的弯曲波导是至少支持两种模式的多模波导，波导几何结构呈盘绕线圈状，弯曲波导半径应满足避免弯曲损耗以及模式串扰的条件，波导长度使两种模式间相位差满足π/2的奇数倍。

其中，所述交叉波导结构同时支持te0和te1两种模式的低插入损耗，其可以由多模干涉仪多模干涉仪型交叉波导构成，多模干涉仪波导宽度至少支持四种te模式，波导长度是te0和te1模式自映像点拍长的公倍数，波导交叉点设置在两种模式的自映像点处。

其中，te1与te0模式在所述的波导线圈中分别沿顺、逆时针方向传播，若分别交换模式转换模块与分束模块和干涉模块的连接端口，可实现te0与te1模式在所述的波导线圈中分别沿顺、逆时针方向传播。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于该器件利用了模式复用解复用器与传感光波导线圈的结构，实现了在传感波导线圈中相向传输te0和te1两种模式，在两束光间形成了固定的相位差的方案，取代了传统集成光学干涉式陀螺仪中的相位调制器和环形器的使用，能够取得减小工艺复杂度和制作成本的有益效果。

附图说明

图1为本发明具体实施方式二维结构示意图；

图2为本发明模式转换模块和波导线圈模块三维示意图；

图中，1为分束模块，2为模式转换模块，3为波导线圈模块，4为干涉模块，301为构成波导线圈模块的弯曲波导结构，302为构成波导线圈模块的双模交叉波导结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于硅基的片上光学干涉式角速度传感模块，在单波长工作时，通过在波导线圈中分别相向传输基横电模te0和一阶横电模te1光束以引起固定相移，当该固定相移为π/2的奇数倍时，陀螺仪的分辨率最佳，从而避免了相位调制器的使用，并且干涉后的光束不会回到输入光路中，因此也避免了环形器的使用。

本发明实施例提供的光学干涉式角速度传感模块包括：

分束模块，用于将输入单色光束被分束为光功率相等的两束光；

模式转换模块，包含两个模式复用解复用器，用于将分束后的两光束之一在模式转换模块中的第一个模式复用解复用器的te0-te1端输入，并在复用端输出te1模式，而另一束光在第二个模式复用解复用器的te0-te0端输入，并在复用端输出te0模式的光束；

波导线圈模块，用于在相向传输不同模式的两光束形成固定的相位差，以及感应角速度信号，在波导线圈中te0和te1模式光束将在固定长度波导线圈中相向传输，两光束在输出时会形成固定的相位差，取代了有源相位调制器的作用，而当波导线圈相对于垂直于平面以某一角速度旋转时，相向的两束光将产生另一个由角速度引起的相位差；

干涉模块，用于将携带角速度信号的两光束相互干涉，将相位信号转化为强度信号，在波导线圈中传输后，te1模式将传输到模式转换模块的第二个模式复用解复用器的复用端，并在te0-te1端转化为te0模式输出，而te0模式则传输到模式转换模块的第一个模式复用解复用器的复用端，并在te0-te0端以te0模式输出，两束光束经过干涉模块时发生干涉，将角速度相位信息转化为幅度信息之后输出；

分束模块的两输出端口分别与模式转换模块的第一个模式复用解复用器的te0-te1端以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的te0-te0端相连接，模式转换模块的第一个模式复用解复用器的复用端以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的复用端分别与波导线圈两输入输出端口相连接，模式转换模块的第一个模式复用解复用器的te0-te0端以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的te0-te1端分别与干涉模块的两输入端口相连接。

作为本发明的一个实施例，分束模块可以是2×2多模干涉仪，该结构具有大工艺容差的优点。

作为本发明的一个实施例，模式复用解复用器可以采用反向拉锥的双波导构成，其波导宽度需要满足te0与te1模式的相位匹配条件，才能使te0与te1模式之间完全转化，以减小串扰，其长度需满足模式之间的完全耦合。

作为本发明的一个实施例，波导线圈模块由多个同时支持te0和te1模式的弯曲波导与同时支持te0和te1模式的超低损耗的交叉波导构成，该盘绕波导线圈结构中支持相向传输te0和te1两种模式以形成固定相位差，并且盘绕的结构增大了角速度的感应面积。

作为本发明的一个实施例，波导线圈模块中的波导弯曲半径要满足避免弯曲损耗和模间串扰的条件以保证好的灵敏度，单波长输入时，波导长度需满足两种模式间相位差满足π/2的奇数倍，此时陀螺仪工作在最佳灵敏度。

作为本发明的一个实施例，波导线圈模块中的同时支持te0和te1模式的超低损耗交叉波导，可以采用多模干涉仪型的交叉波导，该结构的多模干涉仪部分的宽度必须至少支持四种模式，长度必须同时满足te0与te1模式的自映像点拍长，才能满足同时支持te0和te1模式的超低损耗交叉波导的条件。

作为本发明的一个实施例，干涉模块可以是2×2的多模干涉仪，该结构具有大工艺容差的优点。

作为本发明的一个实施例，分束模块第一输出端与模式转换模块中的第一个模式复用解复用器的te0-te1端波导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

作为本发明的一个实施例，分束模块第二输出端与模式转换模块中的第二个模式复用解复用器的te0-te0端波导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

作为本发明的一个实施例，模式转换模块中的第一个模式复用解复用器的复用端与波导线圈模块中第一个端口导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

作为本发明的一个实施例，模式转换模块中的第二个模式复用解复用器的复用端与波导线圈模块中第二个端口导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

作为本发明的一个实施例，干涉模块的第一端口与模式转换模块中的第一个模式复用解复用器的te0-te0端波导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

作为本发明的一个实施例，干涉模块的第二端口与模式转换模块中的第二个模式复用解复用器的te0-te1端波导宽度不一致时，两端口需通过绝热拉锥波导相接，绝热拉锥波导可以使不同宽度波导之间模斑逐渐变化过渡进而避免了不同宽度波导间模斑的模式失配导致的损耗。

本发明虽然是基于硅基的片上光学干涉式角速度传感模块，但在其他平台上采用类似的结构，te0和te1模式之间引起固定相位差也可以实现相同的功能。

本发明通过用分束模块、模式复用模块、波导线圈模块和干涉模块的一定组合方式实现了两种不同模式的光束在感应角速度的盘绕波导线圈中相向传输，以引起π/2的奇数倍的固定相移，使该集成光学陀螺仪达到最佳分辨率，避免了集成相位调制器的使用和环形器的使用，大大减少了制作难度和成本，有利于推动片上光学陀螺仪的整片集成的实现。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的片上光学干涉式角速度传感模块，现结合附图以及具体实例详述如下：

本发明提出用于片上的低成本光学干涉式角速度传感模块，该器件利用了在传感光波导线圈中采用相向传输te0和te1模式，在单波长工作时，相向传输的两束光形成了固定的相位差，解决了传统集成光学干涉式陀螺仪中的相位调制器集成难，成本高的问题，并且在该结构中避免了传统光学干涉式陀螺仪中环形器的使用。

图1中，分束模块1包括分束模块输入端口、第一输出端口和第二输出端口，模式转换模块2包括第一个模式复用解复用器的te0-te1端口、第二个模式复用解复用器的te0-te0端口、第一个模式复用解复用器的复用端口、第二个模式复用解复用器的复用端口、第一个模式复用解复用器的te0-te0端口、第二个模式复用解复用器的te0-te1端口；波导线圈模块3包括第一输入输出端口31，第二输入输出端口32，干涉模块4包括：第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口，和第二输出端口。

分束模块的两输出端口12、13分别与模式转换模块的第一个模式复用解复用器的te0-te1端21以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的te0-te0端22相连接，模式转换模块的第一个模式复用解复用器的复用端23以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的复用端24分别与波导线圈两输入输出端口31、32相连接，模式转换模块的第一个模式复用解复用器的te0-te0端25以及模式转换模块的第二个模式复用解复用器的te0-te1端26分别与干涉模块的两输入端口41、42相连接。

器件的工作原理为，输入的单色光束从分束模块1的输入端口11输入，光束被等功率的分为两束并分别从分束模块的输出端口12和13输出。两光束之后从模式转换模块2的第一个模式复用解复用器的te0-te1端口21和第二个模式复用解复用器的te0-te0端口22输入，从第一个模式复用解复用器的te0-te1端口21输入的光束将由te0模式转化为te1模式，并从第一个模式复用解复用器的复用端23输出，从第二个模式复用解复用器的te0-te0端口22输入的光束将保持te0模式从第二个模式复用解复用器的复用端24输出。从第一个模式复用解复用器的复用端23输出的te1模式将从波导线圈模块3中的31端口进入波导线圈并沿顺时针传输，两次经过低损耗的交叉波导阵列302，之后从波导线圈模块3中的32端口输入第二个模式复用解复用器的复用端24，并由te1模式转化为te0模式，从第二个模式复用解复用器的te0-te1端口26输出。而从第二个模式复用解复用器的复用端24输出的te0模式将从第三波导线圈3中的32端口进入波导线圈并沿逆时针传输，两次经过低损耗的交叉波导阵列302，之后从波导线圈模块3中的31端口输入第一个模式复用解复用器的复用端23，并保持te0模式在第一个模式复用解复用器的te0-te0端口25输出。从模式转换模块端口25、26输出的光束从干涉模块4的输入端口41、42输入，并从输出端口43、44输出两路干涉的信号。

当传感单元静止时，相向传输光束相位差是由两种模式的有效折射率、波导长度以及工作波长决定的，当该相位差为π/2的奇数倍时，可实现高灵敏度角速度传感，从而替代了相位调制器的作用。当传感单元以垂直于该传感元件的轴以某一转速旋转时，旋转会导致相向传输光束产生一个角速度相关的相位差，该角速度相位信息最终在干涉模块4中干涉后反映在输出光束的光强上。

需要说明的是，te1与te0模式在所述的波导线圈中分别沿顺、逆时针方向传播，如果分别交换模式转换模块中与分束模块和干涉模块的连接端口，也就是分束模块的输出端口12与模式转换端口25连接，分束模块的输出端口13与模式转换模块端口26连接，干涉模块输入端口41与模式转换模块端口21连接，干涉模块输入端口42与模式转换模块端口22连接，可实现te0与te1模式在所述的波导线圈中分别沿顺、逆时针方向传播，这样的结构也能实现同样功能。

最后需要说明的是，以上实施示例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。