一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件的制作方法

1.本技术涉及传感器的技术领域，尤其是涉及一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器，光纤陀螺的工作原理是基于sagnac效应。光纤陀螺的优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。
3.相关技术中，三轴光纤陀螺的光路部分采用一拖三的方式，三轴光纤陀螺包括多个器件，多个器件包括一个光源外加一个第一耦合器、三个第二耦合器、三个y波导、三个光纤环和三个探测器。光源与第一耦合器耦合，第一耦合器与三个第二耦合器耦合，每个第二耦合器连接一个探测器并且每个第二耦合器耦合一个y波导，每个波导连接一个光纤环。其中，第一耦合器用于将光波分束为三束光波，分别由第二耦合器进入y波导，最终光波进入光纤环。光波进入光纤环后会返回，经过y波导和第二耦合器后进入探测器。
4.上述相关技术中，是将各个耦合器、y波导、探测器耦合连接，利用多个器件之间耦合连接，从而实现三轴陀螺的功能。但是由于相关技术中的三轴陀螺，是由多个器件耦合连接组装而成，导致三轴陀螺的体积大。


技术实现要素：

5.为了减小三轴陀螺的体积，本技术提供了一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件。
6.本技术提供的一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件采用如下的技术方案：一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件，包括发光单元、铌酸锂薄膜芯片和尾纤单元；所述发光单元与所述铌酸锂薄膜芯片耦合，所述铌酸锂薄膜芯片与所述尾纤单元耦合；所述发光单元用于发射光波；所述铌酸锂薄膜芯片用于对所述光波进行分束、调制及探测；所述尾纤单元用于所述光波传播。
7.通过采用上述技术方案，发光单元发射光波，经由铌酸锂薄膜芯片进行处理后进入光纤环，然后在由铌酸锂薄膜芯片对返回的光波进行处理。铌酸锂薄膜芯片实现集成，并且具有对应功能，相较于相关技术中需要人工将各个器件连接后才能够实现对应功能，铌酸锂薄膜芯片减小了占用空间，即减小了体积，相应的三轴陀螺体积也能够减小。省去了人工连接器件的过程，降低了人工成本，并且省去工艺复杂的器件组装过程，降低了生产成本。减少了器件间连接的部分，也能够减小重量。
8.可选的，所述铌酸锂薄膜芯片包括第一铌酸锂薄膜波导、第二铌酸锂薄膜波导、偏
振波导、y波导、光栅和探测器；所述第一铌酸锂薄膜波导包括一个主路和三个支路，所述主路与所述发光单元耦合，三个所述支路均与所述主路连接，每个所述支路内均设置一个所述偏振波导和一个所述y波导，每个所述偏振波导连接一个所述第二铌酸锂薄膜波导，每个所述第二铌酸锂薄膜波导内设置一个所述光栅，每个所述第二铌酸锂薄膜波导输出端设置一个所述探测器。
9.通过采用上述技术方案，第一铌酸锂薄膜波导将发光单元发射的光波分为三束分别进入三个偏振波导，光波经过偏振波导后进入y波导，y波导在将光波分为两束从而进入光纤环，从而光纤环返回的光波经过y波导、偏振波导后通过第二铌酸锂薄膜波导进入探测器，光栅改变光波的模斑大小，从而提高波导与探测器的耦合效率，铌酸锂薄膜芯片上集成各个部件，从而完成对光波的分束、调制及探测。
10.可选的，所述发光单元包括超辐射二极管和透镜子单元，所述超辐射二极管正对所述透镜子单元的输入面，所述透镜子单元的输出面朝向所述铌酸锂薄膜芯片。
11.通过采用上述技术方案，超辐射二极管作为光源发射光波，透镜子单元用于将超辐射二极管发射的光波进行处理从而使光波更好的被铌酸锂薄膜芯片接收。
12.可选的，所述透镜子单元包括准直透镜、反射镜和汇聚透镜，所述准直透镜的输入面正对所述超辐射二极管，所述准直透镜、所述反射镜和所述汇聚透镜集成设置，所述汇聚透镜的输出面朝向所述铌酸锂薄膜芯片。
13.通过采用上述技术方案，准直透镜将超辐射二极管发射的光波转换为平行光，然后反射镜将改变平行光的传播方向，最后汇聚透镜将平行光汇聚，从而使平行光更好的被铌酸锂薄膜芯片接收。
14.可选的，还包括热沉、tec制冷器和外壳，所述发光单元和所述铌酸锂薄膜芯片均设置在所述热沉上，所述热沉设置在tec制冷器上，所述tec制冷器设置在所述外壳内且与所述外壳接触。
15.通过采用上述技术方案，发光单元和铌酸锂薄膜芯片散发的热量传递至热沉，tec制冷器的制冷面与热沉的热量中和，tec制冷器的放热面与外壳接触从而使热量通过外壳散发至外界，从而实现对发光单元和铌酸锂薄膜芯片散热，进而减小由于温度高导致发光单元和铌酸锂薄膜芯片性能降低的可能性。
16.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.发光单元发射光波，经由铌酸锂薄膜芯片进行处理后进入光纤环，然后在由铌酸锂薄膜芯片对返回的光波进行处理。铌酸锂薄膜芯片实现集成，并且具有对应功能，相较于相关技术中需要人工将各个器件连接后才能够实现对应功能，铌酸锂薄膜芯片减小了占用空间，即减小了体积，相应的三轴陀螺体积也能够减小。省去了人工连接器件的过程，降低了人工成本，并且省去工艺复杂的器件组装过程，降低了生产成本；2.发光单元和铌酸锂薄膜芯片散发的热量传递至热沉，tec制冷器的制冷面与热沉的热量中和，tec制冷器的放热面与外壳接触从而使热量通过外壳散发至外界，从而实现对发光单元和铌酸锂薄膜芯片散热，进而减小由于温度高导致发光单元和铌酸锂薄膜芯片性能降低的可能性。
附图说明
17.图1是本技术实施例光路和器件位置的示意图。
18.图2是本技术实施例器件整体的装配图。
19.图3是本技术实施例展示散热部分的装配图。
20.附图标记说明：1、发光单元；11、超辐射二极管；12、透镜子单元；121、准直透镜；122、反射镜；123、汇聚透镜；2、铌酸锂薄膜芯片；21、第一铌酸锂薄膜波导；211、主路；212、支路；22、第二铌酸锂薄膜波导；23、偏振波导；24、y波导；25、光栅；26、探测器；3、外壳；31、管壳；32、盖板；4、热沉；5、tec制冷器。
具体实施方式
21.以下结合附图1-3及实施例，对本技术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用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.本技术实施例公开一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件。参照图1和图2，一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件包括发光单元1、铌酸锂薄膜芯片2、尾纤单元和外壳3，发光单元1与铌酸锂薄膜芯片2耦合，铌酸锂薄膜芯片2与尾纤单元耦合，发光单元1和铌酸锂薄膜芯片2均设置在外壳3内部。
23.铌酸锂薄膜芯片2包括第一铌酸锂薄膜波导21、第二铌酸锂薄膜波导22、偏振波导23、y波导24、光栅25和探测器26，第一铌酸锂薄膜波导21包括一个主路211和三个支路212，主路211的一端与发光单元1耦合，主路211的另一端与三个支路212连接，每个支路212内均设置一个偏振波导23，每个偏振波导23远离主路211的一侧均设置一个y波导24，每个偏振波导23还连接一个铌酸锂薄膜波导，每个第二铌酸锂薄膜波导22内设置一个光栅25，光栅25位于第二铌酸锂薄膜波导22上靠近输出端的一侧，每个第二铌酸锂薄膜波导22的输出端设置一个探测器26，探测器26与第二铌酸锂薄膜波导22耦合。
24.发光单元1输出光波，铌酸锂薄膜芯片2中的第一铌酸锂薄膜波导21将光波分为三束，此处以其中一束光波为例描述，其中一束光波依次经过偏振波导23、y波导24，然后进入尾纤单元，尾纤单元用于外接光纤环，此光波从而尾纤单元进入光纤环，然后此光波从光纤环返回后依次经过y波导24、偏振波导23、第二铌酸锂薄膜波导22，最后进入探测器26。利用铌酸锂薄膜芯片2实现将铌酸锂薄膜波导、偏振波导23、y波导24和探测器26集成，相较于相关技术中多只器件组装，能够减小三轴陀螺的体积，并且相较于相关技术中器件数量多的情况，也能够也能够降低成本。省去了相关技术中器件连接的过程，从而简化生产工艺，降低生产成本。并且采用铌酸锂薄膜芯片2集成的方式也能够简化安装过程，降低安装难度。减少了连接部分，也能够减小重量和降低成本。
25.其中，探测器26采用贴片的方式进行耦合。
26.相较于相关技术中采用铌酸锂晶体材料制作，铌酸锂薄膜芯片2的体积更小，并且能够提高带宽和调制效率。
27.具体的，尾纤单元包括连接块和六根光纤，连接块带有阵列槽，六根光纤对应固定在连接块的阵列槽内，连接块与铌酸锂薄膜芯片2连接，并且六根光纤分别与三个y波导24的六个输出端对齐，六根光纤远离铌酸锂薄膜芯片2的端部用于与光纤环连接。壳体上开设有通孔，六根光纤穿设于通孔内。
28.具体的，本实施例中铌酸锂薄膜利用离子注入技术和晶圆键合技术制成，使单晶铌酸锂薄膜与沉积在硅衬底上的二氧化硅层相结合，制备出硅基-铌酸锂薄膜，硅基-铌酸锂薄膜简称铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜的等效折射率差为0.67，高于相关技术中光学调制器中的基材的折射率差。
29.其中，铌酸锂薄膜的等效折射率差为0.67为举例说明，不是限定只能为这一数值。
30.由于铌酸锂薄膜无法对光波进行偏振，所以本实施例中在第一铌酸锂波导的支路内设置有偏振波导23，偏振波导23基于bragg光栅制作，相关技术中利用倾斜bragg光栅实现了超高消光比的偏振波导23，消光比可达46db，并且基于bragg光栅的偏振波导23制作工艺简单，仅需要一次曝光刻蚀。通过增加bragg光栅的周期数可以提高消光比，以使铌酸锂薄膜上的偏振波导23的消光比满足三轴陀螺的精度需求。
31.本实施例中，探测器26选用inp/ingaas基光电探测器，其具有pin结构且为台面型，具有制作工艺简单、响应速度快的特点。并且台面型探测器还分为正面入射和背面入射的探测器，由于探测器材料与铌酸锂薄膜芯片材料不同，所以将探测器26集成在铌酸锂薄膜芯片2上属于异质集成，所以选用背面入射的探测器，从而更好的与铌酸锂薄膜芯片2耦合，进而提高性能。
32.参照图1，发光单元1包括发光单元1包括超辐射二极管11和透镜子单元12，透镜子单元12包括准直透镜121、反射镜122和汇聚透镜123，准直透镜121、反射镜122和汇聚透镜123三者依次集成设置，从而缩减占用空间。准直透镜121的输入面正对超辐射二极管11，汇聚透镜123的输出面朝向铌酸锂薄膜芯片2中第一铌酸锂薄膜波导21的主路211。
33.其中，准直透镜121用于将超辐射二极管11发射的光波转换为平行光，平行光被反射镜122反射九十度，然后汇聚透镜123将平行光汇聚后射入第一铌酸锂薄膜波导21的主路211，利用反射镜122将平行光转变传播方向，使超辐射二极管11和准直透镜121未与汇聚透镜123处于一条直线，合理利用外壳3内部空间，从而使三周陀螺的体积得到合理控制。
34.超辐射二极管11具有光谱宽、输出功率高、可靠性高及稳定性好的特点。并且，相较于普通发光二极管腔体反射少，不会形成反馈机制。相较于固体激光器、光纤激光器等，由超辐射二极管11作为发光源，电光转换效率可达百分之五十，但是仍有一半的电能转换为热能导致温度升高。
35.参照图3，为了降低温度从而减小温度升高对铌酸锂薄膜芯片2和超辐射二极管11的性能的影响，本实施例采用了体积小、可靠性高的tec制冷器制冷散热方式，一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件还包括热沉4和tec制冷器5，铌酸锂薄膜芯片2、超辐射二极管11均设置在热沉4上，热沉4固定在tec制冷器5上，tec制冷器5固定在外壳3内表面。tec制冷器5的制冷面与热沉4接触，tec制冷器5的放热面与外壳3接触。本实施例中，外壳3选用可伐合金制作，在保证外壳3本身强度的情况下，还能够较好的将tec制冷器5的热量传递至外壳3的外部，从而保证散热的可靠性。
36.参照图2和图3，其中，外壳3包括管壳31和盖板32，管壳31为主要部分，tec制冷器5固定在管壳31内，管壳31内器件安装完成后，利用平行封焊工艺进行封装。外壳3的材料不局限于可伐合金，也可选用其他材料制作。
37.为了增加三轴陀螺的可靠性，三轴陀螺的封装需要具备较高气密性，本实施例采用的光纤金属化后的气密焊接封装工艺，此工艺成熟，可直接利用此技术进行封装，从而保
证三轴陀螺的气密性。
38.相较于相关技术中各器件连接，通过将发光单元、波导、光栅等各器件集成在铌酸锂薄膜芯片2上方式，在保证了三轴陀螺精度的同时，降低了三轴陀螺的体积和安装难度。并且由于是集成设计，在生产时能够直接制做集成部分，减少了相关技术中人工连接各器件的过程，从而降低了人工成本。
39.本技术实施例一种基于铌酸锂薄膜的片上集成三轴陀螺组件的实施原理为：超辐射二极管11作为光源发射光波，光波依次经过全反射镜122和汇聚透镜123，从而传输至第一铌酸锂薄膜波导21的主路211，然后光波被分为三束光波分别进入第一铌酸锂薄膜波导21的三个支路212，由于铌酸锂薄膜波导无法对光波进行偏振，所以光波经过基于bragg的偏振波导23实现偏振处理，然后光波经过y波导24被分束为两束光波进入连接块上固定的光纤，利用光纤将光波传输进光纤环内。之后，光波从而光纤环中返回，经过y波导24、偏振波导23后进入第二铌酸锂薄膜波导22，最终达到探测器26，探测器26将光波转换为电信号，从而实现探测器26本身功能。
40.在铌酸锂薄膜芯片2上集成铌酸锂薄膜波导、偏振波导23、y波导24、光栅25和探测器26，采用集成方式减小相关技术中各器件连接后占用空间，从而达到减小三轴陀螺仪体积的目的。并且，采用集成的方式减少了由人工连接器件的过程，简化的三轴陀螺的安装过程，也降低了人工成本。
41.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。