基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺的制作方法与工艺

本发明涉及一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，属于光学陀螺等光电传感技术领域。

背景技术：
目前，针对光学传感器，如何减小器件的结构尺寸、降低器件制造成本、提高光学传感器的集成化程度是国际上尤其是发达国家各国政府、科技界、工业界追逐的高新技术。当前，谐振式光学陀螺多采用图1所示的系统结构图，由光源发出的光经过Y分支分为相同的两束。调制信号输出电路输出调制信号至调制器PM1和调制器PM2，其中顺时针方向（CW）的光经过调制器PM1，调节传输光频率偏移f1，之后经过耦合器C2和C0进入谐振腔。通过谐振腔的传输耦合，再从另一输入端输出，经过耦合器C1到达探测器A，转换成电信号，经过信号处理电路后反馈给光源，将光源的频率锁定在CW的谐振频率上。逆时针光(CCW)经过调制器PM2，调节光频率偏移f2，之后经过耦合器C1和C0进入谐振腔。通过谐振腔的传输耦合，再从另一输入端输出，经过耦合器C2到达探测器B，转换成电信号，经过信号处理电路后，作为陀螺的输出。通过检测到达探测器的光信号的差值，就可以得到频率差，从而得知角速度值。整个系统结构中，谐振腔选用光纤或二氧化硅波导，而调制器部分选用集成光学LiNbO3调制器实现信号的调制解调。这样，调制器与谐振腔材料的差异成为整个陀螺系统集成化程度无法大幅度提高的一个重要限制因素。同时，调制器两臂的调制差异性（频率调制差异、光强调制差异、半波电压差异），都将对陀螺性能产生重大影响。

技术实现要素：
本发明的目的是为了解决谐振式光学陀螺中非模块化、难于集成、误差大、成本高的问题，提出一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺。一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，包括光源、隔离器、耦合器C0、耦合器C1、耦合器C2、无源Y分支耦合器、谐振腔、调制器、第一探测器、第二探测器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、调制信号输出电路；光源发出光信号，光信号进入隔离器，光信号通过隔离器单向传输，输出至无源Y分支耦合器，无源Y分支耦合器将光信号分成相等的两束光，一路通过耦合器C2进入耦合器C0，通过耦合器C0进入谐振腔，形成顺时针CW光路，另外一路通过耦合器C1进入耦合器C0，通过耦合器C0进入谐振腔，形成逆时针CCW光路；谐振腔中设有调制器，调制信号输出电路输出调制电信号加载给调制器，通过对调制器加载调制信号，改变谐振腔的有效折射率，使折射率达到设定值；谐振腔内顺时针CW光路经过调制器调制，输出至第一探测器，第一探测器将光信号转化为电信号，输出至第一信号处理电路，电信号经过放大、滤波处理，输出至光源，对光源进行控制，使得光源输出光频率始终为f0，实现频率锁定；谐振腔内逆时针CCW光路经过调制器调制，输出至第二探测器，第二探测器将光信号转化为电信号，输出至第二信号处理电路，电信号经过放大、滤波处理，作为陀螺的输出，根据陀螺的输出检测到角速率。本发明的优点在于：（1）本发明提出的陀螺去除了外部两路调制器结构，而采用谐振腔内部调制，简化了陀螺模型，大大提高了陀螺的集成化程度；（2）谐振腔的谐振特性增强了调制特性，使得调制电压降低。且只有一个调制臂，却是双倍的调制效果，降低了系统功耗。且调制方波频率可以很低，例如几个KHz，对电路带宽的要求很低；（3）腔内调制对应的调制方式可采用简单的周期方波调制曲线，相对于外部调制所常用的三角波调制曲线，消除了三角波的非线性误差，避免了波形的非对称性，有利于提高陀螺的整体精度。附图说明图1是现有技术中谐振式光学陀螺的结构示意图；图2是本发明的结构示意图；图3a是本发明谐振腔内调制的陀螺信号锁频示意图；图3b是本发明谐振腔内调制的陀螺信号检测示意图。图中：1-光源2-隔离器3-耦合器C04-耦合器C15-耦合器C26-无源Y分支耦合器7-谐振腔8-调制器9-第一探测器10-第二探测器11-第一信号处理电路12-第二信号处理电路13-调制信号输出电路具体实施方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，如图2所示，采用谐振腔的一部分作为调制器，替换掉腔外部调制器，包括光源1、隔离器2、耦合器C03、耦合器C14、耦合器C25、无源Y分支耦合器6、谐振腔7、调制器8、第一探测器9、第二探测器10、第一信号处理电路11、第二信号处理电路12、调制信号输出电路13。光源1发出光信号，光信号进入隔离器2，光信号通过隔离器2单向传输，隔离器2使得回来的光信号无法到达光源1，隔离器2连接无源Y分支耦合器6输入端，耦合器C14、耦合器C25分别与Y分支耦合器6的两个输出端相连，无源Y分支耦合器6将光信号分成相等的两束光，一路通过耦合器C25进入耦合器C03，通过耦合器C03进入谐振腔7，形成顺时针CW光路，另外一路通过耦合器C14进入耦合器C03，通过耦合器C03进入谐振腔7，形成逆时针CCW光路；谐振腔7中设有调制器8，调制信号输出电路13输出调制电信号加载给调制器8，通过对调制器8加载调制信号，改变谐振腔7内的有效折射率，使折射率达到设定值。谐振腔7中的输入光在沿谐振腔7光路传输过程中，经过调制器8。调制器8所提供的调制信号，改变的是谐振腔7中波导的有效折射率，从而改变了谐振腔7的谐振特性曲线。以方波调制信号为例，当不加调制信号时，谐振腔7的谐振特性曲线如图3（a）所示中间曲线，谐振频率为f0；当加方波调制信号时，方波电压±V导致的折射率变化量为±Δn，由公式（1）得到调制长度为L的调制器带来的相位变化为由公式（2）得到频率变化量为±Δf，式中τ为光在谐振腔7中传输一圈所用时间。由此得出，当加方波信号时，谐振曲线分别向左右两个方向偏移Δf。对于顺时针CW方向传输的光，当调制信号输出电路13输出方波调制信号加载给调制器8时，若光源的输出光频率为f0，则谐振腔7与第一探测器9相连接的光输出端所输出光信号为直流信号；若光源输出光频率不为f0，则谐振腔7的输出光信号为交流方波信号。此光信号接入第一探测器9，转换为电信号，此电信号接入第一信号处理电路11，经过放大、滤波等处理，输出电信号给光源，对光源进行控制，使得光源输出光频率始终为f0。对于逆时针CCW方向传输的光。当陀螺处于静止状态时，此时光源的输出光频率为f0，则谐振腔7与第二探测器10相连接的光输出端所输出光信号为直流信号；若陀螺处于旋转状态，则谐振腔7的输出光信号为交流方波信号。此光信号接入第二探测器10，转换为电信号，此电信号接入第二信号处理电路12，经过放大、滤波等信号处理，输出电信号，作为陀螺系统的输出。工作原理：光源1发出的光经隔离器后，经过无源Y分支耦合器6分成相等的两束光。其中一路通过耦合器C25和耦合器C03进入谐振腔7，形成顺时针CW光路；另外一路通过耦合器C14和耦合器C03进入谐振腔7，形成逆时针CCW光路。谐振腔7中带有调制器8。顺逆时针的光每传输一圈，则经过一次调制，调制量相同。假设CW光路为锁频路，则CCW则为陀螺输出路。对谐振腔7内的调制器8加调制信号（方波调制、正弦波调制、锯齿波调制等等），调制电压的变化导致调制区的折射率变化，从而改变了整个谐振腔7的有效折射率。根据谐振腔的输出特性f=2πnL/λ，f为谐振腔中心频率，n为波导谐振腔7有效折射率，L为谐振腔7腔长，λ为传输光波长。当折射率变化时，谐振腔7的中心频率发生改变。当所加调制信号为周期性电信号时，则谐振曲线周期性左右摆动。结果导致入腔光频率不变，变的是谐振曲线。假设调制信号对谐振腔7产生的频率偏移为fPM，光源频率f0，则谐振曲线谐振频率分别为f0+fFM和f0-fFM。如图3所示。当进行频率锁定时，假设将光源1输出频率锁定在谐振腔7未加调制时CW的谐振频率。方法如图3（a）所示。这里以最简单的方波调制为例。设光源输出光频率为f，未加调制时，谐振腔7输出曲线为黑色点线所示，谐振频率为f0。当加调制信号使得谐振频率变化为±fPM，则谐振曲线在方波正半周期对应谐振频率为f0+fFM，对应的输出信号为I1；在方波负半周期对应谐振频率f0-fFM，对应的输出信号为I2。若光源1频率为f=f0，则I1=I2，为锁定状态；若光源频率f偏离f0，则I1≠I2，此时第一探测器9检测到的光信号为方波信号，方波幅值为I1和I2。将|I1-I2|的值转换为电流信号，调节光源1的输出光频率，直至使得f=f0。实现频率锁定，输出为直流信号。频率锁定后，CCW的输出曲线特性相同，如图3（b）所示。若谐振腔7不旋转，CW和CCW两路输出曲线重合，谐振频率fCW=fCCW=f0，第二探测器10的输出为一条直线。谐振腔7旋转时，CW和CCW两路光分离，CW产生频差fCW-fCCW=Δf，第二探测器10输出为方波信号。通过检测这一方波信号的大小，就可以得到频率偏移的大小，从而实现角速率的检测。至此实现了谐振式光学陀螺的锁频与输出全过程。其中，本发明所提到的谐振腔7可选用以下三种：光纤（单模光纤或保偏光纤）、无源波导、具有电光调制特性的波导。若选用光纤做谐振腔7，此时腔内调制器8可选用PZT（压电陶瓷），将光纤缠绕在PZT，通过对PZT加电，改变光纤的长度，从而改变谐振腔7的谐振频率；也可采用其他波导型相位调制器（采用铌酸锂波导调制器或硅波导调制器）与光纤对接形成谐振腔7，通过电光调制特性改变波导的有效折射率，从而改变谐振频率。若选用无源波导做谐振腔7，例如二氧化硅、氮化硅、玻璃等，则可通过对调制区部分进行离子掺杂等加工工艺实现调制特性。若谐振腔7选用具有电光调制特性的波导，例如LiNbO3材料、硅基材料、有机聚合物材料、Ⅲ-Ⅴ族等有源材料，则可应用电光效应或等离子色散效应实现电光调制特性。对于热光系数较大的波导材料（例如硅等），也可通过热光效应实现频率调制。本发明适用于各种谐振式光学陀螺结构。光源1可选用窄线宽的光纤光源或半导体光源。本发明的创造性体现在：（1）谐振腔7的一部分作为调制器8，可替代外部的调制器，大大提高了光学陀螺的集成化程度。（2）谐振腔可选择光纤、具有电光调制特性的波导或无源波导，以及各自所对应的调制方法的实现。（3）谐振腔内的调制器调制信号可选择方波调制、正弦波调制、锯齿波调制等等，以实现频率的偏移。（4）本发明适用于应用谐振腔作为传感器的光路系统。