一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺的制作方法

本发明属于高灵敏度谐振式光学陀螺系统的技术领域，具体涉及一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺。

背景技术：

陀螺是一类至关重要的惯性角速度传感器，它是实现载体旋转角速度和姿态角度测量的传感器件，与惯性测量系统的整体性能有直接关系。相比于传统的机械陀螺仪而言，光学陀螺具有更高的稳定性和精度，并且成本更低。目前，由于系统微小型化、高灵敏度、高稳定性及高抗过载性等要求，光学陀螺逐渐由激光陀螺、光纤陀螺发展到集成光学陀螺，成为现代导航仪表中不可或缺的关键组成部分。集成光学陀螺是基于sagnac效应来测量载体的谐振式角速度传感器，有2个重要参数：精度和灵敏度，它们主要由谐振腔的等效直径和品质因数决定，如何在保持陀螺小型化的前提下保持其高灵敏度和高精度是近些年一直探索的关键问题。当前由微加工等技术制造的谐振腔有很多种，品质因数不尽相同，但由于直径大都在几十微米到几百个微米，如果还需进一步提高陀螺的精度和灵敏度存在技术的瓶颈。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：谐振腔是谐振式光学陀螺系统中核心的部件，为了满足陀螺器件小型化的需求，谐振腔器件直径不能做得过大。为了提高陀螺系统的精度和灵敏度，我们提出了一种新的基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，瓶状微型谐振腔，简称瓶状微腔(微腔)，此类谐振腔有着极高的品质因数和很大的等效直径，在满足小型化的前提下极大化的提升系统的精度和灵敏度。

本发明采用的技术方案为：一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，包括激光器、光隔离器、偏振控制器、第一光纤分束器、a铌酸锂电光相位调制器、b铌酸锂电光相位调制器、a环形器、b环形器、耦合系统、a光电探测器、a锁相放大器、a信号源、b信号源、伺服控制器、压电陶瓷控制单元、b光电探测器和b锁相放大器，耦合系统由锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成，a铌酸锂电光相位调制器、b铌酸锂电光相位调制器的结构相同；a环形器、b环形器的结构相同；a光电探测器、b光电探测器的结构相同；a信号源、b信号源用来产生不同波形和频率的信号；a锁相放大器、b锁相放大器工作频率不同；

其中，激光器与光隔离器相连，光隔离器与偏振控制器相连，偏振控制器与第一光纤分束器相连，第一光纤分束器的两路输出分别与a铌酸锂电光相位调制器和b铌酸锂电光相位调制器相连，a铌酸锂电光相位调制器和b铌酸锂电光相位调制器的输出光分别通过a环形器和b环形器进入锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统，锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统的两路输出光的两路光也通过a环形器和b环形器分别与a光电探测器和b光电探测器相连，a光电探测器的输出依次与a锁相放大器、伺服控制器及压电陶瓷控制单元相连，构成伺服回路；另一路b光电探测器的输出与b锁相放大器相连；a信号源的输出分别与b铌酸锂电光相位调制器和a锁相放大器相连，同时为b铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和a锁相放大器提供同步解调信号；b信号源分别与a铌酸锂电光相位调制器与b锁相放大器相连，同时为a铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和b锁相放大器提供同步解调信号。

其中，所述的光学微型谐振腔，简称光学微腔，轮廓沿中心轴对称，轴向呈近似的瓶状，中间高，两端低，支持通过选择轴向耦合点位置来激发不同的回音壁模式。

其中，所述系统中的瓶状微型谐振腔，经锥形光纤波导耦合进入腔体的光会呈螺旋状传播，绕腔轴传播很多圈后经转折点会旋转回到原来的入射点，此类微腔相比环形类谐振腔具有更大的等效直径，并且具有极高的品质因子q值。

其中，所述系统中的瓶状微型谐振腔，其材料为氧化硅，也可以是氟化钙，氟化镁，氟化钡材料，也可为在某一种材料的瓶状谐振腔的基底下加镀一层氧化硅，氟化钙，氟化镁，氟化钡材料薄膜，配合材料本身的热光系数和热膨胀系数，镀膜方案可更好地消除温度波动对系统的影响；采用氟化钙晶体腔镀氟化镁薄膜，或采用氟化镁晶体腔镀氟化钙薄膜；还有许多负热光系数材料，包括氟化钡、钛酸锶、氧化钛可以和多种正热光系数的晶体或氧化硅玻璃组合。

其中，锥形光纤波导与瓶状谐振腔组成的耦合系统为陀螺系统的核心敏感单元，陀螺系统通过测量转动时核心敏感单元带来的频差来检测陀螺转动的角速度。

其中，所述的系统中锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统中，保持谐振腔与波导接触，可以很好地激发出微腔内的回音壁模式，而且具有很强的抗干扰能力，可提高陀螺系统的抗震性能；锥形光纤波导也可以是耦合棱镜，倾角光纤波导或者集成波导；另外，可通过调节高精度三维移动平台来调节波导与微腔之间的耦合间隙，将光耦合进入谐振腔；综上，提出的基于瓶状谐振腔的谐振式光学陀螺系统可实现稳定、可调谐、尺寸小、重量轻、功耗低、并且具有高精度和高灵敏度的光学陀螺系统。

其中，所述的系统采用的是双频率调制方案，采用相位调制解调技术检测频差的误差信号，并通过伺服控制器反馈回激光器，调谐激光器的中心频率；

在实际陀螺使用中，也可采用单调制频率方案；单调制频率方案由激光器、光隔离器、偏振控制器、a铌酸锂电光相位调制器、a环形器、锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统、a光电探测器、第二光纤分束器、a锁相放大器、b信号源、伺服控制器、第三光纤分束器、b光电探测器、b锁相放大器组成；第二光纤分束器与第三光纤分束器的结构与第一光纤分束器结构相同；

单调制频率方案中，激光器与光隔离器相连，光隔离器与偏振控制器相连，偏振控制器与a铌酸锂电光相位调制器相连，a铌酸锂电光相位调制器的输出光通过a环形器锥形光纤波导与瓶状谐振腔组成的耦合系统，耦合系统的输出光通过第二光纤分束器分成两路，一路和b光电探测器相连，与b信号源提供的信号共同相连依次进入a锁相放大器、伺服控制器及压电陶瓷控制单元相连，构成伺服回路；另一路与a环形器的另一输出端耦合进入第三光纤分束器，第三光纤分束器输出与b光电探测器相连，b光电探测器与b锁相放大器相连，b信号源分别与a铌酸锂电光相位调制器与b锁相放大器相连，同时为a铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和b锁相放大器提供同步解调信号；

单调制频率方案比较简单，所需器件也较少，同样能够提供很好的线性工作区域，但相比于双频率调制方案噪声更大。

本发明原理在于：

1)、基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺系统，如图1，包括激光器1、光隔离器2、偏振控制器3、第一光纤分束器4、a铌酸锂电光相位调制器5、b铌酸锂电光相位调制器6、a环形器7、b环形器8、锥形光纤波导9与瓶状微型微腔10组成的耦合系统、a光电探测器11、a锁相放大器12、a信号源13、b信号源14、伺服控制器15、压电陶瓷控制单元16、b光电探测器17、b锁相放大器18。a铌酸锂电光相位调制器5、b铌酸锂电光相位调制器的结构相同；a环形器7、b环形器8的结构相同；a光电探测器11、b光电探测器17的结构相同；a信号源13、b信号源14的结构相同，可产生不同波形和频率的信号；a锁相放大器12、b锁相放大器18工作频率不同；

其中，激光器1与光隔离器2相连，光隔离器2与偏振控制器3相连，偏振控制器3与第一光纤分束器4相连，第一光纤分束器4的两路输出分别与a铌酸锂电光相位调制器5和b铌酸锂电光相位调制器6相连，a铌酸锂电光相位调制器5和b铌酸锂电光相位调制器6的输出光分别通过a环形器7和b环形器8进入锥形光纤波导9与瓶状微型微腔10组成的耦合系统，锥形光纤波导9与瓶状微型微腔10组成的耦合系统的两路输出光的两路光也通过a环形器7和b环形器8分别与a光电探测器11和b光电探测器17相连，a光电探测器11的输出依次与a锁相放大器12、伺服控制器15及压电陶瓷控制单元16相连，构成伺服回路；另一路b光电探测器17的输出与b锁相放大器18相连。a信号源13的输出分别与b铌酸锂电光相位调制器6和a锁相放大器12相连，同时为b铌酸锂电光相位调制器6提供调制信号和a锁相放大器12提供同步解调信号；b信号源14分别与a铌酸锂电光相位调制器5与b锁相放大器18相连，同时为a铌酸锂电光相位调制器5提供调制信号和b锁相放大器18提供同步解调信号。

激光器用来产生连续可调谐的激光；光隔离器用来保护激光器；偏振控制器用来控制进入耦合系统内光的偏振状态；光纤分束器用来将一路光束分成两路；铌酸锂电光相位调制器用来对光信号进行调制；锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统为陀螺系统的核心敏感元件；瓶状微型谐振腔，简称瓶状微腔(微腔)，锥形光纤波导通过倏逝场将光耦合进入微腔，并能很好的将光耦合出来进入光纤；光电探测器用来将光信号转换为电信号；锁相放大器用来为对调制过的光信号进行解调处理，在极低信噪比的信号中准确提取出待测信号，并对其进行放大处理，也可由移相器、混频器、滤波器、放大器与数字信号处理模块组成的调理系统替代；信号源用来产生所需频率的信号，对电光相位调制器提供调制信号以及提供解调的同步信号；伺服控制器为比例积分控制电路(pi控制电路)，作用为纠偏、调整误差，并将误差信号反馈至激光器的压电陶瓷控制单元。

工作时，如图1，激光器产生的连续可调谐激光通过光隔离器进入可改变其偏振状态的偏振控制器，偏振光经光分束器分成两路分别进入两个铌酸锂电光相位调制器，两路光调制后出现边带，激光载波及其边带耦合进入锥形光纤波导与瓶状微腔组成的耦合系统，耦合输出的光经光纤分束器分别被光电探测器探测，一路与采用信号源产生的正弦信号共同进入锁相放大器得到锁定微腔谐振频率的鉴频信号，该信号经过伺服控制器反馈到激光器的驱动单元控制激光器的压电陶瓷，从而锁定微腔的谐振频率；另一路也与信号源产生的信号共同进入锁相放大器，调理后转成稳定输出的陀螺信号。

谐振式光学陀螺是用来检测角速度信号的光电系统，瓶状微腔为系统的谐振腔，系统基于sagnac效应来测量角速度。当微腔静止时，顺、逆时针两光路的光传播经过的路径相同，谐振频率也相同，所以频差为零；当微腔转动时，顺、逆时针两光路的光传播经过的路径发生了改变，相应的谐振频率也发生了变化，此时的频差δf不再为零，它与转动的角速率ω成线性关系，可表示为δf-4aω/nλl-dω/nλ，其中，a为微腔的面积，l为微腔的周长，d为微腔的直径，λ为微腔的谐振频率，n为微腔的折射率。所以，如果测量频差δf，就能得到转动的角速率ω的值。

微腔陀螺系统的极限灵敏度δω的影响因素表示为：其中，ppd为探测器读出光功率，b为测试带宽，η为探测器光电转换效率，c为光速，h为普朗克常量，q为微腔的品质因子。微腔陀螺系统的极限灵敏度δω主要由微腔的品质因子q和微腔的直径d决定，当品质因子q和直径d足够大时，微腔陀螺系统能获得较高的灵敏度。为满足陀螺器件小型化的要求，微腔不能做得过大，一般在微米至毫米级别，我们研制的瓶状微腔，在保证微腔尺寸基本不变的前提下，增大了其等效直径d，并且保持了微腔的超高品质因子q。

2)、瓶状微腔与锥形光纤波导组成的耦合系统是陀螺的敏感单元。所述的光学微腔为瓶状，其材料为氧化硅，氟化钙，氟化镁，氟化钡氟化物材料，或具有高透过率的玻璃和晶体材料，还可以通过镀膜方案实现多种材料的组合。可在某一种材料的瓶状谐振腔的基底下加镀一层氧化硅，氟化钙，氟化镁，氟化钡材料薄膜，配合材料本身的热光系数和热膨胀系数，镀膜方案可更好地消除温度波动对系统的影响。如采用氟化钙晶体腔镀氟化镁薄膜，或采用氟化镁晶体腔镀氟化钙薄膜；还有许多负热光系数材料，如氟化钡、钛酸锶、氧化钛等可以和多种正热光系数的晶体或氧化硅玻璃组合。

3)、瓶状微腔为三维结构的谐振腔，是一种具有轴向对称的器件，如图2所示，轮廓沿中心轴对称，轴向呈近似的瓶状变化，中间高，两端低，支持通过选择轴向耦合点位置来激发不同的回音壁模式，经锥形光纤波导耦合进入腔体的光会呈螺旋状传播，绕腔轴传播很多圈经端部反射后会经转折点旋转回到原来的入射点，这时，如果满足腔内的相位匹配条件就会形成稳态的回音壁模式，光线在转折点处形成很强的光场。瓶状微腔的特性由腔体的直径和沿轴向的曲率决定。如图2所示，主要参数有腔体瓶颈直径的距离lb，轴中心处的直径db，连接微腔的光纤柄的直径ds。如果用近似抛物线来拟合其轴向的腔体瓶颈轮廓，轮廓可近似为d(z)＝db[1-1/2(δk·z)²]，其中，δk为轮廓的曲率。由于腔体独特的形状，进入微腔内的光绕腔轴传播很多圈后会旋转回到原来的入射点，因此此类微腔具有很大的等效直径，并且具有极高的品质因子q值，最高可达到10⁸，氟化钙可达到10¹⁰，甚至更高，此外，其模场体积较大，不会引起较大的非线性效应，量子噪声低。所以，设计的陀螺系统能够在满足系统尺寸小，重量轻的前提下极大化的提高其精度和灵敏度。

4)、瓶状微腔的制备方案。其制备方案有很多种，基本思路为对光纤进行加热熔融，由于光纤表面张力收缩为瓶状。常用的加热源有电弧放电和大功率的co2激光器。如图3为电弧放电制备方案，该方法与co2激光器相比更为简单，图3(i)用来加工直径db较大的微腔，该方法步骤为：(1)首先将两根切割好的光纤放入熔接机并对齐；(2)对两根光纤进行放电处理，在电弧放电的环境下，由于光纤的表面张力其底端将变为半球状；(3)移动两根光纤使他们的空间位置接触并且重叠；(4)继续对两根光纤的接触区域进行放电处理，此区域的光纤由于材料的表面张力及两端的挤压力就形成了瓶状光学微腔。

图3(ii)用来加工直径db与光纤相同尺寸的微腔，该方法更为简单，直接利用电弧放电对光纤进行处理，光纤会局部软化，在两端形成双势垒，产生凸起结构，也就是瓶状微腔。

通过对光纤进行拉细或者氢氟酸腐蚀，再进行上述(i)、(ii)步骤，可得到不同直径的瓶状光学微腔。

另外，对氟化钙，氟化镁等氟化物晶体材料的瓶状光学微腔，需要将晶体定向车削或者磨抛成瓶状，具体的形状可通过车削的控制或者磨抛的磨具来确定，最后再经过抛光和退火处理可得到高品质因子的瓶状微腔。镀膜方案通过磁控溅射镀膜机来实现，厚度可控。

锥形光纤采用火焰加热拉制法制得，锥腰处最小直径在1～3μm，以满足微腔中的回音壁模式与光纤模式的传播常数的匹配关系，保证微腔中的回音壁模式被高效激发。

5)、设计的通过熔融方法制作的瓶状微腔径向直径db一般在125～300μm。通过拉锥或者氢氟酸腐蚀后的光纤制得最小db可达到30μm以下。通过求解麦克斯韦方程和半径波动方程可得到其标准的场强，图4为典型的瓶状微腔的回音壁模式分布图，具体设置参数为db＝125.36μm，δk＝1.2×10^-4μm^-1微腔的轴向一阶至五阶归一化场强分布，标注横线为各阶模式的轴向截止点。也是因为这种轴向归一化场强分布规律，耦合进入准柱形腔的光会呈螺旋状传播，绕腔轴传播很多圈反射后会经折转点旋转回到原来的入射点，等效直径很大。我们测试了制得的瓶状微腔，谐振谱如图5所示，实验过程中，锥形光纤固定不动并与微腔保持接触，微腔沿其轴向移动以改变光纤耦合的区域。只有在超光滑表面区域才可以激发出高性能的回音壁模式，测得的品质因数q值非常高，最高q值达到了10⁷量级，如此高的q值对陀螺仪系统有着非常重要的意义。

6)、上述系统中，陀螺系统是通过测量的频差来检测陀螺转动的角速度，但是由sagnac效应引起的频差信号是相对较微弱的，数字调理系统是不可或缺的。系统中采用的相位调制解调技术，也称pound-drever-hall稳频技术(pdh稳频技术)，是一种常用的信号检测方案，当激光器输出的中心频率偏离微腔的谐振频率时，光电探测器输出含有调制信号的谐波分量，解调输出的鉴频信号不为零，调制后的谐振信号和解调后的鉴频信号如图6所示。可以看出，鉴频信号的最大值与最小值之间有个线性区域，此区域内，解调输出与频率偏差呈现近似的线性关系，此信号通过伺服控制器反馈回激光器，调谐激光器的中心频率。当激光的中心频率锁在微腔的谐振频率后，陀螺系统将输出稳定的陀螺信号。

本发明的优点和积极效果为：

瓶状微腔尺寸一般在微米级别，晶体材料的瓶状微腔可达到毫米级别，具有极高的品质因数，量子噪声低，易于封装与集成。支持通过选择轴向耦合点位置来激发不同的回音壁模式，很好地选择性激发其模式。尤其由于它的特殊形状，具有很大的等效直径。因此，基于此种微腔的谐振式光学陀螺仪器件不但具备尺寸小、重量轻、功耗低、可调谐性、并且相比于典型的环形、球形等微腔有着更大的等效直径，可达到极高的精度和灵敏度。

附图说明

图1为基于瓶状微腔的谐振式光学陀螺系统示意图；

图2为瓶状微腔的几何示意图及重要参数；

图3为瓶状微腔制备过程示意图；

图4为回音壁模式瓶状微腔的轴向1-5阶场腔分布数值计算结果，图中的标注横线为各阶模式的轴向截止点；

图5为图1、图2、图3中瓶状微腔的测试结果的透射谱；

图6为用于陀螺系统的谐振信号与鉴频信号；

图7为基于瓶状微腔的单调制光学陀螺系统示意图。

图中标号：1-激光器、2-光隔离器、3-偏振控制器、4-第一光纤分束器、5-a铌酸锂电光相位调制器、6-b铌酸锂电光相位调制器、7-a环形器、8-b环形器、9-锥形光纤波导、10-瓶状微型谐振腔、11-a光电探测器、12-a锁相放大器、13-a信号源、14-b信号源、15-伺服控制器、16-压电陶瓷控制单元、17-b光电探测器、18-b锁相放大器、19-第二光纤分束器、20-第三光纤分束器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

1)、基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺系统，如图1所示，包括激光器1、光隔离器2、偏振控制器3、第一光纤分束器4、a铌酸锂电光相位调制器5、b铌酸锂电光相位调制器6、a环形器7、b环形器8、锥形光纤波导9与瓶状微型谐振腔10(即瓶状微腔)组成的耦合系统、a光电探测器11、a锁相放大器12、a信号源13、b信号源14、伺服控制器15、压电陶瓷控制单元16、b光电探测器17、b锁相放大器18。陀螺系统采用相位调制技术来实现双频率调制，很好减小了噪声对系统的影响；采用pdh稳频技术对一路瓶状谐振腔的谐振频率进行锁定和跟踪，锁相放大器的输出为激光器的频率与一路瓶状微腔的谐振频率的差频信号，伺服控制器将差频信号反馈回激光器，来控制激光器的中心频率的移动，最终将激光器的中心频率锁定到微腔的谐振频率上。如图6所示的调制后的谐振频率和对谐振频率进行锁定的鉴频信号中，我们可以发现，在谐振点附近，解调后的鉴频信号具有很好的线性区间，这也是陀螺系统的线性工作区间。可以选择最佳的调制频率来获得最大效率的线性工作区间，从而提高陀螺系统的检测灵敏度。当频差位于鉴频信号最大值与最小值之间时，谐振腔的输出光强较小；同时，当频差小于0时，鉴频信号的输出信号小于0，而当频差大于0时，鉴频信号的输出信号也大于0，可以达到很好的检测目的。

2)、在实际陀螺使用中，也可采用单调制频率方案，如图7所示，单调制频率方案由激光器1、光隔离器2、偏振控制器3、a铌酸锂电光相位调制器5、a环形器7、锥形光纤波导9与瓶状微型谐振腔10组成的耦合系统、a光电探测器11、第二光纤分束器19、a锁相放大器12、b信号源14、伺服控制器15、第三光纤分束器20、b光电探测器17、b锁相放大器18组成。

检测电路可分为开环控制和闭环控制两种，如图7所示的闭环控制方案中，将开环陀螺检测的误差信号作为反馈信号，使得系统工作时线性更高。

3)、单调制频率方案中，激光器1与光隔离器2相连，光隔离器2与偏振控制器3相连，偏振控制器3与a铌酸锂电光相位调制器5相连，a铌酸锂电光相位调制器5的输出光通过a环形器7锥形光纤波导9与瓶状微型谐振腔10组成的耦合系统，耦合系统的输出光通过第二光纤分束器19分成两路，一路和b光电探测器17相连，与b信号源14提供的信号共同相连依次进入a锁相放大器12、伺服控制器15及压电陶瓷控制单元16相连，构成伺服回路；另一路与a环形器7的另一输出端耦合进入第三光纤分束器20，第三光纤分束器20输出与b光电探测器17相连，b光电探测器17与b锁相放大器18相连，b信号源14分别与a铌酸锂电光相位调制器5与b锁相放大器12相连，同时为a铌酸锂电光相位调制器5提供调制信号和b锁相放大器12提供同步解调信号。

单调制频率方案同样采用pdh稳频技术对一路瓶状微腔的谐振频率进行锁定和跟踪，系统比较简单，所需器件也较少，但是，这种单调制频率方案的噪声相比于双频率调制方案更大，尤其是背向反射光本身带来的噪声。

4)、瓶状微腔与锥形光纤波导组成的耦合系统。此耦合系统中的锥形光纤波导也可以是耦合棱镜，倾角光纤波导或者集成波导。实际工作中，保持谐振腔与波导接触，可以很好地激发出微腔内的回音壁模式，而且具有很强的抗干扰能力，可提高陀螺系统的抗震性能；锥形光纤波导也可以是耦合棱镜，倾角光纤波导或者集成波导；另外，可通过调节高精度三维移动平台来调节波导与微腔之间的耦合间隙，将光耦合进入谐振腔；瓶状微腔与锥形光纤需满足高效耦合的尺寸匹配，要求锥形光纤满足单模传输条件，这样才能满足相位匹配时大部分的光能量都能耦合进入微腔。在耦合实验中，固定锥形光纤波导位置，沿着瓶状微腔的轴向位置移动波导位置，同样可调谐微腔与锥形光纤的模式匹配关系。综上，实现了一种稳定、可调谐、尺寸小、重量轻、功耗低、并且具有高精度和高灵敏度的光学陀螺系统。