專利名稱：基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域和微機(jī)電領(lǐng)域，具體是一種基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺。
背景技術(shù)：
陀螺儀是慣性系統(tǒng)的核心部件，能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位，它是現(xiàn)代航空、 航海、航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的慣性導(dǎo)航儀器。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式陀 螺儀，機(jī)械式陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量精度受到了很多方面的制約。 自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，光學(xué)陀螺成為現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展主體，包括激光陀螺儀和光 纖陀螺儀，兩者均基于1913年法國(guó)科學(xué)家G. Sagnac發(fā)現(xiàn)的Sagnac效應(yīng)(即在一個(gè)任意幾 何形狀的閉合光學(xué)環(huán)路中，從任意一點(diǎn)發(fā)出的沿相反方向傳播的兩束光波，繞行一周返回 到該點(diǎn)時(shí)，如果閉合光路在其平面內(nèi)相對(duì)慣性空間有旋轉(zhuǎn)，則兩束光波的相位將發(fā)生變化) 實(shí)現(xiàn)。其中，由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺 儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)機(jī)械式陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。
光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，皆以光纖環(huán)敏感載體的轉(zhuǎn) 動(dòng)，將入射光分為兩束，分別沿著光纖環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針傳播，最后在某點(diǎn)回合，通過(guò)測(cè) 量二者的相位變化和頻率變化來(lái)計(jì)算載體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。對(duì)于干涉式陀螺，光纖環(huán)由 多圈光纖在特制的骨架上按特定的方式繞制而成，為光纖陀螺提供大等效面積的閉合光 路，以便在增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)的同時(shí)，減小光學(xué)陀螺的體積。干涉式陀螺的性能直接受光纖 環(huán)的穩(wěn)定性和抗干擾能力影響，而光纖環(huán)的穩(wěn)定性和抗干擾能力與光纖環(huán)的制作技術(shù)相 關(guān)。例如1983年NicholasJ. Frigo提出的四極對(duì)稱繞環(huán)方法是光纖環(huán)制作技術(shù)的經(jīng)典方 法，在一定程度上改善了光纖環(huán)的抗干擾能力及其溫度性能，但操作相當(dāng)復(fù)雜，無(wú)法保證環(huán) 質(zhì)量，必須在繞制后對(duì)光纖環(huán)的性能檢測(cè)和篩選。且由于光纖環(huán)的繞置結(jié)構(gòu)，使得其體積必 然占據(jù)一定空間，無(wú)法進(jìn)一步減少，不利于光學(xué)陀螺儀向微小型化發(fā)展。且光纖環(huán)有彎曲損 耗、交叉損耗等問(wèn)題，從而影響干涉信號(hào)檢測(cè)而最終影響光纖陀螺的精度。對(duì)于諧振式光纖 陀螺，其優(yōu)點(diǎn)不需要制備很長(zhǎng)的光纖，不存在額外損耗，但其光線環(huán)集成性及抗震性不佳。 光纖陀螺的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是抗震性能優(yōu)越，耐沖擊是光纖陀螺優(yōu)于其他類型陀螺的一個(gè)很 重要的方面，光纖環(huán)是影響光纖陀螺抗震性能的主要器件，因此，提高光纖環(huán)的抗震性能是 保證光纖陀螺抗震性能的關(guān)鍵。而要提高光纖環(huán)的抗震性能，目前的做法是在繞制光纖環(huán) 時(shí)涂膠。固膠雖然改善了光纖環(huán)的抗震性能，但仍受涂膠量及涂膠的均勻度的影響，而且膠 的溫度性能及自身固化后狀態(tài)對(duì)光纖環(huán)性能也會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使裝配后的光纖陀螺性能 不穩(wěn)定?？傊?，光纖環(huán)的質(zhì)量不但限制了光纖陀螺性能的進(jìn)一步提高，而且會(huì)影響光纖陀螺 在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。 隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，高Q光學(xué)微腔為研制新型光學(xué)陀螺儀提供了新的思路。 光學(xué)微腔是指線度約為5 ii m至500 ii m的、尺寸可與光波波長(zhǎng)相比擬的光學(xué)介電諧振器，是 凝聚態(tài)介觀物理研究中的活躍領(lǐng)域。目前研究的光學(xué)微腔主要集中在均勻介質(zhì)的圓環(huán)或圓球等結(jié)構(gòu)，由于其具有極高的品質(zhì)因素和極小的模式體積，使其在空間和時(shí)域上能很好地 實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)，成為研究腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、提高或抑制自發(fā)輻射率、降低激光器域值、制 備光學(xué)濾波器、產(chǎn)生確定性單光子源、實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)制轉(zhuǎn)換器和光存儲(chǔ)器等的理想研究平臺(tái)。 并隨著近年來(lái)微加工技術(shù)的飛速發(fā)展，也促進(jìn)了光學(xué)微腔的實(shí)現(xiàn)、發(fā)展和進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光纖陀螺儀性能提高受光纖環(huán)質(zhì)量限制、不利于光纖陀螺儀
在高精度領(lǐng)域應(yīng)用等問(wèn)題，提供了一種基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺，包括光源、
分束器及由信號(hào)處理單元和兩個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成的光檢測(cè)裝置，光源正對(duì)分束器的入射口
設(shè)置，兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出端與信號(hào)處理單元信號(hào)采集端相連，還包括采用MEMS加工工
藝在半導(dǎo)體襯底上加工得到的光學(xué)微腔、以及平行對(duì)稱設(shè)置于光學(xué)微腔兩側(cè)的光波導(dǎo)(即
雙波導(dǎo))，且兩光波導(dǎo)分別與光學(xué)微腔構(gòu)成光波導(dǎo)_微腔耦合結(jié)構(gòu)，光學(xué)微腔、光波導(dǎo)設(shè)置
于分束器與光檢測(cè)裝置之間，分束器的兩出射口分別經(jīng)入射光纖與兩光波導(dǎo)的入射端一一
對(duì)應(yīng)建立兩路入射光路，兩光波導(dǎo)的出射端分別經(jīng)出射光纖與光檢測(cè)裝置中兩光電探測(cè)器
的輸入端一一對(duì)應(yīng)建立兩路出射光路。 所述光波導(dǎo)兩端采用MEMS加工工藝分別加工有波導(dǎo)光柵，入射光纖和出射光纖 分別經(jīng)波導(dǎo)光柵與光波導(dǎo)垂直耦合； 所述光學(xué)微腔為平面環(huán)形微腔；分束器采用Y形波導(dǎo)管，且Y形波導(dǎo)管的入射口與 光源之間設(shè)置有濾光光柵； 光源發(fā)出的光束經(jīng)濾光光柵濾光后入射Y形波導(dǎo)管，分為兩束，分別沿著入射光 纖進(jìn)入平面環(huán)形微腔兩側(cè)的光波導(dǎo)，并在光波導(dǎo)的傳輸中與平面環(huán)形微腔相耦合，在平面 環(huán)形微腔內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸。當(dāng)所述光學(xué)陀螺靜止時(shí)，陀螺內(nèi)平面環(huán)形微腔中順時(shí)針 和逆時(shí)針傳輸?shù)墓獠ǖ膫鬏敼獬桃恢?，平面環(huán)形微腔會(huì)對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓獠ㄔ谕?一特定頻率產(chǎn)生諧振；而當(dāng)光學(xué)陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即使是一個(gè)很小的轉(zhuǎn)角，平面環(huán)形微腔中沿著 光波傳播方向上的光程會(huì)發(fā)生變化，即平面環(huán)形微腔中沿著光波順時(shí)針傳播方向上的光程 與光波逆時(shí)針傳播方向上的光程存在光程差，平面環(huán)形微腔會(huì)對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓?波在不同特定頻率產(chǎn)生諧振，通過(guò)光檢測(cè)裝置中兩光電探測(cè)器分別采集平面環(huán)形微腔兩側(cè) 光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄐ盘?hào)，確定光學(xué)陀螺發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩路光波在平面環(huán)形微腔內(nèi)產(chǎn)生諧 振的頻率，然后經(jīng)由信號(hào)處理單元分析兩路光波在平面環(huán)形微腔內(nèi)諧振頻率的變化，獲得 頻差，即可換算為光學(xué)陀螺所在載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，達(dá)到測(cè)量角速度的目的。所述MEMS加 工工藝是現(xiàn)有公知技術(shù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以具有極高品質(zhì)因數(shù)和極小模式體積的光學(xué)微腔作為光 回路載體，以光波導(dǎo)傳輸光波，不但克服了現(xiàn)有傳感器的應(yīng)用限制，可以應(yīng)用在如電磁復(fù)雜 和超高真空系統(tǒng)等非常嚴(yán)格的環(huán)境中；且光學(xué)微腔和傳統(tǒng)光纖環(huán)相比，體積小，結(jié)構(gòu)精巧、 簡(jiǎn)單，且由于MEMS加工工藝的快速發(fā)展，其加工更適合批量生產(chǎn)和易于與其他部件的集 成，適合應(yīng)用于高精度測(cè)量領(lǐng)域；在光波導(dǎo)兩端設(shè)置波導(dǎo)光柵，使光波導(dǎo)與入射光纖、出射 光纖之間垂直耦合，可大大提高光纖與光波導(dǎo)之間的耦合效率，有利于陀螺的集成化、固態(tài) 化；另外，在光源與Y形波導(dǎo)管入射口間增設(shè)濾光光柵，限定Y形波導(dǎo)管的入射光頻率范圍，以降低光檢測(cè)裝置檢領(lǐng)U、分析量，來(lái)提高陀螺的測(cè)量效率、精度?？偟膩?lái)說(shuō)，光學(xué)微腔特有的 "回音壁"模式(WGM)而擁有其極高的品質(zhì)因數(shù)(Q)，并在保持高品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)其加工更 適合批量生產(chǎn)和易于與其他部件的集成，使得以光學(xué)微腔作為光回路載體的光波導(dǎo)陀螺， 具有體積小、重量輕、集成性好等優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，集成性好，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，能適合應(yīng)用于高精度測(cè) 量領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為入射/出射光纖經(jīng)波導(dǎo)光柵與光波導(dǎo)垂直耦合的示意圖；
圖3為本發(fā)明光學(xué)微腔與雙波導(dǎo)集成的CCD照片； 圖中l(wèi)-光源；2-信號(hào)處理單元；3、4-光電探測(cè)器；5_光學(xué)微腔；6、7_光波導(dǎo)；8、 9_入射光纖；10、ll-出射光纖；12-波導(dǎo)光柵；13-Y形波導(dǎo)管；14_濾光光柵。
具體實(shí)施例方式
如圖1、3所示，基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺，包括光源1、分束器及由信號(hào)處 理單元2和兩個(gè)光電探測(cè)器3、4構(gòu)成的光檢測(cè)裝置，光源1正對(duì)分束器的入射口設(shè)置，兩個(gè) 光電探測(cè)器3、4的輸出端與信號(hào)處理單元2信號(hào)采集端相連，并包括采用MEMS加工工藝在 半導(dǎo)體襯底上加工得到的光學(xué)微腔5、以及平行對(duì)稱設(shè)置于光學(xué)微腔5兩側(cè)的光波導(dǎo)6、7， 且兩光波導(dǎo)6、7分別與光學(xué)微腔5構(gòu)成光波導(dǎo)_微腔耦合結(jié)構(gòu)，光學(xué)微腔5、光波導(dǎo)6、7設(shè) 置于分束器與光檢測(cè)裝置之間，分束器的兩出射口分別經(jīng)入射光纖8、9與兩光波導(dǎo)6、7的 入射端一一對(duì)應(yīng)建立兩路入射光路，兩光波導(dǎo)6、7的出射端分別經(jīng)出射光纖10、11與光檢 測(cè)裝置中兩光電探測(cè)器3、4的輸入端一一對(duì)應(yīng)建立兩路出射光路。所述光學(xué)微腔5為平面 環(huán)形微腔；分束器采用Y形波導(dǎo)管13，且Y形波導(dǎo)管13的入射口與光源1之間設(shè)置有濾光 光柵14。 所述光波導(dǎo)6、7兩端采用MEMS加工工藝分別加工有波導(dǎo)光柵，如圖2所示，入射 光纖8、9和出射光纖10、 11分別經(jīng)波導(dǎo)光柵12與光波導(dǎo)6、7進(jìn)行垂直耦合，箭頭則表示光 的傳播方向。本發(fā)明所述陀螺涉及的各項(xiàng)尺寸參數(shù)(如光學(xué)微腔和光波導(dǎo)的尺寸大小、材 質(zhì)、以及光波導(dǎo)與光學(xué)微腔的間距等)應(yīng)以保證光學(xué)微腔與光波導(dǎo)間的高效耦合效果和透 射譜的明顯變化為前提，根據(jù)所做器件或集成時(shí)的具體情況確定。
權(quán)利要求
一種基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺，包括光源(1)、分束器及由信號(hào)處理單元(2)和兩個(gè)光電探測(cè)器(3、4)構(gòu)成的光檢測(cè)裝置，光源(1)正對(duì)分束器的入射口設(shè)置，兩個(gè)光電探測(cè)器(3、4)的輸出端與信號(hào)處理單元(2)信號(hào)采集端相連，其特征在于還包括采用MEMS加工工藝在半導(dǎo)體襯底上加工得到的光學(xué)微腔(5)、以及平行對(duì)稱設(shè)置于光學(xué)微腔(5)兩側(cè)的光波導(dǎo)(6、7)，且兩光波導(dǎo)(6、7)分別與光學(xué)微腔(5)構(gòu)成光波導(dǎo)-微腔耦合結(jié)構(gòu)，光學(xué)微腔(5)、光波導(dǎo)(6、7)設(shè)置于分束器與光檢測(cè)裝置之間，分束器的兩出射口分別經(jīng)入射光纖(8、9)與兩光波導(dǎo)(6、7)的入射端一一對(duì)應(yīng)建立兩路入射光路，兩光波導(dǎo)(6、7)的出射端分別經(jīng)出射光纖(10、11)與光檢測(cè)裝置中兩光電探測(cè)器(3、4)的輸入端一一對(duì)應(yīng)建立兩路出射光路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺，其特征在于所述光波導(dǎo)(6、7)兩端采用MEMS加工工藝分別加工有波導(dǎo)光柵(12)，入射光纖(8、9)和出射光纖(10、11)分別經(jīng)波導(dǎo)光柵(12)與光波導(dǎo)(3、4)垂直耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺，其特征在于所述光學(xué)微腔(5)為平面環(huán)形微腔；分束器采用Y形波導(dǎo)管(13)，且Y形波導(dǎo)管(13)的入射口與光源(1)之間設(shè)置有濾光光柵(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域和微機(jī)電領(lǐng)域，具體是一種基于光學(xué)微腔的集成光波導(dǎo)陀螺。解決了現(xiàn)有光纖陀螺儀性能提高受光纖環(huán)質(zhì)量限制、不利于光纖陀螺儀在高精度領(lǐng)域應(yīng)用等問(wèn)題，包括光源、分束器、由信號(hào)處理單元和兩個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成的光檢測(cè)裝置，還包括采用MEMS加工工藝在半導(dǎo)體襯底上加工得到的光學(xué)微腔、平行對(duì)稱設(shè)置于光學(xué)微腔兩側(cè)的光波導(dǎo)，兩光波導(dǎo)分別與光學(xué)微腔構(gòu)成光波導(dǎo)-微腔耦合結(jié)構(gòu)，分束器的兩出射口分別經(jīng)入射光纖與兩光波導(dǎo)的入射端一一對(duì)應(yīng)建立兩路入射光路，兩光波導(dǎo)的出射端分別經(jīng)出射光纖與光檢測(cè)裝置中兩光電探測(cè)器的輸入端一一對(duì)應(yīng)建立兩路出射光路。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，能適合應(yīng)用于高精度測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B6/28GK101793520SQ20101010622
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月30日
發(fā)明者丑修建, 嚴(yán)英占, 仝曉剛, 劉俊, 張文棟, 石云波, 薛晨陽(yáng), 趙敏, 閆樹斌 申請(qǐng)人:中北大學(xué)