專利名稱：多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光學(xué)和傳感技術(shù)，特別是涉及一種多軸光纖陀螺組合用光學(xué)收發(fā)
調(diào)制芯片。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)的角速度光纖傳感器，在航海、導(dǎo)航、系統(tǒng) 穩(wěn)定等廣泛領(lǐng)域有著重要用途。在實際應(yīng)用中，一般要求陀螺系統(tǒng)能夠同時測量互相垂直 的三個坐標(biāo)軸方向的角速率信息。最簡單的實現(xiàn)方案采用多套單軸光纖陀螺測量系統(tǒng)，分 別對三個正交軸上的旋轉(zhuǎn)角速度進行測量，這種結(jié)構(gòu)的多軸測量系統(tǒng)缺點是每個子系統(tǒng)分 別使用一個信號處理系統(tǒng)、一個光源和一個調(diào)制器，大大增加了系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、功耗和 成本。 另外傳統(tǒng)光纖陀螺的分束器采用光纖定向耦合器，在保證光纖陀螺互易性的同 時，分束器的插入損耗、分束比、消光比等指標(biāo)隨溫度的變化會導(dǎo)致陀螺信號飄移，分束器 與Y波導(dǎo)調(diào)制器的連接需通過尾纖熔接，由此導(dǎo)致陀螺光學(xué)系統(tǒng)的損耗增加，穩(wěn)定性與可 靠性降低，不能適應(yīng)光纖陀螺高精度、高可靠性、小型化的發(fā)展趨勢。 綜上所述，多軸光纖陀螺系統(tǒng)小型化發(fā)展遇到多個問題，而分立的器件所組成的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)光纖陀螺采用光纖定向耦合器帶來的系統(tǒng)損耗增加、穩(wěn)定性和可靠性 降低和一般多軸光纖陀螺使用多個光源、調(diào)制器、信號處理器帶來的增加系統(tǒng)質(zhì)量、體積、 功耗和成本等問題，本發(fā)明的目的在提供一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯 片，它將多個分束器、Y波導(dǎo)調(diào)制器、探測器集成于一體，減小了系統(tǒng)的體積和制作成本，大 大提高了光纖陀螺的可靠性和對于環(huán)境變化的穩(wěn)定性，為光纖陀螺的小型化提供關(guān)鍵器件 支撐。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是 對于多軸為n的光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其中n為2a < n《2a+1，由2a+2-l個Y分支和n個調(diào)制電極、n個探測臂構(gòu)成；2a+2_l個Y分支在襯底中 間從一側(cè)到另一側(cè)排成a+2列，第k列上有2k—1個Y分支，其中1《k《a+2，第一列第一 Y 分支雙端端口的一端口與第二列第一 Y分支單端端口相連，第一列第一 Y分支雙端端口的 另一端口與第二列第二 Y分支單端端口相連；第三列Y分支的各單端端口依次與第二列Y 分支的各雙端端口連接，按照此方式依次連接各列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2 列2a+1個Y分支中的任意n個Y分支的雙端端口各連接有一段直波導(dǎo)，在雙端端口直波導(dǎo) 上各有一組調(diào)制電極，在含有調(diào)制電極的n個Y分支的單端端口各有一探測光信號的探測 臂。 所述的2^-l個Y分支彎曲部分均為半個周期的余弦函數(shù)曲線。
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所述的a+2列Y分支第k列Y分支各Y分支雙端端口的間距ak，第k列Y分支各 Y分支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度K，第k列Y分支各Y分支單端端口直波導(dǎo)部分從 一側(cè)到另一側(cè)的長度q，其中k為1《k《a+2，滿足如下關(guān)系式 io : i《ak : bk《ioo : i ak+1 : ak = 1 : 2 ck+1 : ck = i : 2 所述的n個探測臂均為四分之一個周期的余弦函數(shù)曲線，且各個探測臂的探測端
口以其探測臂位于芯片上半?yún)^(qū)或下半?yún)^(qū)來決定其位于上探測邊或下探測邊。 本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明將多個分束器、Y波導(dǎo)調(diào)制器、探測器集成于一體，減小了系統(tǒng)的體積和制
作成本，大大提高光纖陀螺的可靠性和對于環(huán)境變化的穩(wěn)定性，為光纖陀螺的小型化提供 關(guān)鍵器件支撐。


圖1是所述多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片示意圖。
圖2是Y分支結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是三軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片示意圖。
圖4是四軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片示意圖。
圖中1-1、第一列第一 Y分支，l-l-l、第一列第一 Y分支單端端口 ， l-l-2、第一列 第一 Y分支雙端端口的一端口 ， l-l-3、第一列第一 Y分支雙端端口的另一端口 ， 2-1 、第二列 第一 Y分支，2-l-l、第二列第一 Y分支單端端口 ， 2-l-2、第二列第一 Y分支雙端端口的一端 口 ， 2-l-3、第二列第一 Y分支雙端端口的另一端口 ， 2-2、第二列第二 Y分支，2-2-l、第二列 第二 Y分支單端端口 ， 2-2-2、第二列第二 Y分支雙端端口的一端口 ， 2-2-3、第二列第二 Y分 支雙端端口的另一端口， (a+l)-l、第a+l列第一Y分支，(a+l)-2a、第a+l列第23 Y分支，、 (a+2)-l、第一調(diào)制電極，(&+2)-23+1、第23+1調(diào)制電極，N-l、第一探測臂，N-2、第二探測臂， N-(2a+1-l)、第2a+1-l探測臂，N-2^、第2a+1探測臂，A、上探測邊，B、下探測邊，C、光輸入邊、 D、光輸出邊，E、上半?yún)^(qū)，F(xiàn)、下半?yún)^(qū)，、、第k列Y分支各Y分支雙端端口的間距，K、第k列Y 分支各Y分支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度，Ck、第k列Y分支各Y分支單端端口直波導(dǎo) 部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 如圖1所示，本發(fā)明對于多軸為n的光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其 中n為2a < n《2a+1，由2a+2_l個Y分支和n個調(diào)制電極、n個探測臂構(gòu)成；2a+2_l個Y分支 在襯底中間從一側(cè)到另一側(cè)排成a+2列，第k列上有2k—1個Y分支，其中k為1《k《a+2， 第一列第一 Y分支雙端端口的一端口 1-1-2與第二列第一 Y分支單端端口 2-1-1相連，第 一列第一Y分支雙端端口的另一端口 1-1-3與第二列第二Y分支單端端口 2-2-1相連；第 三列Y分支的各單端端口依次與第二列Y分支的各雙端端口連接，按照此方式依次連接各 列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2列2a+1個Y分支中的任意n個Y分支的雙端端口各連接有一段直波導(dǎo)，在雙端端口直波導(dǎo)上各有一組調(diào)制電極，在含有調(diào)制電極的n個Y分 支的單端端口各有一探測光信號的耦合臂，稱為探測臂。圖l中(a+2)-l為第一調(diào)制電極， (a+2)-2a+1為第2a+1調(diào)制電極，N-1為第一探測臂，N-2為第二探測臂，N_(2a+1_l)為第2a+1_l 探測臂，N-2a+1為第2a+1探測臂。 所述的2a+1個Y分支彎曲部分均為半個周期的余弦函數(shù)曲線。
如圖2所示，設(shè)所述的第k列Y分支各Y分支雙端端口的間距為ak，第k列Y分支 各Y分支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度為K，第k列Y分支各Y分支單端端口直波導(dǎo)部 分從一側(cè)到另一側(cè)的長度為Ck，其中k為1《k《a+2 ;以上各參數(shù)滿足如下關(guān)系 io : i《ak : bk《ioo : i (i) ak+1 : ak = 1 : 2 (2)
ck+1 : ck = 1 : 2 (3) ak與bk的比值不能太小，太小會導(dǎo)致Y分支損耗過大； 所述的n個探測臂均為四分之一個周期的余弦函數(shù)曲線，且各個探測臂的探測端 口以其耦合臂位于芯片上半?yún)^(qū)E或下半?yún)^(qū)F來決定其位于上探測邊A或下探測邊B。
所述的多軸光纖陀螺用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片呈平行四邊形，以避免集成光路 和光纖界面的背向反射。 如圖3所示為三軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片示意圖。
如圖4所示，以四軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)芯片，ak : bk=10 : l為例， 第一列第一 Y分支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度ai為8mm，雙端端口的間距l(xiāng)^為800 y m， 單端端口直波導(dǎo)部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度q為2mm ;第二列第一 Y分支、第二列第二 Y分 支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度a2均為4mm，雙端端口的間距b2均為400 y m，單端端口 直波導(dǎo)部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度c2均為1mm ;第三列第一 Y分支、第三列第二 Y分支、第 三列第三Y分支、第三列第四Y分支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度a3均為2mm，雙端端口 的間距b3均為200 m，單端端口直波導(dǎo)部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度c3均為0. 5mm ;第三列 第一 Y分支、第三列第二 Y分支、第三列第三Y分支、第三列第四Y分支雙端端口各連接有 一端直波導(dǎo)，直波導(dǎo)長度L均為lOmm，在雙端端口直波導(dǎo)上各有一組調(diào)制電極，芯片總的從 一側(cè)到另一側(cè)的長度為27. 5mm ; 本發(fā)明可以利用鈮酸鋰襯底上的退火質(zhì)子交換法實現(xiàn)，其制作工藝步驟 (1)鈮酸鋰標(biāo)準(zhǔn)襯底片清洗。
(2)光刻，將掩模板圖形轉(zhuǎn)移到基片上 (3)在苯甲酸晶體溶液中進行質(zhì)子交換，制備波導(dǎo)。
(4)退火。
(5)在其上面套刻集總參數(shù)結(jié)構(gòu)電極圖案。
(6)對端面進行切割、粗磨、拋光處理。
權(quán)利要求
一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其特征在于對于多軸為n的光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其中n為2a＜n≤2a+1，由2a+2-1個Y分支和n個調(diào)制電極、n個探測臂構(gòu)成；2a+2-1個Y分支在襯底中間從一側(cè)到另一側(cè)排成a+2列，第k列上有2k-1個Y分支，其中1≤k≤a+2，第一列第一Y分支雙端端口的一端口(1-1-2)與第二列第一Y分支單端端口(2-1-1)相連，第一列第一Y分支雙端端口的另一端口(1-1-3)與第二列第二Y分支單端端口(2-2-1)相連；第三列Y分支的各單端端口依次與第二列Y分支的各雙端端口連接，按照此方式依次連接各列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2列2a+1個Y分支中的任意n個Y分支的雙端端口各連接有一段直波導(dǎo)，在雙端端口直波導(dǎo)上各有一組調(diào)制電極，在含有調(diào)制電極的n個Y分支的單端端口各有一探測光信號的探測臂。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其特征 在于所述的2a+2-l個Y分支彎曲部分均為半個周期的余弦函數(shù)曲線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其特征 在于所述的a+2列Y分支第k列Y分支各Y分支雙端端口的間距ak，第k列Y分支各Y分 支彎曲部分從一側(cè)到另一側(cè)的長度bk，第k列Y分支各Y分支單端端口直波導(dǎo)部分從一側(cè) 到另一側(cè)的長度q，其中k為1《k《a+2，滿足如下關(guān)系式io : i《ak : bk《ioo : iak+l ak = 1 2Ck+1 Ck — 1 2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，其特征 在于所述的n個探測臂均為四分之一個周期的余弦函數(shù)曲線，且各個探測臂的探測端口 以其探測臂位于芯片上半?yún)^(qū)(E)或下半?yún)^(qū)(F)來決定其位于上探測邊(A)或下探測邊(B)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多軸光纖陀螺組合用波導(dǎo)型光學(xué)收發(fā)調(diào)制芯片，對于多軸為n的芯片，2a＜n≤2a+1，由2a+2-1個Y分支和n個調(diào)制電極、n個探測臂構(gòu)成；2a+2-1個Y分支在襯底中間從一側(cè)到另一側(cè)排成a+2列，第k列上有2k-1個Y分支，1≤k≤a+2，第二列Y分支的各單端端口依次與第一列Y分支的各雙端端口連接，第三列Y分支的各單端端口依次與第二列Y分支的各雙端端口連接，直至第a+2列Y分支；最后一列Y分支中的任意n個Y分支的雙端端口各連接有一段直波導(dǎo)，在雙端端口直波導(dǎo)上各有一組調(diào)制電極，在含有調(diào)制電極的n個Y分支的單端端口各有一探測光信號的探測臂。本發(fā)明將多個分立器件集成于一個芯片中，減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G01C19/72GK101762270SQ20101003959
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者佘玄, 劉承, 王冬云, 舒曉武, 車雙良 申請人:浙江大學(xué)