一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法

摘要

本发明涉及集成光学陀螺精度控制技术领域，尤其涉及一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法，包括刻蚀形成的顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环，顺时针光路与敏感微环之间设有第一耦合间距，逆时针光路与敏感微环之间设有第二耦合间距，第一耦合间距两侧设有第一调整电压，第二耦合间距两侧设有第二调整电压。上述结构在顺时针光路与敏感微环，逆时针光路与敏感微环通过耦合间距进行光耦合，并通过第一调整电压，第二调整电压调整耦合效率，使得在不使用调制器的情况下，完成光信号的传输及敏感检测，避免了因重要元器件的损坏，导致结果不准确的情况。

权利要求

1.一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，用于调整一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构，所述微环耦合结构包括刻蚀形成的顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环，所述敏感微环靠近顺时针光路位置为与顺时针光路平行的顺时针光路微环段，所述敏感微环靠近逆时针光路的位置为与逆时针光路平行的逆时针光路微环段，顺时针光路与顺时针光路微环段之间设有第一耦合间距，逆时针光路与逆时针光路微环段之间设有第二耦合间距，第一耦合间距两侧设有第一调整电压，第二耦合间距两侧设有第二调整电压，其特征在于，包括如下步骤：S1.用光源对顺时针光路进行光路照射，通过调整第一调整电压大小，检测顺时针光路的光线强度；

S2.当步骤S1的光线强度最大时，停止调整第一调整电压，此时将第一调整电压持续加载在第一耦合间距上；

S3.调整第二调整电压，用光源对顺时针光路进行光路照射，检测顺时针光路的光线强度；

S4.当步骤S3的光线强度最大时，停止调整第二调整电压，此时将第二调整电压持续加载在第二耦合间距上。

2.根据权利要求1所述的基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，其特征在于，所述第一调整电压及第二调整电压的电压电极通过刻蚀设置。

3.根据权利要求1所述的基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，其特征在于，所述第一调整电压及第二调整电压的电压电极通过粘贴设置。

4.根据权利要求1所述的基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，其特征在于，顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环刻蚀在铌酸锂基层上。

5.根据权利要求1所述的基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，其特征在于，顺时针光路及逆时针光路宽度相同，均为500nm±200nm。

6. 根据权利要求1所述的基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，其特征在于，第一耦合间距及第二耦合间距均在200 nm‑900 nm之间。

说明书

一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成光学陀螺精度控制技术领域，尤其涉及一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法。

背景技术

[0002] 集成光学陀螺是一种基于光学原理实现的旋转角速率测量装置，常用于惯性导航、航空航天等领域。其基本原理是利用平面波在旋转系统中传播时的相位差来测量旋转
的角速率，并通过信号处理实现角度、角速率等信息的提取。

[0003] 由于集成光学陀螺数据刻蚀在铌酸锂基层上的集成部件，如遇元器件损坏的情况下，十分不容易查找问题及修复问题。现有的集成光学陀螺微环耦合结构，如图1所示，包括
顺时针光路1、逆时针光路2、调制器3、敏感微环4，其中顺时针光路将光信号输出给调制器，
由调制器进入敏感微环，在敏感微环谐振后将通过的光信号通过调制器输出给逆时针光
路。其中调制器为微环耦合结构的重要元器件，此元器件如发生损坏，则使得输出结果不准
确，且调制器损坏的发现及修复难度很大。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种不使用调制器进行光信号调制的基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法。

[0005] 本发明提供一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构，包括刻蚀形成的顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微
环，所述敏感微环靠近顺时针光路位置为与顺时针光路平行的顺时针光路微环段，所述敏
感微环靠近逆时针光路的位置为与逆时针光路平行的逆时针光路微环段，顺时针光路与顺
时针光路微环段之间设有第一耦合间距，逆时针光路与逆时针光路微环段之间设有第二耦
合间距，第一耦合间距两侧设有第一调整电压，第二耦合间距两侧设有第二调整电压。

[0006] 根据本发明提供的所述第一调整电压及第二调整电压的电压电极通过刻蚀设置。

[0007] 根据本发明提供的所述第一调整电压及第二调整电压的电压电极通过粘贴设置。

[0008] 根据本发明提供的顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环刻蚀在铌酸锂基层上。

[0009] 根据本发明提供的顺时针光路及逆时针光路宽度相同，均为500nm±200nm。

[0010] 根据本发明提供的第一耦合间距及第二耦合间距均在200 nm ‑900 nm之间。

[0011] 本发明还提供了一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，用于调整上述的一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构，包括如下方法：

[0012] S1.用光源对顺时针光路进行光路照射，通过调整第一调整电压大小，检测顺时针光路的光线强度；

[0013] S2.当步骤S1的光线强度最大时，停止调整第一调整电压，并此时将第一调整电压持续加载在第一耦合间距上；

[0014] S3.调整第二调整电压，用光源对顺时针光路进行光路照射，检测顺时针光路的光线强度；

[0015] S4. 当步骤S3的光线强度最大时，停止调整第二调整电压，并此时将第二调整电压持续加载在第二耦合间距上。

[0016] 本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

[0017] 由于使用了顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环，在顺时针光路与敏感微环，逆时针光路与敏感微环通过耦
合间距进行光耦合，并通过第一调整电压，第二调整电压调整耦合效率，使得在不使用调制
器的情况下，完成光信号的传输及敏感检测，避免了因重要元器件的损坏，导致结果不准确
的情况。

[0018] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附
图获得其他的附图。

[0020] 图1是现有技术中的集成光学陀螺的微环耦合结构示意图。

[0021] 图2是本发明提供的集成光学陀螺的微环耦合结构示意图。

[0022] 附图标记：

[0023] 1．顺时针光路，2. 逆时针光路,3.调制器,4. 敏感微环，5.第二耦合间距，6.第一耦合间距，a.耦合间距,b.顺时针光路及逆时针光路宽度,Lx.完全耦合长度。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发
明，但不能用来限制本发明的范围。

[0025] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0026] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领
域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

[0027] 在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第
一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”
可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特
征。

[0028] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性
表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可
以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领
域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征
进行结合和组合。

[0029] 下面结合图1‑图2描述本发明的一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构及调整方法。

[0030] 在介质分布均匀、界面绝对光滑和无结构缺陷的理想波导中，光场可以不受任何影响地传输。但当其他波导结构邻近时，光场倏逝波与邻近的波导结构存在相互作用，将导
致光场耦合到其他的波导结构中，从而引起模场的转移。两平行排列并且相隔有限距离的
波导间会产生耦合作用。本发明正是利用了这种耦合作用，在现有技术中省略了调制器元
件，通过模场之间的耦合完成光信号的传递。

[0031] 定义完全耦合长度 Lx，它表示传输 Lx后功率完全从一个波导中转移到另一个波导中，本例中为了实现完全耦合长度，可以将敏感微环的靠近顺时针光路及逆时针光路的
位置设计为与顺时针光路及逆时针光路平行的微环段，Lx满足如下公式：

[0032]

[0033] 式中： 陀螺激光光源输出的波长， 为波导偶对称模和奇对称模的有效折射率差， 有效折射率是由波导的介质折射率、波导结构和耦合间距决定的。

[0034] 如图2所示对铌酸锂波导耦合，我们使用数值计算的仿真表明，在顺时针光路及逆时针光路宽度b为500nm±200nm，完全耦合长度随着光路宽度的增大而增大，可近似拟合为
下述曲线：

[0035]

[0036] 其中 为通过曲线确定的拟合系数。

[0037] 铌酸锂波导间的耦合间距应该大于 200 nm，当耦合间距小于 200nm 时，两根过近的波导将形成夹缝波导，不会传输高阶模式；而当两根波导的间距过大时，波导中的空间
模场将不会相互影响，无法产生模式耦合，进而无法实现滤模功能。

[0038] 在光路宽度为200 nm‑900 nm时，完全耦合长度随着耦合间距a可近似拟合为曲线。故得出：

[0039]

[0040] 其中 为耦合间距a的函数。

[0041] 因此，通过改变耦合间距，可以改变完全耦合长度，也即改变耦合效率。且经过拟合实验耦合效率与完全耦合长度呈非线性关系。

[0042] 铌酸锂外的耦合间距两侧加调整电压可该改变波导折射率，即认为是改变了耦合间距及完全耦合长度。

[0043] 调整电压 和折射率有下述关系：

[0044]

[0045] 式中： 陀螺激光光源输出的波长， 是光学群折射率， 是铌酸锂的异常光折射率， 是电光系数（可取 =30.8 pm/V），Г是电光重叠积分因子， 为电极间距离，其
中 式中， 为间距电压系数。

[0046] 因此调整电压 和耦合间距a之间的关系可表示为：

[0047] 。

[0048] 如图2所示，本发明提供了一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构，包括刻蚀形成的顺时针光路1、与顺时针光路平行设置的逆时针光路2及夹在顺时针光路与逆时针光路之
间的敏感微环4，顺时针光路与逆时针光路平行，提高了光路的互异性，顺时针光路与敏感
微环之间设有第一耦合间距6，逆时针光路与敏感微环之间设有第二耦合间距5，第一耦合
间距两侧设有第一调整电压，第二耦合间距两侧设有第二调整电压。本例中所述第一调整
电压及第二调整电压通过刻蚀设置。当然也可以采用其他的安装形式，比如所述第一调整
电压及第二调整电压通过粘贴设置。

[0049] 顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环刻蚀在铌酸锂基层上。

[0050] 一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构调整方法，用于调整上述的一种基于集成光学陀螺的微环耦合结构，包括如下步骤：

[0051] S1.用光源对顺时针光路进行光路照射，通过调整第一调整电压大小，检测顺时针光路的光线强度；

[0052] S2.当步骤S1的光线强度最大时，停止调整第一调整电压，并此时将第一调整电压持续加载在第一耦合间距上；由于耦合效率与完全耦合长度成非线性关系，即耦合效率与
第一调整电压 也成非线性关系，通过调整找到光线强度最大值（即耦合效率最大值），
并固定相应电压加载在第一耦合间距上。

[0053] S3.调整第二调整电压，用光源对顺时针光路进行光路照射，检测顺时针光路的光线强度；

[0054] S4. 当步骤S3的光线强度最大时，停止调整第二调整电压，并此时将第二调整电压持续加载在第二耦合间距上，由于耦合效率与完全耦合长度成非线性关系，即耦合效率
与第二调整电压 也成非线性关系，通过调整找到光线强度最大值（即耦合效率最大
值），并固定相应电压加载在第二耦合间距上。

[0055] 由于使用了顺时针光路、与顺时针光路平行设置的逆时针光路及夹在顺时针光路与逆时针光路之间的敏感微环，在顺时针光路与敏感微环，逆时针光路与敏感微环通过耦
合间距进行光耦合，并通过第一调整电压，第二调整电压调整耦合效率，使得在不使用调制
器的情况下，完成光信号的传输及敏感检测，避免了因重要元器件的损坏，导致结果不准确
的情况。

[0056] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。