空間諧振式微光機電陀螺的製作方法

2023-05-16 21:17:51 1

專利名稱：空間諧振式微光機電陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種角速度測量裝置，具體地說，是指一種建立在光學SAGNAC效應基礎上的一種光在空間光路傳輸，利用微機電技術和集成光學技術進行加工，利用諧振技術和數字閉環技術實現測量的微光機電陀螺。
背景技術：
光學陀螺是基於薩格奈克(Sagnac)效應，在慣性空間通常薩格奈克效應可以描述為「在同一閉合迴路中，沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳播的兩束光，圍繞垂直於迴路的軸的轉動將引起兩束光之間相位差的變化，該相位差的大小與光迴路旋轉速率成比例關係」。
由於SAGNAC效應很小，常見的一種方法是利用一個循環的環形諧振腔使光在腔內循環許多次再幹涉，來增強旋轉引起的SAGNAC效應，這種光學陀螺叫做諧振式光學陀螺。諧振式光學陀螺中兩束反向傳播光波通過輸入輸出鏡入射進腔內，經閉合光路從輸入輸出鏡輸出。靜止時，因為沿兩個方向的腔長都相等，兩束光的發射頻率是相等的。當腔旋轉時，由於SAGNAC效應，兩束傳播方向相反波的腔長存在一個很小的差，從而使兩個輸出光束之間產生一個頻差fR=4AB,]]>式中A為環形腔的閉合面積，B為周長，λ為靜止時入射光的波長。通過測量該頻差ΔfR可以計算出腔旋轉的角速度Ω。
與幹涉式微光機電陀螺相比，諧振式微光機電陀螺具有以下優點(1)達到相同靈敏度條件下，所需光路長度短；(2)因溫度不均勻性造成的漂移小；(3)採用高相干穩定光源；(4)通過測量頻率測量角速度，易達到高精度、大測量動態範圍。隨著應用領域需要的發展，目前對陀螺體積和重量提出了更高的要求，要求體積更小，成本更低。而光纖陀螺的體積受到光纖環的限制，因此，綜合微型化與光學高靈敏度的微光機電陀螺的研究引起了國際上廣泛的關注。

發明內容
本發明的目的是提供一種空間諧振式微光機電陀螺，該陀螺為了減小系統的尺寸和重量，對轉動敏感結構光路部分進行了結構優化設計，並利用微加工技術加工光學環形腔的反射面，並使組成環形腔的四個鏡子按照一定的空間尺寸要求固化在一起，在較小的空間實現光路諧振，使光路得到延長。配合光路、電路、器件結構等組件，構成空間光路的諧振式微光機電陀螺。
本發明是一種空間諧振式微光機電陀螺，由陀螺檢測電路模塊和光電混合集成模塊組成，所述光電混合集成模塊由光源、第一探測器、第二探測器、多通道光功率分配器和空間諧振腔組成，光源輸出端與多通道光功率分配器輸入端光耦合連接，多通道光功率分配器輸出端與空間諧振腔、第一探測器、第二探測器光耦合連接；所述多通道光功率分配器由LiNbO3基板、菲涅耳微透鏡A和菲涅耳微透鏡B組成，在LiNbO3基板上採用微刻蝕掩膜工藝刻畫出溝槽和L形臺，然後採用退火質子交換法或者鈦擴散法處理將溝槽製作成波導槽；菲涅耳微透鏡A、菲涅耳微透鏡B通過鍵合方式固定在L形臺上，且菲涅耳微透鏡A和菲涅耳微透鏡B保持平行；在LiNbO3基板上的波導槽的交匯點構成三個Y分支耦合器，即Y分支耦合器A、Y分支耦合器B和Y分支耦合器C；其中，在Y分支耦合器A的B輸出端上設有電極A、電極B，電極A與電極B平行布置在波導槽兩側；其中，Y分支耦合器A的C輸出端上設有電極C、電極D，電極C與電極D平行布置在波導槽兩側；電極A與電極B上電後構成相位移頻器A；電極C與電極D在上電後構成相位移頻器B；菲涅耳微透鏡A的鏡面與多通道光功率分配器的Y分支耦合器B的B輸出端相連；菲涅耳微透鏡B的鏡面與多通道光功率分配器的Y分支耦合器C的B輸出端相連；光源與多通道光功率分配器的Y分支耦合器A的A輸入端耦合；多通道光功率分配器輸出的一路平行光經菲涅耳微透鏡A射入空間諧振腔中，且在空間諧振腔內形成順時針傳播的平行光，所述順時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡B射出至第二探測器中；多通道光功率分配器輸出的另一路平行光經菲涅耳微透鏡B射入空間諧振腔中，在空間諧振腔內形成逆時針傳播的平行光，所述逆時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡A射出至第一探測器中；第一探測器和第二探測器將光信號轉換成電信號後輸出至陀螺檢測電路。
所述的空間諧振式微光機電陀螺，其電極A、電極B、電極C和電極D採用電鍍工藝將金薄膜鍍在LiNbO3基板的波導槽兩側。
所述的空間諧振式微光機電陀螺，其空間諧振腔在基座上設有輸入輸出鏡、微鏡A、微鏡B、微鏡C，輸入輸出鏡、微鏡A、微鏡B、微鏡C分別安裝在基座邊上。
所述的空間諧振式微光機電陀螺，其空間諧振腔內傳播的光為兩束光，分別沿逆時針和順時針兩個方向傳播，構成閉合光路。
本發明微光機電陀螺的優點在於(1)微光機電陀螺無運動部件、系統抗環境幹擾能力強；(2)光束在自由空間內傳播，損耗小、易於提高測量精度；(3)無偏振耦合和背向散射問題，光路誤差小；(4)光路可以交叉，從而可以充分利用空間，易於實現三軸集成；(5)利用微加工的微鏡構建環形諧振光路，易於實現單片集成和小型化；(6)成本低、工藝簡單、易於批量生產；(7)採用光頻閉環檢測電路，有效提高了抗幹擾能力和陀螺測試動態範圍。


圖1是本發明微光機電陀螺的原理框圖。
圖2是本發明多通道光功率分配器結構圖。
圖3是四邊形空間諧振腔的結構示意圖。
圖3A是四邊形空間諧振腔的光路走向示意圖。
圖4是三角形空間諧振腔的結構示意圖。
圖4A是三角形空間諧振腔的光路走向示意圖。
圖5是陀螺檢測電路的結構框圖。
圖中1.多通道光功率分配器 101.基板 102.Y分支耦合器A103.Y分支耦合器B 104.Y分支耦合器C 105.L形臺106.菲涅耳微透鏡A 107.菲涅耳微透鏡B 108.波導槽111.電極A 112.電極B 113.電極C 114.電極D2.空間諧振腔 201.四邊形基座 202.輸入輸出鏡 203.微鏡A 204.微鏡B205.微鏡C 211.三邊形基座 212.輸入輸出鏡 213.微鏡A 214.微鏡B3.光源 4.第一探測器 5.第二探測器 6.陀螺檢測電路具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種空間光路的諧振式微光機電陀螺，由光電混合集成模塊和陀螺檢測電路6組成，請參見圖1所示，所述光電混合集成模塊由光源3、第一探測器4、第二探測器5、多通道光功率分配器1、和空間諧振腔2組成，光源3輸出端與多通道光功率分配器1輸入端光耦合連接，多通道光功率分配器1輸出端與空間諧振腔2、第一探測器4、第二探測器5光耦合連接。多通道光功率分配器1輸出的一路平行光經菲涅耳微透鏡A107射入空間諧振腔2中，且在空間諧振腔2內形成順時針傳播的平行光，所述順時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡B106射出至第二探測器5中；多通道光功率分配器1輸出的另一路平行光經菲涅耳微透鏡B106射入空間諧振腔2中，在空間諧振腔2內形成逆時針傳播的平行光，所述逆時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡A107射出至第一探測器4中；第一探測器4和第二探測器5將光信號轉換成電信號輸出至陀螺檢測電路6。
在本發明中，請參見圖2所示，所述多通道光功率分配器1由LiNbO3基板101、菲涅耳微透鏡A107和菲涅耳微透鏡B106組成，在LiNbO3基板101上採用微刻蝕掩膜工藝刻畫出溝槽(溝槽深度為3～10um，寬度為3～10um)和L形臺105，然後採用退火質子交換法或者鈦擴散法處理將溝槽製作成波導槽108(波導槽的折射率高於周圍介質折射率，從光源3耦合進波導槽的光基於光全反射原理沿波導槽傳播)；菲涅耳微透鏡A107、菲涅耳微透鏡B106通過鍵合方式固定在L形臺105上，且菲涅耳微透鏡A107和菲涅耳微透鏡B106保持平行；在LiNbO3基板101上的波導槽108的交匯點形成一個Y分支耦合器，根據本發明設計要求共設有三個Y分支耦合器，即Y分支耦合器A102、Y分支耦合器B103和Y分支耦合器C104；其中，在Y分支耦合器A102的B輸出端上設有電極A111、電極B112，電極A111與電極B112平行布置在波導槽108兩側；其中，在Y分支耦合器A102的C輸出端上設有電極C113、電極D114，電極C113與電極D114平行布置在波導槽108兩側；電極A111與電極B112上電後基於電光效應，實現對輸出光的相位調製及輸出光的移頻，既構成相位移頻器A；電極C113與電極D114在上電後基於電光效應，實現對輸出光的相位調製及移頻，既構成相位移頻器B；菲涅耳微透鏡A107是基於二元光學原理製作而成的，菲涅耳微透鏡A107通過鍵合方式固定在L形臺105上，菲涅耳微透鏡A107的鏡面與多通道光功率分配器1的Y分支耦合器B103的B輸出端相連；
菲涅耳微透鏡B106是基於二元光學原理製作而成的，菲涅耳微透鏡A106通過鍵合方式固定在L形臺105上，菲涅耳微透鏡A106的鏡面與多通道光功率分配器1的Y分支耦合器C104的B輸出端相連；Y分支耦合器C104的C輸出端與第二探測器5光耦合連接；Y分支耦合器B103的C輸出端與第一探測器4光耦合連接。
在本發明中，所述空間諧振腔2內所傳播的光要求有兩束光，分別沿逆時針和順時針兩個方向傳播，構成閉合光路。根據光路走向要求設計了一個具有三個鏡子、或者四個鏡子、或者六個鏡子、或者八個鏡子的一個空間諧振腔，其基座(供安裝鏡子用)相應的設計為三邊形、四邊形、六邊形和八邊形。請參見圖3、圖4所示，所述空間諧振腔2在一個四邊形的基座201上順次安裝有輸入輸出鏡202、微鏡A203、微鏡B204、微鏡C205，輸入輸出鏡202、微鏡A203、微鏡B204、微鏡C205分別安裝在基座201的每個邊上。各個微鏡採用高反射率為90～99.9999％的平面鏡、球面鏡，輸入輸出鏡採用高反射率為90～99.99％的平面鏡、球面鏡。所述輸入輸出鏡202、微鏡A203、微鏡B204、微鏡C205與基座201的四個邊可以重合安裝，或者不予四個邊重合安裝，其相距0.01～5mm；或者輸入輸出鏡202與基座201的邊不重合，且相距0.01～5mm，微鏡A203、微鏡B204、微鏡C205與基座201的四個邊重合安裝。當基座211為三邊形時(如圖4、圖4A所示)，三個鏡子分別安裝在三邊形基座211的角上，此空間諧振腔2的形成是在基座211的三個角上順次安裝有輸入輸出鏡212、微鏡A213、微鏡B214。
本發明空間諧振式微光機電陀螺的光傳播方向為由光源3輸出的光被多通道光功率分配器1的Y分支耦合器A102分成兩束光，一束光(由Y分支耦合器A102的B端輸出的光)經相位移頻器A(電極A111與電極B112上電後具有的功能)移頻後射入Y分支耦合器B103中，然後由Y分支耦合器B103的B端輸出給菲涅耳微透鏡A107經準直後輸出平行光給空間諧振腔2；在本發明中，經菲涅耳微透鏡A107射入空間諧振腔2中的光稱為順時針傳播的光(CW)。另一束光(由Y分支耦合器A102的C端輸出的光)經相位移頻器B(電極C113與電極D114上電後具有的功能)移頻後射入Y分支耦合器C104中，然後由Y分支耦合器C104的B端輸出給菲涅耳微透鏡B106經準直後輸出平行光給空間諧振腔2；在本發明中，經菲涅耳微透鏡B106射入空間諧振腔2中的光稱為逆時針傳播的光(CCW)。空間諧振腔2內光的走向(如圖3A、圖4A所示)為菲涅耳微透鏡A107射出的平行光入射至輸入輸出鏡202上，平行光經微鏡A203反射後入射至微鏡B204上，平行光經微鏡B204反射後入射至微鏡C205上，平行光經微鏡D205反射後返回至輸入輸出鏡202上，構成順時針光路(CW)；菲涅耳微透鏡B106射出的平行光入射至輸入輸出鏡202上，平行光經微鏡C205反射後入射至微鏡B204上，平行光經微鏡B204反射後入射至微鏡A202上，平行光經微鏡A202反射後返回至輸入輸出鏡202上，構成逆時針光路(CCW)。順時針光路的平行光從輸入輸出鏡202輸出後射到菲涅耳微透鏡B106上，變成會聚光耦合進Y分支耦合器C104的B端，被分光後由Y分支耦合器C104的C端將光輸入到第二探測器5；逆時針光路的平行光從輸入輸出鏡202輸出後射到菲涅耳微透鏡A107上，變成會聚光耦合進Y分支耦合器B103的B端，被分光後由Y分支耦合器B103的C端將光輸入到第一探測器4；多通道光功率分配器1輸出的兩束光進入空間諧振腔2中形成順時針、逆時針傳播光路。當陀螺轉動時，這兩束光在諧振腔內產生頻差。該頻差信息經檢測電路處理後可得到陀螺的角速度值的大小，由於光在諧振腔內傳播介質是空氣，因此不存在由克爾效應、偏振效應、背向反射和瑞利散射等引入的陀螺噪聲，光路噪聲被大大減小，有效地提高了陀螺檢測精度。
一種用於微光機電陀螺的陀螺檢測電路至少包括中心處理器(FPGA+DSP)、信號採集單元和控制信號發生單元(參見圖5所示)，所述中心處理器包括FPGA處理器和DSP處理器；信號採集單元包括信號採集單元A和信號採集單元B，且信號採集單元A和信號採集單元B的電路結構相同，信號採集單元A由第一前置放大電路、濾波器和A/D轉換器構成，信號採集單元B由第二前置放大電路、濾波器和A/D轉換器構成；所述控制信號發生單元包括用於控制第一相位移頻器的階梯波發生電路，用於控制第二相位移頻器的階梯波發生電路，以及用於控制光源的電壓轉換電路，第一相位移頻器的階梯波發生電路與第二相位移頻器的階梯波發生電路結構相同。信號採集單元A將採集得到的由第一探測器輸出的光強電壓信號經第一前置放大電路放大、濾波器濾波後，經A/D轉換器轉換輸出的數位訊號給FPGA處理器接收；信號採集單元B將採集得到的由第二探測器輸出的光強電壓信號經第二前置放大電路放大、濾波器濾波後，經A/D轉換器轉換輸出的數位訊號由FPGA處理器接收；
中心處理器對接收的兩路數位訊號經處理後輸出頻率補償電壓信號給控制信號發生單元的光源電壓轉換電路的D/A轉換器、電壓變換電路，從而輸出控制光源的波長信號，使順時針傳輸光的幹涉光強恆定在諧振點；中心處理器對接收的兩路數位訊號經處理後輸出兩路信號，一路信號經D/A轉換器後輸出電流信號給模擬放大器A，經模擬放大器A放大處理後輸出階梯波信號給第一相位移頻器進行頻率調整，使逆時針傳輸光的幹涉光強恆定在諧振點；另一路信號經D/A轉換器後輸出電流信號給模擬放大器B，經模擬放大器B放大處理後輸出固定階梯波信號給第二相位移頻器。
本發明空間諧振式微光機電陀螺的整體信號流程可以分為光路和電路兩部分，光路部分由光電混合集成模塊構成，電路部分由陀螺檢測電路構成。其中，第一探測器4、第二探測器5和相位移頻器A、相位移頻器B分別完成光電、電光的信號轉換。電壓變換電路給光源3提供高穩定的驅動電流，使光源發光。光源3發出的光經Y分支耦合器A102、Y分支耦合器B103和Y分支耦合器C104至相位移頻器A、相位移頻器B完成分光和加載控制信號，光信號在第一探測器4、第二探測器5中完成光電轉換，經前放電路完成模擬放大和濾波，再經A/D轉換器轉換成數位訊號，由FPGA完成信號的解調、濾波、積分等工作後輸出四路信號，其中第一路輸出角速度測量信號；第二路產生固定雙頻率的階梯波給Y分支耦合器A102上的相位移頻器B進行光波掃頻，以便尋找光諧振電和後端電路進行光頻率鎖定。第三路經D/A轉換器轉換後輸出至電壓變化電路，控制光源輸出光的中心波長，使順時針傳輸光諧振；。第四路經D/A轉換器轉換後輸出至相位移頻器A驅動電路，經電路解調後輸出電壓信號分別控制相位移頻器A-的相位，改變逆時針傳輸光的光波頻率，使你時針光出現諧振現象；這樣就實現了控制部分的全數字式閉環控制。閉環控制在相向傳播的兩束光波之間人為引入一個與Sagnac相移大小相等、方向相反的頻差，用以抵消Sagnac頻移，使系統始終工作在零位狀態，從而擴大了系統的動態範圍。相位移頻技術是指在光路中人為地引入非互易相位，從而使光的相位及頻率發生改變的技術，是諧振式光學陀螺中的主要技術之一，相位移頻由多通道光功率分配器1來實現。多通道光功率分配器1是一個多功能器件，可實現起偏、雙光路移頻、多光路分光的功能。
權利要求
1.一種空間諧振式微光機電陀螺，由陀螺檢測電路模塊(6)和光電混合集成模塊組成，其特徵在於所述光電混合集成模塊由光源(3)、第一探測器(4)、第二探測器(5)、多通道光功率分配器(1)和空間諧振腔(2)組成，光源(3)輸出端與多通道光功率分配器(1)輸入端光耦合連接，多通道光功率分配器(1)輸出端與空間諧振腔(2)、第一探測器(4)、第二探測器(5)光耦合連接；所述多通道光功率分配器(1)由LiNbO3基板(101)、菲涅耳微透鏡A(107)和菲涅耳微透鏡B(106)組成，在LiNbO3基板(101)上採用微刻蝕掩膜工藝刻畫出溝槽和L形臺(105)，然後採用退火質子交換法或者鈦擴散法處理將溝槽製作成波導槽(108)；菲涅耳微透鏡A(107)、菲涅耳微透鏡B(106)通過鍵合方式固定在L形臺(105)上，且菲涅耳微透鏡A(107)和菲涅耳微透鏡B(106)保持平行；在LiNbO3基板(101)上的波導槽(108)的交匯點構成三個Y分支耦合器，即Y分支耦合器A(102)、Y分支耦合器B(103)和Y分支耦合器C(104)；其中，在Y分支耦合器A(102)的B輸出端上設有電極A(111)、電極B(112)，電極A(111)與電極B(112)平行布置在波導槽(108)兩側；其中，Y分支耦合器A(102)的C輸出端上設有電極C(113)、電極D(114)，電極C(113)與電極D(114)平行布置在波導槽(108)兩側；電極A(111)與電極B(112)上電後構成相位移頻器A；電極C(113)與電極D(114)在上電後構成相位移頻器B；菲涅耳微透鏡A(107)的鏡面與多通道光功率分配器(1)的Y分支耦合器B(103)的B輸出端相連；菲涅耳微透鏡B(106)的鏡面與多通道光功率分配器(1)的Y分支耦合器C(104)的B輸出端相連；光源(3)與多通道光功率分配器(1)的Y分支耦合器A(102)的A輸入端耦合；多通道光功率分配器(1)輸出的一路平行光經菲涅耳微透鏡A(107)射入空間諧振腔(2)中，且在空間諧振腔(2)內形成順時針傳播的平行光，所述順時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡B(106)射出至第二探測器(5)中；多通道光功率分配器(1)輸出的另一路平行光經菲涅耳微透鏡B(106)射入空間諧振腔(2)中，在空間諧振腔(2)內形成逆時針傳播的平行光，所述逆時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡A(107)射出至第一探測器(4)中；第一探測器(4)和第二探測器(5)將光信號轉換成電信號後輸出至陀螺檢測電路(6)。
2.根據權利要求1所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述電極A(111)、電極B(112)、電極C(113)和電極D(114)採用電鍍工藝將金薄膜鍍在LiNbO3基板(101)的波導槽(108)兩側。
3.根據權利要求1所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述空間諧振腔(2)在基座(201)上設有輸入輸出鏡(202)、微鏡A(203)、微鏡B(204)、微鏡C(205)，輸入輸出鏡(202)、微鏡A(203)、微鏡B(204)、微鏡C(205)分別安裝在基座(201)邊上。
4.根據權利要求1所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述空間諧振腔(2)在三邊形基座(211)上設有輸入輸出鏡(212)、微鏡A(213)、微鏡B(214)，輸入輸出鏡(212)、微鏡A(213)、微鏡B(214)分別安裝在三邊形基座(211)邊上。
5.根據權利要求3或4所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於微鏡採用高反射率為90～99.9999％的平面鏡、球面鏡，輸入輸出鏡採用高反射率為90～99.99％的平面鏡、球面鏡。
6.根據權利要求3所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述基座(201)為多邊形，至少包括有四邊形、六邊形、八邊形。
7.根據權利要求3所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述輸入輸出鏡(202)、微鏡A(203)、微鏡B(204)、微鏡C(205)與基座(201)的邊重合，或者所述輸入輸出鏡(202)與基座(201)的邊不重合，且相距0.01～5mm，微鏡A(203)、微鏡B(204)、微鏡C(205)與基座(201)的邊重合，或者輸入輸出鏡(202)、微鏡A(203)、微鏡B(204)、微鏡C(205)與基座(201)的不邊重合，且相距0.01～5mm。
8.根據權利要求1所述的空間諧振式微光機電陀螺，其特徵在於所述空間諧振腔(2)內傳播的光為兩束光，分別沿逆時針和順時針兩個方向傳播，構成閉合光路。
全文摘要
本發明公開了一種空間諧振式微光機電陀螺，由陀螺檢測電路模塊和光電混合集成模塊組成，光電混合集成模塊由光源、第一探測器、第二探測器、多通道光功率分配器和空間諧振腔組成，光源輸出端與多通道光功率分配器輸入端光耦合連接，多通道光功率分配器輸出端與空間諧振腔、第一探測器、第二探測器光耦合連接；多通道光功率分配器輸出的一路平行光經菲涅耳微透鏡A射入空間諧振腔中，且在空間諧振腔內形成順時針傳播的平行光，所述順時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡B射出至第二探測器中；多通道光功率分配器輸出的另一路平行光經菲涅耳微透鏡B射入空間諧振腔中，在空間諧振腔內形成逆時針傳播的平行光，所述逆時針傳播的平行光經菲涅耳微透鏡A射出至第一探測器中；第一探測器和第二探測器將光轉換成電信號輸出至陀螺檢測電路，並由陀螺檢測電路輸出驅動信號給光源。
文檔編號G01C19/64GK1851402SQ20061008117
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月24日 優先權日2006年5月24日
發明者馮麗爽, 張春熹, 劉惠蘭, 楊德偉, 林恆, 馬迎建, 劉恆, 賀斌, 許光磊 申請人:北京航空航天大學