专利名称：多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光学和传感技术，特别是涉及一种多轴光纤陀螺组合用光学收发
调制芯片。
背景技术：
光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应的角速度光纤传感器，在航海、导航、系统 稳定等广泛领域有着重要用途。在实际应用中，一般要求陀螺系统能够同时测量互相垂直 的三个坐标轴方向的角速率信息。最简单的实现方案采用多套单轴光纤陀螺测量系统，分 别对三个正交轴上的旋转角速度进行测量，这种结构的多轴测量系统缺点是每个子系统分 别使用一个信号处理系统、一个光源和一个调制器，大大增加了系统的质量、体积、功耗和 成本。 另外传统光纤陀螺的分束器采用光纤定向耦合器，在保证光纤陀螺互易性的同 时，分束器的插入损耗、分束比、消光比等指标随温度的变化会导致陀螺信号飘移，分束器 与Y波导调制器的连接需通过尾纤熔接，由此导致陀螺光学系统的损耗增加，稳定性与可 靠性降低，不能适应光纤陀螺高精度、高可靠性、小型化的发展趋势。 综上所述，多轴光纤陀螺系统小型化发展遇到多个问题，而分立的器件所组成的 系统结构是制约其发展的关键。

发明内容
针对传统光纤陀螺采用光纤定向耦合器带来的系统损耗增加、稳定性和可靠性 降低和一般多轴光纤陀螺使用多个光源、调制器、信号处理器带来的增加系统质量、体积、 功耗和成本等问题，本发明的目的在提供一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯 片，它将多个分束器、Y波导调制器、探测器集成于一体，减小了系统的体积和制作成本，大 大提高了光纤陀螺的可靠性和对于环境变化的稳定性，为光纤陀螺的小型化提供关键器件 支撑。 本发明解决其技术问题采用的技术方案是 对于多轴为n的光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其中n为2a < n《2a+1，由2a+2-l个Y分支和n个调制电极、n个探测臂构成；2a+2_l个Y分支在衬底中 间从一侧到另一侧排成a+2列，第k列上有2k—1个Y分支，其中1《k《a+2，第一列第一 Y 分支双端端口的一端口与第二列第一 Y分支单端端口相连，第一列第一 Y分支双端端口的 另一端口与第二列第二 Y分支单端端口相连；第三列Y分支的各单端端口依次与第二列Y 分支的各双端端口连接，按照此方式依次连接各列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2 列2a+1个Y分支中的任意n个Y分支的双端端口各连接有一段直波导，在双端端口直波导 上各有一组调制电极，在含有调制电极的n个Y分支的单端端口各有一探测光信号的探测 臂。 所述的2^-l个Y分支弯曲部分均为半个周期的余弦函数曲线。
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所述的a+2列Y分支第k列Y分支各Y分支双端端口的间距ak，第k列Y分支各 Y分支弯曲部分从一侧到另一侧的长度K，第k列Y分支各Y分支单端端口直波导部分从 一侧到另一侧的长度q，其中k为1《k《a+2，满足如下关系式 io : i《ak : bk《ioo : i ak+1 : ak = 1 : 2 ck+1 : ck = i : 2 所述的n个探测臂均为四分之一个周期的余弦函数曲线，且各个探测臂的探测端
口以其探测臂位于芯片上半区或下半区来决定其位于上探测边或下探测边。 本发明具有的有益效果是 本发明将多个分束器、Y波导调制器、探测器集成于一体，减小了系统的体积和制
作成本，大大提高光纤陀螺的可靠性和对于环境变化的稳定性，为光纤陀螺的小型化提供 关键器件支撑。


图1是所述多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片示意图。
图2是Y分支结构示意图； 图3是三轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片示意图。
图4是四轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片示意图。
图中1-1、第一列第一 Y分支，l-l-l、第一列第一 Y分支单端端口 ， l-l-2、第一列 第一 Y分支双端端口的一端口 ， l-l-3、第一列第一 Y分支双端端口的另一端口 ， 2-1 、第二列 第一 Y分支，2-l-l、第二列第一 Y分支单端端口 ， 2-l-2、第二列第一 Y分支双端端口的一端 口 ， 2-l-3、第二列第一 Y分支双端端口的另一端口 ， 2-2、第二列第二 Y分支，2-2-l、第二列 第二 Y分支单端端口 ， 2-2-2、第二列第二 Y分支双端端口的一端口 ， 2-2-3、第二列第二 Y分 支双端端口的另一端口， (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、第一调制电极，(&+2)-23+1、第23+1调制电极，N-l、第一探测臂，N-2、第二探测臂， N-(2a+1-l)、第2a+1-l探测臂，N-2^、第2a+1探测臂，A、上探测边，B、下探测边，C、光输入边、 D、光输出边，E、上半区，F、下半区，、、第k列Y分支各Y分支双端端口的间距，K、第k列Y 分支各Y分支弯曲部分从一侧到另一侧的长度，Ck、第k列Y分支各Y分支单端端口直波导 部分从一侧到另一侧的长度。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 如图1所示，本发明对于多轴为n的光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其 中n为2a < n《2a+1，由2a+2_l个Y分支和n个调制电极、n个探测臂构成；2a+2_l个Y分支 在衬底中间从一侧到另一侧排成a+2列，第k列上有2k—1个Y分支，其中k为1《k《a+2， 第一列第一 Y分支双端端口的一端口 1-1-2与第二列第一 Y分支单端端口 2-1-1相连，第 一列第一Y分支双端端口的另一端口 1-1-3与第二列第二Y分支单端端口 2-2-1相连；第 三列Y分支的各单端端口依次与第二列Y分支的各双端端口连接，按照此方式依次连接各 列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2列2a+1个Y分支中的任意n个Y分支的双端端口各连接有一段直波导，在双端端口直波导上各有一组调制电极，在含有调制电极的n个Y分 支的单端端口各有一探测光信号的耦合臂，称为探测臂。图l中(a+2)-l为第一调制电极， (a+2)-2a+1为第2a+1调制电极，N-1为第一探测臂，N-2为第二探测臂，N_(2a+1_l)为第2a+1_l 探测臂，N-2a+1为第2a+1探测臂。 所述的2a+1个Y分支弯曲部分均为半个周期的余弦函数曲线。
如图2所示，设所述的第k列Y分支各Y分支双端端口的间距为ak，第k列Y分支 各Y分支弯曲部分从一侧到另一侧的长度为K，第k列Y分支各Y分支单端端口直波导部 分从一侧到另一侧的长度为Ck，其中k为1《k《a+2 ;以上各参数满足如下关系 io : i《ak : bk《ioo : i (i) ak+1 : ak = 1 : 2 (2)
ck+1 : ck = 1 : 2 (3) ak与bk的比值不能太小，太小会导致Y分支损耗过大； 所述的n个探测臂均为四分之一个周期的余弦函数曲线，且各个探测臂的探测端 口以其耦合臂位于芯片上半区E或下半区F来决定其位于上探测边A或下探测边B。
所述的多轴光纤陀螺用波导型光学收发调制芯片呈平行四边形，以避免集成光路 和光纤界面的背向反射。 如图3所示为三轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片示意图。
如图4所示，以四轴光纤陀螺组合用波导型光学收发芯片，ak : bk=10 : l为例， 第一列第一 Y分支弯曲部分从一侧到另一侧的长度ai为8mm，双端端口的间距l^为800 y m， 单端端口直波导部分从一侧到另一侧的长度q为2mm ;第二列第一 Y分支、第二列第二 Y分 支弯曲部分从一侧到另一侧的长度a2均为4mm，双端端口的间距b2均为400 y m，单端端口 直波导部分从一侧到另一侧的长度c2均为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分支弯曲部分从一侧到另一侧的长度a3均为2mm，双端端口 的间距b3均为200 m，单端端口直波导部分从一侧到另一侧的长度c3均为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分支双端端口各连接有 一端直波导，直波导长度L均为lOmm，在双端端口直波导上各有一组调制电极，芯片总的从 一侧到另一侧的长度为27. 5mm ; 本发明可以利用铌酸锂衬底上的退火质子交换法实现，其制作工艺步骤 (1)铌酸锂标准衬底片清洗。
(2)光刻，将掩模板图形转移到基片上 (3)在苯甲酸晶体溶液中进行质子交换，制备波导。
(4)退火。
(5)在其上面套刻集总参数结构电极图案。
(6)对端面进行切割、粗磨、抛光处理。
权利要求
一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其特征在于对于多轴为n的光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其中n为2a＜n≤2a+1，由2a+2-1个Y分支和n个调制电极、n个探测臂构成；2a+2-1个Y分支在衬底中间从一侧到另一侧排成a+2列，第k列上有2k-1个Y分支，其中1≤k≤a+2，第一列第一Y分支双端端口的一端口(1-1-2)与第二列第一Y分支单端端口(2-1-1)相连，第一列第一Y分支双端端口的另一端口(1-1-3)与第二列第二Y分支单端端口(2-2-1)相连；第三列Y分支的各单端端口依次与第二列Y分支的各双端端口连接，按照此方式依次连接各列Y分支，直至第a+2列Y分支；在第a+2列2a+1个Y分支中的任意n个Y分支的双端端口各连接有一段直波导，在双端端口直波导上各有一组调制电极，在含有调制电极的n个Y分支的单端端口各有一探测光信号的探测臂。
2. 根据权利要求1所述的一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其特征 在于所述的2a+2-l个Y分支弯曲部分均为半个周期的余弦函数曲线。
3. 根据权利要求1所述的一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其特征 在于所述的a+2列Y分支第k列Y分支各Y分支双端端口的间距ak，第k列Y分支各Y分 支弯曲部分从一侧到另一侧的长度bk，第k列Y分支各Y分支单端端口直波导部分从一侧 到另一侧的长度q，其中k为1《k《a+2，满足如下关系式io : i《ak : bk《ioo : iak+l ak = 1 2Ck+1 Ck — 1 2。
4. 根据权利要求1所述的一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，其特征 在于所述的n个探测臂均为四分之一个周期的余弦函数曲线，且各个探测臂的探测端口 以其探测臂位于芯片上半区(E)或下半区(F)来决定其位于上探测边(A)或下探测边(B)。
全文摘要
本发明公开了一种多轴光纤陀螺组合用波导型光学收发调制芯片，对于多轴为n的芯片，2a＜n≤2a+1，由2a+2-1个Y分支和n个调制电极、n个探测臂构成；2a+2-1个Y分支在衬底中间从一侧到另一侧排成a+2列，第k列上有2k-1个Y分支，1≤k≤a+2，第二列Y分支的各单端端口依次与第一列Y分支的各双端端口连接，第三列Y分支的各单端端口依次与第二列Y分支的各双端端口连接，直至第a+2列Y分支；最后一列Y分支中的任意n个Y分支的双端端口各连接有一段直波导，在双端端口直波导上各有一组调制电极，在含有调制电极的n个Y分支的单端端口各有一探测光信号的探测臂。本发明将多个分立器件集成于一个芯片中，减小了系统的体积，提高了系统的可靠性。
文档编号G01C19/72GK101762270SQ20101003959
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者佘玄, 刘承, 王冬云, 舒晓武, 车双良 申请人:浙江大学