基于环形谐振腔的拍频检测装置、角速度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于环形谐振腔的拍频检测装置、角速度测量装置及方法，包括拓扑环形激光器、环形谐振腔和拍频信号检测模块，拓扑环形激光器用于产生分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光；环形谐振腔用于产生光反馈效应以压窄半导体激光器的瞬时线宽，从而提高角速度检测灵敏度，拍频信号检测模块用于检测转动带来的拍频信号，从而实现角速度的快速精确解算。本发明专利技术设计的检测装置体积小、测量精度高，同时能够克服传统微型激光陀螺的闭锁效应。闭锁效应。闭锁效应。

【技术实现步骤摘要】
基于环形谐振腔的拍频检测装置、角速度测量装置及方法


[0001]本专利技术属于惯性导航检测
，具体涉及一种基于环形谐振腔的拍频检测装置、角速度测量装置及方法。

技术介绍

[0002]光学陀螺仪是超精密惯性导航领域最为核心的器件之一，它是一种基于萨格纳克效应（Sagnac Effect），利用参考物体旋转过程中产生的光学拍频，直接探测目标角速度的一种精密测量仪器。传统光学陀螺仪由石英玻璃组成的环形谐振腔构成，它凭借着超高测量精度、极优的测量稳定性在航天航空、武器装备等尖端领域发挥着不可替代的作用。
[0003]具有拓扑特性的光子晶体波导结构是一种新型的片上光学集成（Integrated Optics on Chip）方案，它为未来光学芯片的加工制造提供了一条新的途径。光子晶体的拓扑特性具体的表现出独特的拓扑保护特性，在两个具有不同拓扑性质的材料界面中会产生拓扑边界态（Topological Edge State），这种光学模式可以免疫边界上的缺陷和杂质，不会因为边界外在几何形状破坏受到影响，因此理论上它是一种能够无损传输的光学模式。
[0004]在利用具有拓扑特性的光子晶体结构构建的环形谐振腔（下称：拓扑环形谐振腔）中诱导产生萨格纳克效应，可以为超精密的角速度光学检测提供一个有效的片上集成方案，这将能够极大压缩传统光学陀螺仪的结构体积以及加工周期和成本。因此，设计出一种基于拓扑环形谐振腔的角速度测量方法具有极大的应用价值。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出一种基于环形谐振腔的拍频检测装置、角速度测量装置及方法，其基于具有拓扑特性的光子晶体波导结构，能够利用光学手段实现角速度检测的技术方案。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种基于环形谐振腔的拍频检测装置，包括拓扑环形激光器、环形谐振腔和拍频信号检测模块；所述拓扑环形激光器是由若干晶胞单元周期性排列而成的光子晶体阵列，所述光子晶体阵列划分为位于中心的第一拓扑特性区域和位于第一拓扑特性区域外围的第二拓扑特性区域，第一拓扑特性区域中的晶胞单元和第二拓扑特性区域中的晶胞单元具有不同的拓扑特性，第一拓扑特性区域和第二拓扑特性区域间的分界线形成一个环状电磁场传输通道，在光\电泵浦的条件下在所述环状电磁场传输通道中产生分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光；所述环形谐振腔为圆环状，设置在拓扑环形激光器下方且两者保有一定距离，所述环形谐振腔正对环状电磁场传输通道的内切圆且与所述内切圆大小相等，环状电磁场传输通道在空间上与下方的环形谐振腔相切；拓扑环形激光器输出的分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光通过
环形谐振腔耦合到拍频信号检测模块进而获得拍频信号。
[0007]进一步地，本专利技术所述拓扑环形激光器整体为呈六边形排布的光子晶体阵列，第一拓扑特性区域以及第二拓扑特性区域均由若干六边形晶胞单元周期性排列而成，每个晶胞单元内以对称性刻蚀出6个圆柱形空气柱，每个晶胞单元的晶胞中心与其圆柱形空气柱中心之间的距离为r，相邻晶胞单元的晶胞中心之间的间距为R，第一拓扑特性区域中的晶胞单元和第二拓扑特性区域中的晶胞单元具有不同的比例。
[0008]进一步地，本专利技术所述第一拓扑特性区域为六边形，所述环状电磁场传输通道为六边形的环状电磁场传输通道。
[0009]进一步地，本专利技术所述环形谐振腔为硅基环形谐振腔，所述环形谐振腔与拓扑环形激光器之间的距离为。
[0010]进一步地，本专利技术所述环形谐振腔设置在衬底上，衬底与拓扑环形激光器之间设置有支撑部件，通过支撑部件控制环形谐振腔与拓扑环形激光器之间的距离。
[0011]进一步地，本专利技术所述环形谐振腔外围设置有用于谐振腔调谐的硅基热电偶，通过硅基热电偶发热动态调节环形谐振腔的谐振中心，以使之与上方拓扑环形激光器保持谐振条件，产生稳定的光反馈耦合过程。
[0012]进一步地，本专利技术所述拍频信号检测模块包括硅基偏振转换器、硅光波导和高速光电探测器，硅光波导与环形谐振腔之间的间距为，硅光波导与环形谐振腔之间通过倏逝波耦合，硅光波导上设有两个硅基偏振转换器，耦合进硅光波导的分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光分别通过两个硅基偏振转换器，同时转变为模，合束后进入高速光电探测器，利用高速光电探测器获得拍频信号。
[0013]进一步地，本专利技术所述拍频信号检测模块和环形谐振腔设置在同一衬底上，硅光波导与环形谐振腔之间的间距控制在之间。
[0014]另一方面，本专利技术提供一种基于环形谐振腔的角速度测量装置，包括电学信号频谱分析单元以及上述任一种基于环形谐振腔的拍频检测装置，所述拍频检测装置搭载在系统平台上，用于检测系统平台发生旋转时的拍频信号；所述电学信号频谱分析单元对所述拍频信号解调后计算出对应的系统平台转动角速度。
[0015]另一方面，本专利技术提供一种基于环形谐振腔的角速度测量方法，包括：上述任一种基于环形谐振腔的拍频检测装置搭载在系统平台上；当系统平台上发生旋转时，萨格纳克效应将导致在所述环状电磁场传输通道中分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光发生频率移动，两个传输方向的单模激光其光束频率差与转动角速度成正比；拓扑环形激光器输出的两路发生频率移动的单模激光通过环形谐振腔耦合到拍频信号检测模块进而获得拍频信号；对所述拍频信号解调后计算出对应的系统平台转动角速度。
[0016]目前基于光学检测的角加速度测量方案包括：基于环形空间光的激光陀螺、光纤陀螺以及依靠外部高品质光纤光源输入的片上微环波导陀螺。传统激光陀螺体积结构大，而基于微环结构的新型片上陀螺又依赖外界光源的输入。本专利技术同时兼顾了片上集成光源和角速度测量问题，将基于半导体材料的拓扑环形激光器与基于硅晶圆的高品质环形谐振腔以及全硅拍频信号检测模块相结合，利用在转动条件下环形谐振腔内产生的萨格纳克效
应实现对拍频信号的检测，进而实现转动角速度的测量。本专利技术创新性的实现了一种片上集成化的、有源的、基于光学检测的拍频检测方案，进而实现角速度测量。本专利技术相比于现有技术的优势在于：1、采用全片上集成构架，实现了光源部分以及信号产生部分的统一，极大降低了基于光学检测方法的拍频检测装置的体积和生产成本。
[0017]2、基于拓扑保护的环形谐振腔可以有效的保护激光器的单模特性，能够实现光学偏振与传输方向的锁定，避免低转速工况条件下的频率锁定效应。
[0018]3、基于高品质光腔反馈的半导体材料的拓扑环形激光器能够输出窄线宽激光模式，能够有效提升角速度检测精度。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例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，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0020]图1为一实施例的整体结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于环形谐振腔的拍频检测装置，其特征在于，包括拓扑环形激光器、环形谐振腔和拍频信号检测模块；所述拓扑环形激光器是由若干晶胞单元周期性排列而成的光子晶体阵列，所述光子晶体阵列划分为位于中心的第一拓扑特性区域和位于第一拓扑特性区域外围的第二拓扑特性区域，第一拓扑特性区域中的晶胞单元和第二拓扑特性区域中的晶胞单元具有不同的拓扑特性，第一拓扑特性区域和第二拓扑特性区域间的分界线形成一个环状电磁场传输通道，在光电泵浦的条件下在所述环状电磁场传输通道中产生分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光；所述环形谐振腔为圆环状，设置在拓扑环形激光器下方且两者保有一定距离，所述环形谐振腔正对环状电磁场传输通道的内切圆且与所述内切圆大小相等，环状电磁场传输通道在空间上与下方的环形谐振腔相切；拓扑环形激光器输出的分别顺时针、逆时针传输的两路偏振正交的单模激光通过环形谐振腔耦合到拍频信号检测模块进而获得拍频信号。2.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔的拍频检测装置，其特征在于，所述拓扑环形激光器整体为呈六边形排布的光子晶体阵列，第一拓扑特性区域以及第二拓扑特性区域均由若干六边形晶胞单元周期性排列而成，每个晶胞单元内以C6对称性刻蚀出6个圆柱形空气柱，每个晶胞单元的晶胞中心与其圆柱形空气柱中心之间的距离为r，相邻晶胞单元的晶胞中心之间的间距为R，第一拓扑特性区域中的晶胞单元和第二拓扑特性区域中的晶胞单元具有不同的R/r比例。3.根据权利要求2所述的基于环形谐振腔的拍频检测装置，其特征在于，所述第一拓扑特性区域为六边形，所述环状电磁场传输通道为六边形的环状电磁场传输通道。4.根据权利要求1或2或3所述的基于环形谐振腔的拍频检测装置，其特征在于，所述环形谐振腔为硅基环形谐振腔，所述环形谐振腔与拓扑环形激光器之间的距离为。5.根据权利要求4所述的基于环形谐振腔的拍频检测装置，其特征在于，所述环形谐振腔设置在衬底上，衬底与拓扑环形激光器之间设置有支...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭中奇，毛元昊，管世钰，蒋小为，陈丁博，龙兴武，罗晖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：