【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成光学和光纤陀螺，尤其涉及一种基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺。
技术介绍
1、陀螺是一种用于测量载体旋转角速度的敏感设备，当三轴正交安装时，可以用于建立运动的空间坐标系，这是运动测量与控制的基础。陀螺根据其工作原理，可以被分类为机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。光纤陀螺基于sagnac干涉原理，利用光纤闭合回路中顺逆两束光的干涉来测量旋转角速度，具有高精度、高可靠、高带宽的特点。
2、传统光纤陀螺使用偏振器、耦合器等分立器件逐一熔接的制作方式，并依赖手工装配，如此制作而成的陀螺体积大，成本高，一致性差，制作效率低。利用集成光学工艺将光纤陀螺所用核心器件集成于同片光子芯片之上，大幅降低器件尺寸，并且规模化的流片过程可以实现器件的低成本与一致性。因此光纤陀螺的光子集成化是光纤陀螺发展的重要方向。
3、光纤陀螺的sagnac相位 ϕs可由式（1）表示：
4、（1）
5、其中， l为光纤长度， d为光纤环直径， λ为工作波长， c为真空中的光速， ω为旋转角速度。根据式（1）所示的干涉原理，在陀螺尺寸（光纤环直径）、以及工作波长确定的情况下，光纤长度越长则陀螺对转速的敏感度越高，即精度越高。但是光纤越长，则陀螺体积越大，成本也越高。针对此问题，学者提出在不增加光纤
技术实现思路
1、本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种偏振模式复用光子芯片，以实现双倍光程的光纤陀螺，使光在光纤环中通过2次，加倍光程，低成本、小型化的提升陀螺精度。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提出了一种基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，包括光子集成芯片、光源、探测器、光纤环、调制器和信号处理电路，所述光子集成芯片包括衬底，衬底上集成有偏振选择光栅、两个分束器以及4个端面耦合器，光源、探测器各通过一端面耦合器与其中一分束器连接，光纤环两端尾纤各通过一端面耦合器与另一分束器连接，偏振选择光栅连接两个分束器；偏振选择光栅使tm偏振光透射，te偏振光反射，或者使tm偏振光反射，te偏振光透射。
3、进一步地，相对于光子集成芯片的耦合偏振轴方向，光纤环一端尾纤偏振角呈0°，另一端尾纤偏振角为90°。
4、进一步地，偏振选择光栅采用由周期性折射率交替的波导组成的光栅结构，且光栅周期 l满足如下布拉格光栅方程：
5、
6、其中， λ为工作中心波长， l1为光栅周期中宽度小的区域的长度，/为宽度小的波导中te/tm模式的有效折射率，而/为周期中宽度大的波导中te/tm模式的有效折射率。
7、进一步地，偏振选择光栅的波导集成于光子集成芯片的衬底上，衬底的材料采用si、sio2、si3n4、lnoi中的一种或多种。
8、进一步地，所述分束器采用y波导、定向耦合器或多模干涉器。
9、进一步地，端面耦合器为倒拉锥结构。
10、进一步地，光源使用高偏振光源或低偏振光源，若偏振选择光栅设计为tm偏振光透射，则光源以tm的偏振态进入光子集成芯片；若偏振选择光栅设计为te偏振光透射，则光源以te的偏振态进入光子集成芯片。
11、进一步地，所述光源采用端面耦合的方式，贴装于光子集成芯片侧边；或将高偏振光源先对轴耦合到保偏光纤，然后再将保偏光纤对轴端面耦合到光子集成芯片；或使用低偏振光源先耦合到保偏光纤，在保偏光纤中引入光纤起偏器，然后再将保偏光纤对轴端面耦合到光子集成芯片。
12、进一步地，探测器贴装于光子集成芯片侧边，完成光电转换，并连接信号处理电路完成陀螺信号的解算；或将信号光先耦合到接收光纤，然后再通过接收光纤将信号光引到探测器。
13、进一步地，应用于830nm、850nm、1310nm、1550nm多种波长系统。
14、本专利技术的有益效果为：
15、1、本专利技术将偏振选择光栅、分束器a、分束器b以及4个端面耦合器集成于光子集成芯片上，替代传统光纤陀螺光器件分立制作，接续熔接，手工盘绕的制作方式，提升陀螺的规模化生产水平，缩小陀螺体积，降低陀螺成本，提升陀螺生产一致性。
16、2、本专利技术使用偏振选择的光栅结构以及偏振模转换的耦合方式，令光在光纤环中传播2次，实现光程的加倍，低成本、小体积的提升陀螺精度。
17、3、本专利技术实现光源、光纤与光子集成芯片的低损耦合，结构紧凑，稳定性高，利于陀螺的规模化批产。
18、4、本专利技术适用于硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、薄膜铌酸锂等多类型衬底，并适用于多工作波长系统。
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1.一种基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，包括光子集成芯片、光源、探测器、光纤环、调制器、信号处理电路，其特征在于，所述光子集成芯片包括衬底，衬底上集成有偏振选择光栅、两个分束器以及4个端面耦合器，光源、探测器各通过一端面耦合器与其中一分束器连接，光纤环两端尾纤各通过一端面耦合器与另一分束器连接，偏振选择光栅连接两个分束器；偏振选择光栅使TM偏振光透射，TE偏振光反射，或者使TM偏振光反射，TE偏振光透射。
2.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，相对于光子集成芯片的耦合偏振轴方向，光纤环一端尾纤偏振角呈0°，另一端尾纤偏振角为90°。
3.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，偏振选择光栅采用由周期性折射率交替的波导组成的光栅结构，且光栅周期L满足如下布拉格光栅方程：
4.如权利要求3所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，偏振选择光栅的波导集成于光子集成芯片的衬底上，衬底的材料采用Si、SiO2、Si3N4、LNOI中的一种或多
5.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，所述分束器分束比为1:1，分束器采用Y波导、定向耦合器或多模干涉器。
6.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，端面耦合器为倒拉锥结构。
7.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，光源使用高偏振光源或低偏振光源，若偏振选择光栅设计为TM偏振光透射，则光源以TM的偏振态进入光子集成芯片；若偏振选择光栅设计为TE偏振光透射，则光源以TE的偏振态进入光子集成芯片。
8.如权利要求7所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，所述光源采用端面耦合的方式，贴装于光子集成芯片侧边；或将高偏振光源先对轴耦合到保偏光纤，然后再将保偏光纤对轴端面耦合到光子集成芯片；或使用低偏振光源先耦合到保偏光纤，在保偏光纤中引入光纤起偏器，然后再将保偏光纤对轴端面耦合到光子集成芯片。
9.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，探测器贴装于光子集成芯片侧边，完成光电转换，并连接信号处理电路完成陀螺信号的解算；或将信号光先耦合到接收光纤，然后再通过接收光纤将信号光引到探测器。
10.如权利要求1-9中任一项所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，应用于830nm、850nm、1310nm、1550nm多种波长系统。
...【技术特征摘要】
1.一种基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，包括光子集成芯片、光源、探测器、光纤环、调制器、信号处理电路，其特征在于，所述光子集成芯片包括衬底，衬底上集成有偏振选择光栅、两个分束器以及4个端面耦合器，光源、探测器各通过一端面耦合器与其中一分束器连接，光纤环两端尾纤各通过一端面耦合器与另一分束器连接，偏振选择光栅连接两个分束器；偏振选择光栅使tm偏振光透射，te偏振光反射，或者使tm偏振光反射，te偏振光透射。
2.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，相对于光子集成芯片的耦合偏振轴方向，光纤环一端尾纤偏振角呈0°，另一端尾纤偏振角为90°。
3.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，偏振选择光栅采用由周期性折射率交替的波导组成的光栅结构，且光栅周期l满足如下布拉格光栅方程：
4.如权利要求3所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，偏振选择光栅的波导集成于光子集成芯片的衬底上，衬底的材料采用si、sio2、si3n4、lnoi中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的基于光子芯片的偏振模式复用双倍光程的光纤陀螺，其特征在于，所述分束器分束比为1:1，分束器采用y波导、定向耦合器或多模...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕海斌，邓麟，
申请(专利权)人：广东奥斯诺工业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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