【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学陀螺，具体涉及一种片上环圈结构及设计方法、采用其的硅光子陀螺光路结构。
技术介绍
1、硅光子陀螺为光纤陀螺的集成化与小型化提供了新的思路：将传统光纤陀螺分立光学器件用硅基光学芯片取代，其体积、重量、成本和功耗将会大幅降低，硅光子陀螺成为了陀螺惯性器件重要发展方向。
2、片上环圈是硅光子陀螺的核心敏感部件，其尺寸和长度直接决定了陀螺灵敏度，为了实现了硅光子陀螺的小型化，其尺寸一般要求在cm量级，最大不超过2cm，否则无法发挥片上环圈的小尺寸优势，因此环圈的长度对于陀螺的灵敏度尤为重要。但是过长的环圈也会带来损耗大、层间交叉耦合大、消光比及对称性降低等突出问题，因此小尺寸、具有一定长度(通常大于50m)、低损耗(小于0.2db/m)、且具备交叉耦合抑制功能的片上光波导环圈成为了硅光子陀螺的研究热点。
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决上述技术问题之一，提供了一种片上环圈结构及设计方法、采用其提出的硅光子陀螺光路结构，该片上环圈结构采用双层、方形环圈，有效提高单位长度下的敏感面积，提升单位长度下的陀螺灵敏度，将两层环圈交叉位置设计为垂直交叉，降低层间交叉耦合，在传输方向改变处设计模式引导区，降低模式传输损耗。
2、本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：
3、本专利技术提供了一种片上环圈结构，所述片上环圈结构包括两层光波导，上层光波导包括依次连接的第一端口、按照方形盘绕的上层方形环圈、上层连接段，下层光波导包括依次连接的下层连
4、所述上层方形环圈在所述下层方形环圈所属平面的投影与所述下层方形环圈的交叉位置采用垂直交叉方式；
5、所述上层方形环圈、下层方形环圈传输方向改变处采用圆弧形的模式引导区进行连接。
6、进一步地，上层方形环圈在所述下层方形环圈所属平面的投影与所述下层方形环圈除交叉位置不重叠。
7、进一步地，所述模式引导区的弯曲半径不小于2mm；两层光波导的宽度为固定值；所述光波导为sin波导，所述光波导宽度取值范围为1-5μm，深度取值范围为50-300nm。
8、进一步地，所述第一端口、第二端口可以根据需要分别设置为输入、输出口。
9、进一步地，所述上层连接段、下层连接段整体长度取值范围为20-50μm，其最窄处宽度取值范围为400-800nm。
10、本专利技术还提供了一种片上环圈结构设计方法，包括如下步骤：
11、确定光波导中传输光的波段；
12、通过模场仿真确定光波导不同截面参数的单模截止条件，光波导截面参数包括宽度和深度，选择一组深宽比不超过0.1的取值作为光波导截面；
13、根据片上环圈结构的尺寸、光波导加工工艺确定单位传输损耗；
14、在确定单位传输损耗下，仿真角度随机游走与光波导长度的关系曲线；
15、根据角度随机游走设计要求，选择光波导长度；
16、根据光波导按照两层方形环圈螺旋方式，确定每一层的光波导圈数、光波导间隔、方形环圈的对角线最大值；
17、通过光波导弯曲半径与弯曲损耗仿真确定模式引导区的弯曲半径，使得弯曲损耗不超过0.2db/m。
18、本专利技术还提供了一种硅光子陀螺光路结构，包括光引擎芯片、光敏感芯片，所述光引擎芯片包括光源、探测器以及y型第一耦合器，所述第一耦合器的三个端口分别连接光源、探测器、光敏感芯片；
19、所述光敏感芯片包括起偏器、y型第二耦合器、相位调制器、片上环圈结构，所述起偏器输入端连接所述第一耦合器的一个端口，所述起偏器输出端通过所述第二耦合器与所述相位调制器的两个输入端连接，所述相位调制器的两个输出端分别与片上环圈结构的输入、输出口连接。
20、进一步地，所述硅光子陀螺片上环圈光路结构还包括电极，所述电极通过金丝引线分别连接光源、探测器、相位调制器，用于给光源、探测器、相位调制器供电。
21、进一步地，所述起偏器为设置在lnoi薄膜上的非对称耦合结构模式起偏器，所述非对称耦合结构模式起偏器包括直线形传输波导和折线形耗散波导，折线形耗散波导包括三段依次连接的第一水平线段、第二垂直线段、第三水平线段，第一水平线段与第三水平线段平行、与第二垂直线段垂直，第一水平线段与直线形传输波导相邻平行设置，直线形传输波导临近第一水平线段的一端为输入端、另一端为输出端。
22、进一步地，所述起偏器采用二个或三个所述非对称耦合结构模式起偏器级联组成。
23、本专利技术与现有技术相比的有益效果：
24、针对现有片上环圈存在的损耗大、层间交叉耦合大、消光比和对称性降低等技术问题，本专利技术提供的片上环圈结构采用双层、方形环圈，有效提高单位长度下的敏感面积，提升单位长度下的陀螺灵敏度；将两层环圈交叉位置设计为垂直交叉，有效降低层间交叉耦合；通过在传输方向改变处设计模式引导区，降低模式传输损耗。
25、另外，本专利技术片上环圈结构通过采用小深宽比sin波导实现对光的有效束缚，进一步实现低损耗光传输。
26、本专利技术提供了片上环圈结构的设计方法，可以根据设计要求灵活调节结构参数，缩短设计周期，提高加工成品率。
27、本专利技术基于片上环圈结构提出一种硅光子陀螺光路结构，通过改进传统圆形片上环圈为带有模式引导区的方形环圈，有效规避降低层间交叉耦合，而且硅光子陀螺灵敏度提升20％以上；通过设计“lnoi薄膜+sin环圈”的非对称耦合结构模式起偏器，以及采用二级或者三级起偏结构级联方式，实现高于65db的消光比；在多层耦合方面，通过采用双锥形层间耦合结构，层间耦合效率达到90％以上，本专利技术设计方案可实现大于50m的低损耗片上环圈，该设计方案解决传统片上环圈存在问题，实现光敏感单元的片上集成，为硅光子陀螺的片上全集成奠定重要基础。
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1.一种片上环圈结构，其特征在于，包括两层光波导，上层光波导包括依次连接的第一端口、按照方形盘绕的上层方形环圈、上层连接段，下层光波导包括依次连接的下层连接段、按照方形盘绕的下层方形环圈、第二端口，所述上层连接段、下层连接段均为光波导宽度逐渐减小的锥形光波导结构，所述上层连接段、下层连接段的结构中心轴位于同一垂直面内、上下平行，所述上层连接段、下层连接段按照锥形减小方向相反设置，所述上层连接段部分区域位于下层连接段正上方；
2.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述上层方形环圈在所述下层方形环圈所属平面的投影与所述下层方形环圈除交叉位置不重叠。
3.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述模式引导区的弯曲半径不小于2mm；两层光波导的宽度为固定值，每一层光波导之间的间距在3-500nm，；所述光波导为SiN波导，所述光波导宽度取值范围为1-5μm，深度取值范围为50-300nm。
4.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述第一端口、第二端口根据需要分别设置为输入、输出口。
5.根据权利要求1所述的片
6.一种片上环圈结构设计方法，其特征在于，所述片上环圈结构为权利要求1～5任一项所述的片上环圈结构，所述片上环圈结构设计方法包括如下步骤：
7.一种硅光子陀螺光路结构，其特征在于，包括光引擎芯片、光敏感芯片，所述光引擎芯片包括光源、探测器以及Y型第一耦合器，所述第一耦合器的三个端口分别连接光源、探测器、光敏感芯片；
8.根据权利要求7所述的硅光子陀螺光路结构，其特征在于，还包括电极，所述电极通过金丝引线分别连接光源、探测器、相位调制器，用于给光源、探测器、相位调制器供电。
9.根据权利要求7所述的硅光子陀螺光路结构，其特征在于，所述起偏器为设置在LNOI薄膜上的非对称耦合结构模式起偏器，所述非对称耦合结构模式起偏器包括直线形传输波导和折线形耗散波导，折线形耗散波导包括三段依次连接的第一水平线段、第二垂直线段、第三水平线段，第一水平线段与第三水平线段平行、与第二垂直线段垂直，第一水平线段与直线形传输波导相邻平行设置，直线形传输波导临近第一水平线段的一端为输入端、另一端为输出端。
10.根据权利要求9所述的硅光子陀螺光路结构，其特征在于，所述起偏器采用二个或三个所述非对称耦合结构模式起偏器级联组成。
...【技术特征摘要】
1.一种片上环圈结构，其特征在于，包括两层光波导，上层光波导包括依次连接的第一端口、按照方形盘绕的上层方形环圈、上层连接段，下层光波导包括依次连接的下层连接段、按照方形盘绕的下层方形环圈、第二端口，所述上层连接段、下层连接段均为光波导宽度逐渐减小的锥形光波导结构，所述上层连接段、下层连接段的结构中心轴位于同一垂直面内、上下平行，所述上层连接段、下层连接段按照锥形减小方向相反设置，所述上层连接段部分区域位于下层连接段正上方；
2.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述上层方形环圈在所述下层方形环圈所属平面的投影与所述下层方形环圈除交叉位置不重叠。
3.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述模式引导区的弯曲半径不小于2mm；两层光波导的宽度为固定值，每一层光波导之间的间距在3-500nm，；所述光波导为sin波导，所述光波导宽度取值范围为1-5μm，深度取值范围为50-300nm。
4.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述第一端口、第二端口根据需要分别设置为输入、输出口。
5.根据权利要求1所述的片上环圈结构，其特征在于，所述上层连接段、下层连接段整体长度取值范围为20-50μm，其最窄处宽度取值范...
【专利技术属性】
技术研发人员：尚克军，雷明，李豪伟，张丽哲，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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