[发明专利]集成硅光学机械陀螺仪（OMGS）

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及光学机械装置。更特定地，本发明的实施例涉及光学机械陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是测量运动角速率的装置，其对于许多应用是有用的，包括动态车辆控制、手势识别和导航等。基于陀螺仪的系统当前在许多领域中使用，包括航空导航、工业机器监视、汽车电子稳定性控制、手持装置，等。

陀螺仪性能的关键度量是灵敏度、带宽和稳定性（或偏差漂移）。最高性能目前可花费多达$1,000,000、频繁地基于光学器件并且展现低至几度/h或更好的漂移。在领域的另一端，消费级陀螺仪目前大约每轴花费$1、基于微机电系统（MEMS）技术并且经受大得多的漂移，例如在50-100度/h的范围内。

对于个人导航，具有单一度/h范围内的漂移同时维持灵敏度和带宽来涵盖既慢又快的角旋转的三轴陀螺仪是可取的。这在使用已知的静电MEMS陀螺仪时基本上是不能获得的。 

附图说明

本发明的实施例通过示例而非限制的方式在附图的图中图示，在图中类似的标号指示相似的元件。

图1a是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的顶视图。

图1b是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的侧视图。

图2a是MEMS释放之前硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。

图2b是MEMS释放之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。

图2c是晶圆级封装之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。

图3是用于利用光学机械陀螺仪的技术的一个实施例的流程图。

图4是电子系统的一个实施例的框图。

具体实施方式

在下列描述中，阐述许多具体细节。然而，本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，未详细示出众所周知的电路、结构和技术以便不混淆该描述的理解。

本文描述利用硅光子来实现具有高（例如，导航级）性能和相对低成本的光学机械陀螺仪（OMG）的陀螺仪的实施例。该OMG利用光学机械在相对低成本的硅光子平台中提供光学机械换能惯性传感器（其包括陀螺仪和加速计）。

在各种实施例中，硅光子OMG包括悬在中心点的环形谐振器（ring resonator）。在环中通过来自相邻波导（驱动通道）的渐逝耦合来激发光学谐振。通过以圆盘的机械谐振频率对光调幅，由于光学机械力（辐射压力或光学梯度力）而驱使圆盘振动。典型的机械谐振频率可在100kHz至10MHz的范围内。

一旦圆盘机械地振动，它的作用很像谐振MEMS传感器。振动模式与外部加速（在加速计的情况下）或旋转（或科式加速度，在陀螺仪的情况下）成比例地受到扰动。

图1a是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的顶视图。图1b是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的侧视图。图1a和1b的部件可在衬底100上制造。在一个实施例中，电阻加热器（未在图中图示）可添加到晶片（die）来维持装置的恒定温度以便有助于使机械和光学性质保持稳定。

驱动激光器115和感测激光器150可以是混合激光器或分立（外部）激光器。这些激光器可以是本领域内已知的任何类型的激光器。在一个实施例中，驱动激光器115和感测激光器150两者都可以光学机械圆盘140的机械谐振频率来调制发出的光。在另一个实施例中，可选的调制器120可用于将来自驱动激光器115的光调制到光学机械圆盘140的机械谐振频率。

驱动激光器115与驱动通道110光学耦合，该驱动通道110可包括波导。光电检测器130也与驱动通道110光学耦合来检测来自驱动激光器115的光。光电检测器130可以是例如集成混合光电二极管，或分立（外部）检测器。

感测激光器150与感测通道155光学耦合，该感测通道155可包括波导。光电检测器175也与感测通道155光学耦合来检测来自感测激光器150的光。光电检测器175可以是例如集成混合光电二极管，或分立（外部）检测器。

在图1a和1b的示例中，使用单独激光器和光电检测器。在备选实施例中，单个激光器和/或光电检测器可结合波导分离器使用来使光学信号分离和组合。在一个实施例中，激光器可使用驱动光电检测器而被反馈环锁定来维持一致的激光发射波长。

在一个实施例中，驱动电极125定位成通过渐逝耦合而在光学机械圆盘140中诱发光学谐振。当来自驱动激光器115的光以光学机械圆盘140的机械谐振频率被调制时，驱动电极125处驱动通道110与光学机械圆盘140之间的换能（transduction）促使光学机械圆盘140谐振。