[发明专利]基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪

说明书

本发明公开了一种基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪，属于光纤陀螺仪技术领域，包括光路部分和电路部分；光路部分包括集成光路和光纤线圈，集成光路基于LNOI平台并且结合对铌酸锂单晶薄膜材料刻蚀形成的铌酸锂波导，实现对光源、耦合器、相位调制器及探测器的集成和封装；光源是基于量子阱的SLD光源，耦合器采用Y分支波导，相位调制器是铌酸锂Y波导相位调制器，探测器采用InGaAs光电探测器；SLD光源和InGaAs光电探测器都键合在LNOI平台上；集成光路引入和导出电连接引线后，采用引线键合工艺完成封装；铌酸锂Y波导相位调制器通过尾纤与光纤线圈熔接。本发明基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪具有小型化、轻量化、高可靠性和易于批量生产的优点。

技术领域

本发明涉及光纤陀螺仪技术领域，具体涉及一种基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪是一种基于光学Sagnac效应的全固态惯性器件，具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出等优点，广泛应用于航空、航天、航海、武器系统、深空探测和其它各种高精度定位导航兵器等军事领域，在民用领域也得到大量应用。传统光纤陀螺仪的光路部分通常采用分立光学器件，包括光源、耦合器、Y波导、光纤线圈和探测器，将每个分立光学器件的尾纤用光纤熔接机熔接后整齐盘装在结构件中；光纤陀螺仪的电路部分主要包括信号检测电路和驱动控制电路，信号检测电路主要实现光纤陀螺仪的信号处理与闭环控制、调制信号发生及数据通信等功能；驱动控制电路通过对光源工作电流和温度的控制实现稳定的光功率和波长输出，为整个光路提供稳定的光信号来源。以导航级精度（0.01º/h）的光纤陀螺仪为例，其典型的外形尺寸一般达到Φ70-Φ90mm；传统光纤陀螺仪存在尺寸大、重量大、成本高、装调复杂和维修性差的缺点，难以满足各类轻小型高精度惯性导航系统的应用需求。

铌酸锂晶体是一种具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，其中电光效应、非线性光学效应性能突出，被广泛应用于集成光学领域。近年来，通过离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂单晶薄膜（lithium niobate on insulator，LNOI）材料已经实现了商品化，给铌酸锂光学器件甚至整个集成光子学和光信息网络行业带来了前所未有的机遇，其天然的多功能光学性能正不断激发着多功能集成光子芯片的前沿技术革新，基于LNOI平台的集成光子器件兼具铌酸锂材料的优异特性与薄膜材料的集成化和小型化优势，具有巨大的发展潜力。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪，旨在通过设计基于LNOI平台的集成光路，解决传统光纤陀螺仪存在的尺寸大、重量大、成本高、装调复杂和维修性差的缺点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于LNOI平台的集成光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分；所述光路部分包括集成光路和光纤线圈，所述集成光路基于LNOI平台并且结合对铌酸锂单晶薄膜材料刻蚀形成的铌酸锂波导，实现对光源、耦合器、相位调制器及探测器的集成和封装；

所述光源是基于量子阱的SLD光源；所述耦合器采用Y分支波导，所述Y分支波导是在铌酸锂单晶薄膜材料上沉积氮化硅薄膜，氮化硅薄膜经过刻蚀形成的氮化硅波导，该Y分支波导设有第一输入端、第二输入端和输出端；所述相位调制器是铌酸锂Y波导相位调制器，所述铌酸锂Y波导相位调制器设有输入端、第一输出端和第二输出端；所述探测器采用InGaAs光电探测器；所述光源和探测器都键合在LNOI平台上；

所述SLD光源通过锥形波导与Y分支波导的第一输入端耦合；所述Y分支波导的第二输入端与铌酸锂波导对接耦合，所述InGaAs光电探测器采用被动对准铌酸锂波导的方式，利用倏逝波原理通过键合层将光直接耦合至InGaAs光电探测器吸收层中；

所述Y分支波导的输出端和铌酸锂Y波导相位调制器的输入端经过端面抛光及对准后对接耦合；所述集成光路引入和导出电连接引线后，采用引线键合工艺完成封装；所述铌酸锂Y波导相位调制器的第一输出端、第二输出端均通过尾纤与光纤线圈熔接。