CN102419176A - 基于柔性材料光波导的光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性材料光波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源（1），Y分支调制器（2），输入光纤（31），输出光纤（32），柔性材料光波导柱面（4），光探测器（5）；柔性材料光波导柱面（4）包括位于该柔性材料光波导柱面（4）内的柔性材料光波导（41）和柔性衬底（42），柔性材料光波导（41）包裹在柔性衬底（42）中；其中，光信号由光源（1）输出到Y分支调制器（2）。本发明提高了光学陀螺系统集成度和抗震性能，质量、体积大幅减小，简化了光学陀螺结构和制备工艺，工艺稳定性大幅提高，易于大批量生产，从而降低成本，实现低成本、小体积、高稳定性。

Description

基于柔性材料光波导的光学陀螺

技术领域

本发明提出一种利用柔性材料光波导弯曲连接成长波导的光学陀螺，特别涉及设计并制备超长柔性材料光波导，代替传统光纤陀螺，有效减小陀螺体积和重量，应用于光学陀螺领域。

背景技术

光学陀螺作为新型陀螺仪，利用闭合光波导环路中的萨格奈克效应来测量旋转体的转动角速度。光学陀螺具有明显的性能优势、结构灵活性和巨大的前景，引起了世界上许多国家的大学和科研机构的普遍重视。目前的光学陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺、集成光波导陀螺。在激光陀螺中，光信号在自由空间中传输，稳定性较差，所以目前的高精度光学陀螺主要以光纤陀螺为主。光纤陀螺是以光纤为信号载体，利用闭合光纤环路中的萨格奈克效应测量旋转体的转动角速度。但是，要想的到较高的陀螺精度，光纤长度必须足够长，一般需要几公里，光纤环体积和重量大，成本高。因此，光纤陀螺难以做到小型化，集成化。随着光学陀螺需求的领域和数量不断增大，对光学陀螺提出了小型化、集成化、成本低和稳定性高的要求。集成光波导陀螺虽能实现一定程度的集成化，但仍无法取代光纤陀螺，其主要原因是平面光波导集成工艺无法制备超长光波导谐振腔，且平面光波导工艺加工的光波导损耗远高于光纤。因此目前的集成光波导陀螺面临技术瓶颈，无法实现高精度。

近年来，随着聚合物材料和光波导制备工艺的发展，柔性集成光学器件技术得到了人们的关注。柔性集成光学器件是以柔性聚合物材料作为基底，在其表面制备光波导结构，形成具有较强柔韧性、可以弯曲的集成光器件。与传统的硅衬底和玻璃衬底相比，在柔性衬底上制备的集成光器件具有抗震，防撞击，可以按任意形状弯曲的特点。柔性集成光学器件在光通信、光学传感领域有着巨大的发展前景。但目前的柔性集成光器件均采用传统的平面光波导制备技术加工，仍然具有传统平面集成光学器件的局限性，如无法制备多圈的超长波导、弯曲损耗大等。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于柔性材料光波导的光学陀螺，利用柔性材料光波导的可塑性，制备出超长的低损耗柔性光波导线圈取代传统光纤线圈，应用到光学陀螺领域，与已有集成光波导陀螺技术相比，技术上有重大突破，大幅提高了陀螺灵敏度，具有低成本、低损耗、体积小、重量轻、高精度、工艺简单等优点。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于柔性材料光波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源，Y分支调制器，输入光纤，输出光纤，柔性材料光波导柱面，光探测器；

柔性材料光波导柱面包括位于该柔性材料光波导柱面内的柔性材料光波导和柔性衬底，柔性材料光波导包裹在柔性衬底中；其中，

光信号由光源输出到Y分支调制器，调制后经输入光纤输入到柔性材料光波导柱面，光在柔性材料光波导中干涉后经输出光纤传输到光探测器，且被光探测器探测出旋转角速度。

优选的，Y分支调制器包括Y分支光波导和调制器电极；调制器电极在Y分支光波导两分支两侧。

优选的，柔性材料光波的横截面由下至上依次为下包层、芯层、上包层，各层均为有机聚合物，厚度为微米量级。

有益效果：1、本发明所提出的柔性材料光波导陀螺，利用柔性材料的可弯曲特性，设计新型干涉式光波导陀螺结构，比光纤陀螺体积小，重量轻。对于光纤陀螺而言，要达到高精度，光纤线圈要长达数公里，所有光纤环绕成线圈后体积较大，质量有数公斤，本发明所述的柔性超长光波导线圈可在几个立方厘米内实现，质量基本可忽略不计，极大的提高了陀螺的集成度。

2、目前，集成光学陀螺技术瓶颈主要在于利用传统平面集成光波导加工方法无法制备出超长低损耗光波导线圈。本发明所提出的柔性材料光波导陀螺，可以通过调整芯包层材料折射率，得到较低的弯曲损耗，并且波导弯曲面不需要刻蚀，弯曲损耗远小于传统平面加工工艺制备的弯曲波导，可实现与光纤陀螺相比拟的高精度光陀螺。

3、集成光学陀螺的另一主要技术瓶颈主要在于利用传统平面集成光波导加工方法无法制备出多圈的光波导，因此精度不高，即使利用现有的平面加工方法制备出S形长波导，但由于其围绕的面积很小，仍然无法实现中、高精度陀螺。本发明所提出的柔性材料光波导陀螺，波导环具有面积大、交叉损耗小的优点。传统陀螺波导环绕行方式决定其环绕面积小且叠加总面积不易计算，并且具有交叉损耗。本发明则解决这一难题，波导环叠加围绕面积大，易于计算，且不存在交叉损耗。

4、本发明所提出的柔性材料光波导陀螺，简化了制备工艺并降低成本，提高光学系统集成度，并且具有很好的抗震、抗干扰性能，可以广泛应用于军事领域。

附图说明

图1是基于柔性材料光波导的光学陀螺结构示意图。

图2是基于柔性材料光波导展开平面示意图。

图3是基于柔性材料光波导横截面示意图。

以上的图中有：光源1，Y分支调制器2，Y分支光波导21，调制器电极22，输入光纤31，输出光纤32，柔性材料光波导柱面4，柔性材料光波导41，柔性衬底42，下包层43，芯层44，上包层45，光探测器5。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明的基于柔性材料光波导的光学陀螺是这样实现的，利用柔性聚合物材料制备出柔性材料光波导，波导都具有相同宽度和间距，将光波导卷曲，波导端面首尾对接固定，从而所有波导连接成一条超长光波导。将此光波导取代光纤接入光学陀螺系统，即可形成基于柔性材料光波导的光学陀螺。

参见图1－3，本发明提供的基于柔性材料光波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源1，Y分支调制器2，输入光纤31，输出光纤32，柔性材料光波导柱面4，光探测器5；

柔性材料光波导柱面4包括位于该柔性材料光波导柱面4内的柔性材料光波导41和柔性衬底42，柔性材料光波导41包裹在柔性衬底42中；其中，

光信号由光源1输出到Y分支调制器2，调制后经输入光纤31输入到柔性材料光波导柱面4，光在柔性材料光波导41中干涉后经输出光纤32传输到光探测器5，且被光探测器5探测出旋转角速度。

Y分支调制器2包括Y分支光波导21和调制器电极22；调制器电极22在Y分支光波导21两分支两侧。

柔性材料光波41的横截面由下至上依次为下包层43、芯层44、上包层45，各层均为有机聚合物，厚度为微米量级。

本发明所提出基于柔性材料光波导的光学陀螺结构如图1所示。构成光信号的通道包括： 光源1，Y分支光调制器2，输入光纤31，柔性材料光波导41，输出光纤32，光探测器5。

通过甩膜工艺在衬底上制备出下包层43，再甩芯层材料，通过光刻技术得出芯层44，最后甩上包层45。利用剥离技术将下包层与衬底分离，得到柔性材料光波导平面。再将柔性材料光波导平面卷曲成柱面，将光波导端面首尾对接，A连接a，B连接b，C连接c,……，由于波导宽度相同，波导间距也相同，因此，所有波导连接成一条螺旋式超长光波导。

将此柔性材料光波导取代光纤接入陀螺中，即形成干涉式光波导陀螺。由于光波导宽度和间距均为微米量级，所以在较小体积内就能形成螺旋式超长光波导，比光纤陀螺体积小，重量轻。并且可以通过调整芯包层材料折射率，可以得到较低的弯曲损耗，从而在传输损耗上可以与光纤陀螺媲美。波导环叠加围绕面积大，易于计算，且不存在交叉损耗。该陀螺系统精简了制备工艺并降低成本，提高光学系统集成度，并且具有很好的抗震性能，可以广泛应用于军事领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1. 一种基于柔性材料光波导的光学陀螺，其特征在于：该光学陀螺包括光源（1），Y分支调制器（2），输入光纤（31），输出光纤（32），柔性材料光波导柱面（4），光探测器（5）；

柔性材料光波导柱面（4）包括位于该柔性材料光波导柱面（4）内的柔性材料光波导（41）和柔性衬底（42），柔性材料光波导（41）包裹在柔性衬底（42）中；其中，

光信号由光源（1）输出到Y分支调制器（2），调制后经输入光纤（31）输入到柔性材料光波导柱面（4），光在柔性材料光波导（41）中干涉后经输出光纤（32）传输到光探测器（5），且被光探测器（5）探测出旋转角速度。

2. 据权利要求1所述的基于柔性材料的光波导光学陀螺，其特征在于，Y分支调制器（2）包括Y分支光波导（21）和调制器电极（22）；调制器电极（22）在Y分支光波导（21）两分支两侧。

3. 据权利要求1所述的基于柔性材料的光波导光学陀螺，其特征在于，柔性材料光波（41）的横截面由下至上依次为下包层（43）、芯层（44）、上包层（45），各层均为有机聚合物，厚度为微米量级。

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