基于光电融合的芯片化光学陀螺的制作方法

本发明涉及光纤陀螺，尤其涉及一种基于光电融合的芯片化光学陀螺。

背景技术：

1、光纤陀螺是一种基于萨格奈克（sagnac）效应的敏感载体角速度的传感器，具有无运动部件、启动时间快和精度覆盖范围广等优点，在航空、航天、航海和陆地精密导航、武器精密制导及自动控制等领域得到了广泛关注和应用。为了更好地满足惯性导航系统小型化、低成本的发展需求，下一代光纤陀螺迫切需要向小型化发展。光路体积占据光纤陀螺体积的70%以上，是实现小型化面临的首要挑战，迫切需要探索光路小型化的技术方案。

2、传统光纤陀螺由光路（1个光源、1个探测器、1个耦合器、1个多功能调制器、1个光纤环圈）、电路、结构组成。光路各光学器件均带有独立封装，导致陀螺体积、成本难以下降。光纤环圈是光纤陀螺的核心敏感组件，体积与精度高度相关。因此，光源、探测器、耦合器、多功能调制器是光路小型化的首要对象。电路由诸多分立电子元器件组成，规格不同导致电路难以小型化。结构根据使用需求以及陀螺内部具体布局进行设计。经过前段时间攻关，光纤陀螺已实现光路的集成化及部分集成化，相较于传统分立光学器件，集成光学器件体积大幅缩减。如何在保证陀螺功能和性能完整性的前提下，进一步缩减陀螺体积成为现阶段陀螺小型化面临的挑战。由分立电子元器件组成的电路在集成光路的陀螺中占据了不可忽视的体积比，实现陀螺电路的小型化，以及进一步的光路电路相融合将会实现光纤陀螺的极的体积与性能表现。通过前期研究，光纤陀螺已实现部分集成，但仍存在以下问题：

3、1.体积和重量较大：传统设计中，光学器件和电路分立，导致陀螺体积过大，难以实现小型化应用。

4、2.集成度低：光学组件需通过光纤或波导单独组装，电子电路置于外部电路板上，增加了接口复杂度和信号传输损耗。

5、3.功耗和可靠性：分立设计导致多路信号传输，增加功耗，且接口易受环境干扰，降低系统可靠性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于光电融合的芯片化光学陀螺，能够解决现有陀螺集成度欠缺的技术问题。

2、本发明提供了一种基于光电融合的芯片化光学陀螺，包括集成光学芯片、集成电路芯片和封装结构；

3、所述集成光学芯片包括光源、分束器、起偏器、相位调制器、片上光波导环圈、探测器、热敏电阻、制冷器、跨阻放大器；所述光源基于光源驱动信号发出光束至所述分束器进行分束，分束后的光束进入所述起偏器进行起偏，起偏后的光束进入所述相位调制器，所述相位调制器基于第一模拟电压信号对起偏后的光束进行相位调制，得到调制后的光束，调制后的光束经过所述片上光波导环圈后返回所述相位调制器，所述相位调制器基于第一模拟电压信号对返回后的光束进行相位调制，二次调制后的光束进入所述起偏器进行起偏，二次起偏后的光束进入所述分束器进行分束，二次分束后的光束进入所述探测器进行光电转换，得到电流信号；电流信号进入所述跨阻放大器进行转换及滤波放大，得到第二模拟电压信号；所述热敏电阻用于敏感所述光源的模拟温度信号；所述制冷器用于基于温度控制信号进行温度调控；

4、所述集成电路芯片包括模拟前端芯片和中央处理芯片；

5、所述模拟前端芯片包括光源驱动模块、第一adc模块、第二adc模块、制冷器控制模块、dac模块；所述光源驱动模块用于基于驱动控制信号得到光源驱动信号并驱动所述光源；所述第一adc模块用于将模拟温度信号转换为数字温度信号，并输出至所述mcu；所述第二adc模块用于将第二模拟电压信号转换为数字电压信号，并输出至所述fpga；所述dac模块用于将数字阶梯波信号转换为第一模拟电压信号，并输出至所述相位调制器；所述制冷器控制模块用于基于数字温度信号得到温度控制信号，并输出至所述制冷器；

6、所述中央处理芯片包括接口模块、mcu、电源管理及时钟模块、fpga；所述电源管理及时钟模块用于生成时钟信号，并输出至所述fpga和所述mcu；所述fpga用于以时钟信号为基准，生成驱动控制信号并输出至所述mcu；对数字电压信号进行解调和积分滤波，得到反馈相位值，基于反馈相位值生成数字阶梯波信号并输出至所述mcu和所述dac模块；所述mcu用于以时钟信号为基准，基于数字温度信号、数字阶梯波信号、驱动控制信号进行滤波补偿，得到补偿后的信号，并通过所述接口模块与外部通信；将驱动控制信号输出至所述光源驱动模块；将数字温度信号输出至所述制冷器控制模块；

7、所述封装结构包括由上至下依次设置的微凸点单元、中介层、c4凸点单元、基底；所述微凸点单元包括若干微凸点；所述c4凸点单元包括若干c4凸点；所述中央处理芯片、所述模拟前端芯片和所述集成光学芯片由上至下依次设置；所述微凸点单元、所述中介层设置于所述中央处理芯片和所述模拟前端芯片之间；所述中央处理芯片和所述模拟前端芯片通过若干所述微凸点、所述中介层实现电信号连通；所述c4凸点单元设置于所述模拟前端芯片和所述集成光学芯片之间；所述模拟前端芯片和所述集成光学芯片通过若干所述c4凸点实现电信号连通；所述基底设置于所述集成光学芯片的下侧。

8、优选的，所述集成光学芯片基材为si、lnoi、sixny、sio2。

9、优选的，所述光源采用超辐射发光二极管，中心波长为850nm、1310nm或1550nm。

10、优选的，所述探测器和所述跨阻放大器采用pin-fet组件或pin-tia组件。

11、应用本发明的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

12、（1）本发明所述的光电融合光纤陀螺在集成光路的基础上，进一步将电路功能集成，大幅简化了陀螺构成，（芯片化：陀螺的一体化集成）缩减了陀螺整体体积，拓展陀螺的应用范围；

13、（2）本发明的光电融合器件具有高度小型化的优点，相比于集成光学器件，该器件可实现陀螺光学功能和电学功能集成于一体，体积缩减至1/5以下；

14、（3）本发明的光电融合光纤陀螺具有低功耗的优点，大幅缩减了接口损耗，功耗降低至1/2；

15、（4）本发明的光电融合光纤陀螺具有低成本优点，成本有望降至1/4；

16、（5）本发明的光电融合器件直接与片上光波导环圈连接，陀螺整体结构仅由两个器件组成，大幅简化了陀螺结构，缩减了器件数目，提高了装配一致性；

17、（6）本发明的光电融合光纤陀螺装配快捷、成品率高的优点。

1.一种基于光电融合的芯片化光学陀螺，其特征在于，包括集成光学芯片、集成电路芯片和封装结构；

2.根据权利要求1所述的芯片化光学陀螺，其特征在于，所述集成光学芯片基材为si、lnoi、sixny、sio2。

3.根据权利要求1或2所述的芯片化光学陀螺，其特征在于，所述光源采用超辐射发光二极管，中心波长为850nm、1310nm或1550nm。

4.根据权利要求1-3中任一所述的芯片化光学陀螺，其特征在于，所述探测器和所述跨阻放大器采用pin-fet组件或pin-tia组件。