新型集成化光学陀螺技术

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1、2010年第3期导弹与航天运载技术No．32010总第307期MISSILESANDSI)ACEVEtllCI。ESSumNo．307文章编号：1004-7182(2010)03·0058-05新型集成化光学陀螺技术王卓伟(湖南科技职业学院机电工程与技术系，长沙，410004)摘要：介绍了新型集成化光学陀螺的概念和特点，总结了新型集成化光学陀螺的研究方案和研究进展，指出未来新型集成化光学陀螺可能的发展方向和发展前景。关键词：光学陀螺；集成光学转动传感器；微光机电系统陀螺中图分类号：U666．1文献标识码：ADevelopmentofIntegratedOpticalGyro

2、scopeWangZhuowei(ThedepartmentofMechanicalandElectricalEngineering，HunanVocationalCollegeofScienceandTechnology，Changsha,410004)Abstract：Theconceptandcharactersofthenewtypeofintegratedopticalgyroscopeageintroduced，thedevelopmentoftheseintegratedopticalgyroscopesisreviewed，includingtheirtyp

3、icalconfigurationsandresearchprogress．Theperspectiveanddevelopmentdirectionoftheintegratedopticalgyroscopeisestimated．KeyWords：Opticalgyroscope；Integratedopticsrotationsensor；MOEMSgyroscope0引言在惯性制导导弹、飞机导航、汽车GPS系统辅助导航、汽车自动驾驶以及一些工业应用中，需要使用小型、高可靠性、廉价的惯性测量组件。光学陀螺(光纤陀螺，激光陀螺)是一种利用Sagnac效应敏感旋转角或旋

4、转角速率的全固态惯性仪表，是在当代光通信和光电子集成等高新技术基础上发展起来的，受到了世界各国特别是军方的普遍关注，发展非常迅速，目前激光陀螺和光纤陀螺已经实现工程化和产品化。为了满足空间应用等领域对体积、质量、功耗等更加严格的要求，对新型的集成化光学陀螺的研究已成为必然趋势。集成化光学陀螺在本质上与光纤陀螺和激光陀螺相同，都是利用Sagnac效应来检测运动载体的转动角速度，它将光纤传感技术、集成光学技术、微机电系统(MEMS)技术、微光机电系统(MOEMS)技术有机地结合在一起。目前，研制新型的集成化光学陀螺有3个方案：第1种是仍采用光纤环作为敏感单元，但将光源、探测器、

5、耦合器等元器件集成为一个模块，借此来减小体积和降低成本，也就是光纤陀螺的进一步小型化；第2种富有挑战性的方案是采用集成在芯收稿H期：2010．03-01作者简介：王卓伟(1980-)，男。助教，主要研究方向为仪表自动化片上的环形波导来取代光纤陀螺的光纤环和由分立元件组成的环型激光谐振腔，环形波导成为陀螺的敏感单元，这可以称之为芯片上的陀螺，它有两种类型，一种是无源谐振式集成光学陀螺，另一种是有源半导体集成光学陀螺；第3种是目前还处于探索阶段的MOEMS陀螺。由于元器件部分或者全部可以集成，因而具有体积小、重量轻的特点。集成化光学陀螺仪大大减少了活动部件，它可以承受更大的冲击

6、力，能够抗更大的振动，具有高可靠性。同时，由于采用已经成熟的半导体平面工艺来制作其芯片，可以降低生产成本，利于批量生产，无论对于军用还是民用，都具有很大的应用价值。l国内外研究现状分析及采用的技术方案1．1光源、探测器模块化光纤陀螺进一步减小光纤陀螺的体积，降低制造成本一直是光纤陀螺制造商所追求的目标之一，将光源与探测器、集成光学调制器集成在一个模块内可以实现光纤陀螺的小型化和低成本。日本的Tokimec公司报道了他们研制的一体化模块样机。如图1所示川，通过一个块状的分束器取代了传统干涉式光纤陀螺的3dB耦合第3期工卓伟新型集成化光学陀螺技术59器，分束器的大小为3mm见方

7、；通过粘结在分束器两个侧面的半球透镜可以实现光从超发光二极管(SLD)到光波导的耦合：探测器直接接收从分束器反射的光，可以进行信号检测和光源功率监视。光源、分束器、探测器集成在一起，并和集成光学芯片相连接，就把除光纤线圈外的所有元器件集成在一个模块中，大大减小了光纤陀螺的体积，降低了封装成本。透镜SLD分束器(PBS)法拉第旋转器图l光源／探测器一体化模块集成光学回路的出端连接的是保偏光纤，可以用传统的方法，采用保偏光纤环构成一个保偏的光纤陀螺，也可以再通过一个消偏器与单模光纤环连接，构成一个消偏的光纤陀螺，进一步