CN120212997A 一种封装集成的光纤陀螺仪结构及其制造方法

(19)国家知识产权局地址410083湖南省长沙市岳麓区麓山南所(普通合伙)43266一种封装集成的光纤陀螺仪结构及其制造方法开了一种封装集成的光纤陀螺仪结构及其制造方法，包括基板和设置在基板上的光耦合芯片、光探测芯片和实现光纤陀螺仪正常工作的电路芯片包括传输波导、与光调制芯片连接的第一3dB耦合器和与激光功能镜组连接的第二3dB耦44516293721.一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，包括基板和设置在基板上的光耦合芯片、光调制芯片、与光调制芯片连接的光纤环、与光耦合芯片连接的用于发出激光的激光功能镜组、光探测芯片和实现光纤陀螺仪正常工作的电路处理模块；光耦合芯片采用直臂调制器，光耦合芯片包括传输波导、与光调制芯片连接的第一3dB耦合器和与激光功能镜组连接的第二3dB耦合器；光调制芯片包括上光通道、下光通道、上光通道电极组和下光通道电极组，上光通道和上光通道电极组组合，下光通道和下光通道电极组组合。2.根据权利要求1所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述电路处理模块为光纤陀螺仪的电路处理部分，电路处理模块包括驱动、数字逻辑处理模块、数字输出模块和信号输出端口，信号输出端口将电路处理模块与光纤陀螺仪信号连接。3.根据权利要求2所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述第一3dB耦合器具备第一输出端口a和第一输出端口b,所述第二3dB耦合器具备第二输出端口和第二输入端口，第一输出端口a和第一输出端口b与光调制芯片的输入端口连接，第二输出端口与光探测芯片连接，第二输入端口与激光功能镜组连接。4.根据权利要求3所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述第二输出端口连接有第四3dB耦合器，所述第四3dB耦合器具备第二3dB耦合器中的第二输出端口并新增第三输出端口，第三输出端口和第二输出端口均与光探测芯片连接。5.根据权利要求3或者4所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述光调制芯片的材料为铌酸锂，所述光纤环的两个端口分别为第一端口和第二端口，第一端口与光调制芯片中的上光通道连接，第二端口与光调制芯片中的下光通道连接。6.根据权利要求5所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，还包括第三3dB耦合器和与第三3dB耦合器连接的用于对上光通道和下光通道的相位监控的光探测器，在光调制芯片中的上光通道和下光通道上设置有下行分光器，下行分光器与第三3dB耦合器连接，光探测器与电路处理模块连接。7.根据权利要求6所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述激光功能镜组包括激光芯片、第一聚焦准直透镜组、第二聚焦准直透镜组、光隔离器、背光探测芯片和板座，第二聚焦准直透镜组把激光芯片发出的光调整为平行光，平行光通过光隔离器后再通过第一聚焦准直透镜组耦合至第二输入端口。8.根据权利要求7所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，其特征在于，所述激光芯片和背光探测芯片通过AuSn焊料键合在板座上，所述激光功能镜组和光探测芯片通过AuSn焊料键合在基板上。9.一种封装集成的光纤陀螺仪结构的制造方法，用于制造如权利要求8所述的一种封步骤S01:准备基板，将激光功能镜组、光耦合芯片、光调制芯片和光探测芯片组装在同一基板上；步骤SO2:将板座固定在基底上，将激光芯片、第一聚焦准直透镜组、第二聚焦准直透镜组、光隔离器和背光探测芯片组装在板座上；步骤S03:步骤S01和步骤S02完毕后，将上述所有零件封装并集成化，并与光纤环耦合3技术领域[0001]本申请涉及惯性测量器件技术领域，具体公开了一种封装集成的光纤陀螺仪结构及其制造方法。背景技术[0002]光纤陀螺仪(FiberOpticGyroscope,简称FOG)是一种基于光学原理的惯性传感器，用于测量和检测物体的旋转，光纤陀螺仪利用Sagnac效应来测量物体的旋转角速度。当光束在旋转的物体上行进时，会遵循Sagnac效应，即光束在闭合路径中传播时，如果该路径发生旋转，光束会在两个方向上分别传播，形成一个相位差。这个相位差与物体的旋转角速度成正比，光纤陀螺仪通常使用光纤环路来实现测量旋转角速度。光源发出的光束被分成两部分，分别沿着顺时针和逆时针方向传播，最终再次汇合并形成干涉图样。当光纤环路发生旋转时，由于Sagnac效应，两个光束的光程差会发生变化，导致干涉图样发生移动。通过检测干涉图样的移动情况，可以测量出光纤环路的旋转角速度。[0003]光纤陀螺仪广泛用于航空航天、舰船、导弹等领域的惯性导航，具有体积小、重量轻、检测精度高等优点，其原理如本申请的说明书附图1所示，光源(通常为超辐射发光二极管，SLD)输出的光信号经过Y分支调制器时，被分成等振幅且相位非互易的两束光信号，进入光纤线圈后分别沿顺时针方向和逆时针方向传输，在整个光纤线圈中传输一圈后回到Y分支调制器合束形成干涉，最后干涉后的光信号经过光耦合器C1进入探测器，通过探测器得到的干涉信号强度即可感知萨格纳克(Sagnac)相移，进而得到光纤线圈的转动速度。[0004]随着光纤陀螺仪的应用范围不断扩宽，对其小型化、高精度要求越来越高。光纤陀螺仪的小型化，主要是利用集成电路工艺和先进封装工艺相结合，将部分功能集成在同一衬底材料上或封装基板上，构成集成光学模块，以减小光纤陀螺仪的结构尺寸；高精度则是通过在集成光学模块中采用再入式结构、数字闭环、偏振等方式来提高。[0005]基于本申请的说明书附图1原理的干涉型光纤陀螺仪，基于其技术方案申请的发明专利和实用新型专利较多，实施方案主要有两大类，即分立元器件型和集成元器件型。分立元器件型光纤陀螺仪中的光耦合器可以是光纤型的，也可以是采用平面光波导回路工艺制造的集成光波导芯片；Y分支调制器是采用质子交换等平面光波导回路工艺制造而成，然后通过光纤将各组件进行互连，以构成光纤陀螺仪。[0006]如中国发明专利公告号为CN116026309B的一种共形式光纤陀螺设备及其制造方法，其提出将光纤陀螺仪本体五大光学器件与线路板离散分布在载体的各零碎空间位置。[0007]如中国发明专利公告号为CN115839711B的一种光纤陀螺仪，其在本申请的说明书附图1的原理图上增加了第二探测器，将Y分支调制器改为2×2的调制器，各元件之间通过光纤互连。[0008]如中国发明专利公告号为CN113804177B的一种超高精度的光纤陀螺仪结构，其采用安装底座和安装上盖以及安装法兰和外罩形成双层磁屏蔽设计，各元件之间通过光纤互连。光纤陀螺仪的各个组件采用光纤互连，其结构可随需布置，较为灵活，但增加了光连节4[0009]集成元器件型光纤陀螺仪，包括混合集成和封装集成，优点是体积小、结构紧凑、重量轻。混合集成是指将不同材料制造的元件芯片、组件直接或通过透镜耦合并封装在同一基板上，如中国发明专利公告号为CN106092080B的PLC芯片和铌酸锂调制器混合集成光学器件，其将基于输入光源用的保偏单芯光纤、基于平面光波导回路工艺(PLC)的Y型分光器芯片、铌酸锂调制器芯片、基于PLC的谐振环芯片和PIN光电探测器混合集成在U型板上；如中国发明专利申请公布号为CN114829876A的用于集成光子光学陀螺仪的系统架构，其将所有元件采用集成光子工艺制造在同一衬底材料上，如硅材料衬底。由于材料自身的限制，光纤陀螺仪的各光学元件很难在同一衬底材料上实现集成制造，通常是最大化各材料的优势，如采用Ⅲ-V族的磷化铟InP材料制造光源、探测器，用铌酸锂材料制造调制器，用二氧化硅、氮化硅或硅材料制造耦合器和互连光波导。且混合集成制造工艺相对较复杂，成本较[0010]封装集成是指将部分元件或全部元件通过透镜等空间光学元件组合装配在一起构成一个组件，如中国发明专利申请公布号为CN116203682A的一种小型化光收发器件及其制作方法，其提供了一种光纤陀螺仪用的光收发模块，将光源芯片、透镜、光耦合芯片和光探测芯片通过封装集成在一起构成光收发模块，然后与Y分支调制器、光纤线圈互连。同时还提出了将耦合器芯片的输入输出光路布置在同一侧，或不同侧；探测器采用单探测器，或双探测器。[0011]基于封装集成技术的光纤陀螺仪优势明显，是目前光纤陀螺仪发展的主要技术，但已有封装集成型光纤陀螺仪实施方案不能兼顾小型化和高精度，本发明提供了一种小型化、高精度的基于集成光学模块的光纤陀螺仪结构及制造方法。发明内容[0012]本发明的目的在于提供一种封装集成的光纤陀螺仪结构及其制造方法，通过模块化的设计与组装，降低了制造难度，提高了生产效率，实现了光纤陀螺仪的小型化和高精[0013]为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：一种封装集成的光纤陀螺仪结构，包括基板和设置在基板上的光耦合芯片、光调制芯片、与光调制芯片连接的光纤环、与光耦合芯片连接的用于发出激光的激光功能镜组、光探测芯片和实现光纤陀螺仪正常工作的电路处理模块；光耦合芯片采用直臂调制器，光耦合芯片包括传输波导、与光调制芯片连接的第—3dB耦合器和与激光功能镜组连接的第二3dB耦合器；光调制芯片包括上光通道、下光通道、上光通道电极组和下光通道电极组，上光通道和上光通道电极组组合，下光通道和下光通道电极组组合。[0014]进一步，所述电路处理模块为光纤陀螺仪的电路处理部分，电路处理模块包括驱动、数字逻辑处理模块、数字输出模块和信号输出端口，信号输出端口将电路处理模块与光纤陀螺仪信号连接。[0015]进一步，所述第一3dB耦合器具备第一输出端口a和第一输出端口b,所述第二3dB耦合器具备第二输出端口和第二输入端口，第一输出端口a和第一输出端口b与光调制芯片5的输入端口连接，第二输出端口与光探测芯片连接，第二输入端口与激光功能镜组连接。[0016]进一步，所述第二输出端口连接有第四3dB耦合器，所述第四3dB耦合器具备第二3dB耦合器中的第二输出端口并新增第三输出端口，第三输出端口和第二输出端口均与光探测芯片连接。[0017]进一步，所述光调制芯片的材料为铌酸锂，光纤环的两个端口分别为第一端口和第二端口，第一端口与光调制芯片中的上光通道连接，第二端口与光调制芯片中的下光通道连接。[0018]进一步，还包括第三3dB耦合器和与第三3dB耦合器连接的用于对上光通道和下光通道的相位监控的光探测器，在光调制芯片中的上光通道和下光通道上设置有下行分光器，下行分光器与第三3dB耦合器连接，光探测器与电路处理模块连接。[0019]进一步，所述激光功能镜组包括激光芯片、第一聚焦准直透镜组、第二聚焦准直透镜组、光隔离器、背光探测芯片和板座，第二聚焦准直透镜组把激光芯片发出的光调整为平行光，平行光通过光隔离器后再通过第一聚焦准直透镜组耦合至第二输入端口。[0020]进一步，所述激光芯片和背光探测芯片通过AuSn焊料键合在板座上，所述激光功能镜组和光探测芯片通过AuSn焊料键合在基板上。[0021]本申请的基础方案还提供了一种封装集成的光纤陀螺仪结构的制造方法，用于制造如上述所述的一种封装集成的光纤陀螺仪结构，包括以下步骤：步骤S01:准备基板，将激光功能镜组、光耦合芯片、光调制芯片和光探测芯片组装在同一基板11上；步骤S02:将板座固定在基底上，将激光芯片、第一聚焦准直透镜组、第二聚焦准直透镜组、光隔离器和背光探测芯片组装在板座上；步骤SO3:步骤S01和步骤SO2完毕后，将上述所有零件封装并集成化，并与光纤环耦合互连，通过模块化的设计进行组装，获得[0022]本方案的原理及效果在于：1、与现有技术相比，本发明的目的在于提供一种封装集成的光纤陀螺仪结构，综合考虑材料特性和制造工艺，优选集成方案以实现最佳光学性能和机械性能，同时保证了小型化和高精度。本发明的光纤陀螺仪结构包括激光芯片、激光功能镜组、光耦合芯片、光调制芯片和光探测芯片，具有集成度、体积小、成本低的特点，减小了光纤陀螺仪的结构尺寸以及降低了制造难度。[0023]2、与现有技术相比，本发明在光调制芯片上增加监控用耦合结构进行相位监控，光耦合芯片输出端采用共地的双光探测器，提高了光纤陀螺仪的检测精度。[0024]3、与现有技术相比，本发明的目的在于提供一种封装集成的光纤陀螺仪结构的制造方法，激光功能镜组、光耦合芯片、光调制芯片和光探测芯片组装在同一基板上，封装于模块中，并于光纤环耦合互连，通过模块化的设计与组装，降低了制造难度，提高了生产效附图说明[0025]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于6本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附[0026]图1示出了现有技术中的光纤陀螺仪的示意图；图2示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构的结构示意图；图3示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中光耦合芯片的结构示意图；图4示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中光调制芯片的结构示意图；图5示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中激光功能镜组的结构示意图；图6示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中信号输出端口的位置示意图；图7示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中双的光探测芯片的布局结构示意图；图8示出了本申请实施例提出的一种封装集成的光纤陀螺仪结构中相位监控的结构以及原理示意图。具体实施方式[0027]为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合口221、第二输出端口222、第四3dB耦合器223、第三输出端口224、光调制芯片3、上光通道端口41、第二端口42、电路处理模块5、激光功能镜组6、第一聚焦准直透镜组61、光隔离器[0029]实施例如图2-图8所示：一种封装集成的光纤陀螺仪结构，如图2-图5所示，光纤陀螺仪1由热稳定性好的基板11、光耦合芯片2、光调制芯片3、光纤环4、激光功能镜组6和光探理模块5是光纤陀螺仪1的电路处理部分，基板11要求热稳定性好的材料，具体到铟瓦合金或者钨铜材料，光耦合芯片2和光调制芯片3通过固化收缩小且热稳定性好的光学胶粘接在基板11上，如图5所示，激光功能镜组6和光探测芯片7通过AuSn焊料键合在基板11上，AuSn焊料能在多种基板11上实现良好的焊接，有助于维持器件的电性能和散热性能，如图4所示，光纤环4的两个端口分别为第一端口41和第二端口42,第一端口41和第二端口42分别与光调制芯片3的两个输出端口通过固化收缩小且热稳定性好的光学胶粘接在一起，有利于后续的将Y分支前移到光耦合芯片2上，减小光纤陀螺仪1的整体光传输损耗。[0030]如图3所示，光耦合芯片2由传输波导23、第一3dB耦合器21和第二3dB耦合器22组成，为保证光耦合芯片2尺寸较小且芯包层折射率差不少于1.5%,光耦合芯片2的材料是掺7杂二氧化锗的二氧化硅或者氮氧化硅等低传输损耗材料。光耦合芯片2中的第一3dB耦合器21的输出端口分别为第一输出端口a211和第二输出端口b212,第一输出端口a211和第二输出端口b212分别与光调制芯片3的输入端口通过固化收缩小且热稳定性好的光学胶粘接在[0031]第二3dB耦合器22具备第二输出端口222和第二输入端口221,光耦合芯片2的第二3dB耦合器22的第二输入端口221与激光功能镜组6通过以空间光学形式进行耦合。光耦合芯片2的第二3dB耦合器22的第二输出端口222与光探测芯片7通过以空间光学形式进行耦合。[0032]如图4所示，光调制芯片3由上光通道31、下光通道32、上光通道电极组33和下光通道电极组34组成，上光通道31和上光通道电极组33组合，下光通道32和下光通道电极组34组合，如图4所示，将常用的Y分支调制器改为直臂调制器，直臂调制器减小了Y分支所引起的传输损耗。制作光调制芯片3的材料是铌酸锂材料，通过质子交换工艺可实现较高的调制效率，但其光传输损耗较大，因此，本发明将Y分支前移到光耦合芯片2上，减小光纤陀螺仪1的整体光传输损耗。[0033]如图4所示，光纤环4的两个端口分别为第一端口41和第二端口42,光纤环4由保偏光纤绕环形成，第一端口41和第二端口42与光调制芯片3中的上光通道31和下光通道32通过固化收缩小且热稳定性好的光学胶粘接在一起，上光通道电极组33和下光通道电极组34与第一输出端口a211和第二输出端口b212连接。[0034]如图5所示，激光功能镜组6由激光芯片64、第一聚焦准直透镜组61、第二聚焦准直[0035]第二聚焦准直透镜组63把激光芯片64发出的光调整为平行光，通过光隔离器62再通过第一聚焦准直透镜组61耦合至光耦合芯片2的第二3dB耦合器22的第二输入端口221。设置光隔离器62的作用是避免从光纤环4中回来的光通过光耦合芯片2的第一3dB耦合器21,然后再通过光耦合芯片2的第—3dB耦合器21分沿原路进入激光功能镜组6造成激光芯片64损伤。激光芯片64和背光探测芯片65通过AuSn焊料键合在板座67上，第一聚焦准直透镜组61和第二聚焦准直透镜组63、光隔离器62通过固化收缩小且热稳定性好的光学胶粘接在板座67上。激光芯片64、第一聚焦准直透镜组61和第二聚焦准直透镜组63、光隔离器62和背光探测芯片65的位置需严格调整和对位，以实现最大耦合效率。板座67使用A1N、玻璃陶瓷等热稳定优异的材料。[0036]如图6所示，电路处理模块5是光纤陀螺仪1的电路处理部分，具体如下：电路处理模块5包括驱动、数字逻辑处理模块和数字输出模块和信号输出端口9,信号输出端口9将电路处理模块5与光纤陀螺仪1信号连接，电路处理模块5主要为激光芯片64提供驱动、为光探测芯片7和背光探测芯片65提供光电流信号放大，为光调制芯片3提供纤陀螺仪1的正常工作；如图7和图8所示，为了提高光纤陀螺仪1的探测精度，本方案还提供了两种更加提高光纤陀螺仪1的探测精度的方案：如图8所示，方案1是在光调制芯片3的上光通道31和下光通道32上增加一个1%~5%功率的下行分光器，1%～5%功率的下行分光器意味着该分光器能够将输入光信号的功率8按照一定比例(1%～5%)分配到各个输出端口，然后新增一个第三3dB耦合器35,然后通过第三3dB耦合器35进入光探测器8,实现对光调制芯片3的上光通道31和下光通道32的相位监控，光探测器8与光纤陀螺仪1的电路处理模块5互连并进行处理。[0037]关于相位监控的原理的进一步阐述：上光通道31和下光通道32分下来的光存在相位差，进入第三3dB耦合器35产生干射，通过光探测器8可以检测出相位差。该相位差送入电路处理模块5作为闭环控制信号，可提高光纤陀螺仪的精度。[0038]如图7所示，方案2是在光耦合芯片2的第二3dB耦合器22的第二输出端口222前增加一个第四3dB耦合器223,第四3dB耦合器223不仅具备第二输出端口222,同时还具备第三输出端口224,原方案的单的光探测芯片7就可以换成共地的双的光探测芯片7,以提高检测精度。[0039]方案1和方案2可单独应用或共同应用，均可在不增加光纤陀螺仪1的结构尺寸的前提下提高光纤陀螺仪1的探测精度。[0040]上文所述的不同位置的固化收缩小且热稳定性好的光学胶均相同，具体型号为at3826p,收缩率低于0.5%,热膨胀系数低于40ppm/℃。[0041]本方案的优势在于：芯片2、光调制芯片3和光探测芯片7。[0042]2、采用第