引言
光电子陀螺仪在导航和运动感测技术方面与机械陀螺仪相比具有显着优势，因无运动部件而具有更好的抗冲击、抗振动和抗温度变化能力。本文从专利探讨 Anello Photonics 的集成光电子陀螺仪的系统架构，这种设计实现了小型化、高性能的解决方案，并适合批量生产[1]。
系统组件和架构
集成光电子陀螺仪的基本架构包含多个关键组件，这些组件协同工作，通过萨格纳克效应检测角速度。系统的核心包括激光光源（可以是单个或多个半导体激光器，工作在优化波长）、输入耦合器（用于高效光波导耦合）、模式选择滤波器（维持适当的光偏振）、光分路器（用于光束分割和路由）、相位调制器（用于信号调制和检测）、输出耦合器（用于与传感元件接口）以及探测器（用于信号测量和监控）。
图1：传统光纤陀螺仪架构，显示基本组件包括激光器、光环形器、相位调制器和光纤线圈。
图2：在前端集成光电子组件的改进架构。
波导设计和实现
波导设计对系统性能具有决定性影响。主要实现了两种类型的波导：肋型波导（具有凸起部分和板层区域）和条形波导（完全刻蚀结构，具有更好的模式限制）。为防止光泄漏，系统在波导周围设计了特殊的植入区域。
图3：波导中的光学模式限制和防止光泄漏的植入区域实现示意图。
图4：显示植入区域和模式限制的条形波导设计。
模式选择和滤波
系统采用多种先进技术进行模式选择和滤波，包括蛇形结构和MMI滤波器。这些结构经过精心设计，能够有效分离和控制不同的光学模式。
图5：使用蛇形结构和MMI滤波器进行模式滤波的不同方法。
性能优化
系统性能优化通过多个方面实现：波长选择基于最小波导损耗进行优化；模式控制通过实现特定的滤波器结构达成；信号处理采用集成的检测和放大线路；同时配备完善的热管理系统，包括热传感器和控制机制。
图6：不同波导配置的波长相关损耗特性。
集成和封装
完整的系统集成涉及前端光电子芯片集成、传感元件耦合、控制电子器件集成、热管理实现和封装优化等多个环节。这种全面的集成方案确保了系统的可靠性和生产效率。
图7：显示激光器、控制集成电路、集成光电子芯片和氮化硅螺旋/环的封装集成。
系统扩展性和发展方向
图8：展示系统扩展性选项的多激光器配置。
集成光电子陀螺仪架构在功率扩展（通过多激光器集成实现功率组合和冗余）、性能提升（采用先进的滤波和模式控制技术）、制造优化（利用晶圆级加工能力）以及成本降低（通过大批量生产）等方面都具有显著优势。
图9：具有热监测能力的先进系统配置。
本专利介绍的系统架构在光电子陀螺仪技术领域实现了进展，提供了替代传统光纤陀螺仪的方案，在保持高性能的同时实现更紧凑的设计和更好的制造性。光电子组件的集成、先进的波导设计和复杂的控制系统使这项技术在自动驾驶汽车到航空航天系统等多个领域得到应用。随着制造工艺和材料的不断改进，集成光电子陀螺仪在导航和传感应用中将继续发展，带来更紧凑、更高效、更经济的系统实现。
参考文献
[1] M. Paniccia and Q. Tan, "System architecture for integrated photonics optical gyroscopes," U.S. Patent 10,731,988 B1, Aug. 4, 2020.
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