硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制方法、结构与流程

本发明属于光学陀螺，具体涉及一种硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制方法及结构。

背景技术：

1、随着技术发展和领域拓展，光学陀螺逐步向着小型化、低成本方向发展，传统光纤陀螺的小型化、低成本发展面临巨大挑战。近年来，硅基集成光学芯片取得突破并且在通信领域获得广泛应用，为光学陀螺实现集成化与小型化提供了新的思路：将传统光纤陀螺中的各分立光学器件用集成光学芯片取代，传统光纤环圈用片上谐振腔芯片取代，其体积-重量-成本-功耗等将会大幅降低，因此硅光子陀螺成为了惯性器件重要发展方向。

2、陀螺采用的集成光学芯片受自身性能和外界环境的变化，导致频率噪声和漂移，频率噪声和漂移将严重制约硅光子陀螺性能提升，如何抑制集成光学芯片的频率噪声和漂移、提升硅光子陀螺精度是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的频率噪声制约硅光子陀螺精度技术问题，本发明提供了一种硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制方法及结构，通过驱动电流闭环调节、噪声高低频分量分频处理以及相位闭环控制，提高频率噪声检测与抑制精度。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制方法，包括如下步骤：

4、给集成光学芯片输入驱动电流，所述驱动电流包括固定偏置电流和线性调谐电流；

5、集成光学芯片输出光信号经过相位调制进入光子晶体谐振腔，采集光子晶体谐振腔的输出光信号，转换为模拟电压信号；

6、设定比较电压，通过对比模拟电压信号和比较电压，判断集成光学芯片输出光信号中心频率是否在光子晶体谐振腔的谐振谷范围内，若不是，继续给集成光学芯片输入驱动电流，相位调制器不施加调制信号，若是，给相位调制器施加调制信号；

7、相位调制器施加调制信号后，对模拟电压信号按照采样周期提取采样数据，根据每个采样周期的采样数据，计算线性调谐电流，调节集成光学芯片的驱动电流；

8、将每个采样周期的采样数据进行傅里叶变换，获得每个频率点的幅值，将每个频率点的幅值按照频率所处的低频、高频噪声范围分别划分为频率噪声低频分量、频率噪声高频分量；

9、根据频率噪声低频分量、频率噪声高频分量分别计算低频控制电压、高频控制电压，施加到相位调制器上进行频率调谐。

10、进一步地，所述线性调谐电流初值为调节驱动电流的闭环回路上da转换器饱和输出的最小值。

11、优选的，所述驱动电流为锯齿波电流，所述固定偏置电流取值为100ma，所述线性调谐电流初值为10ma，锯齿波电流的调谐范围为100±10ma，锯齿波电流的频率取值范围为0.1～10hz；所述调制信号为三角波，所述调制信号频率为100khz，所述调制信号幅值引入的光频率变化小于fwhm/10，其中fwhm为光子晶体谐振腔的半高全宽。

12、进一步地，所述计算线性调谐电流，调节集成光学芯片的驱动电流的方法如下：

13、在每个采样周期中，计算前半周期采样数据和后半周期采样数据的累加值的差值：

14、

15、其中，为前半周期采样数据的累加值，为后半周期采样数据的累加值，n为一个采样周期的采样点数，n为偶数；

16、计算线性调谐电流ib：

17、

18、其中，k1为驱动电流闭环回路的增益；

19、调节集成光学芯片的驱动电流为ia+ib，ia为固定偏置电流。

20、进一步地，所述驱动电流闭环回路至少包括ad转换器、线性调谐电流计算器件、da转换器。

21、进一步地，所述将每个采样周期的采样数据进行傅里叶变换，获得每个频率点的幅值，将每个频率点的幅值按照频率所处的低频、高频噪声范围分别划分为频率噪声低频分量、频率噪声高频分量的方法如下：

22、每个采样周期的采样数据标记为d1，d2，d3…dn，n为一个采样周期的采样点数，n为偶数；

23、前半周期采样数据和后半周期采样数据一一对应相减，构建数列：d1-dn/2+1、d2-dn/2+2、…dn/2-dn；

24、数列进行傅里叶变换，获得若干频率点的幅值σj，j表示该频率点的频率；

25、若j在低频噪声范围，则对应的σj记为频率噪声低频分量，若j在高频噪声范围，则对应的σj记为频率噪声高频分量。

26、进一步地，所述低频噪声范围设置为1hz～1khz，所述高频噪声范围设置为1khz～1mhz。

27、进一步地，所述根据频率噪声低频分量、频率噪声高频分量分别计算低频控制电压、高频控制电压的方法为：

28、计算一个采样周期内频率噪声低频分量的根均方值，记为σ1，计算一个采样周期内频率噪声高频分量的根均方值，记为σ2，计算低频控制电压数字量d低频、高频控制电压数字量d高频分别为：

29、

30、

31、其中，k2、k3分别为低频、高频相位闭环回路的增益。

32、进一步地，所述低频相位闭环回路至少包括ad转换器、频率噪声低频分量计算器件、da转换器，所述高频相位闭环回路至少包括ad转换器、频率噪声高频分量计算器件、da转换器。

33、本发明还提供了一种硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制结构，包括

34、驱动控制电路，用于产生驱动电流输入到集成光学芯片中；

35、相位调制器，用于对集成光学芯片输出的光信号进行相位调制；

36、耦合器，包括至少四个端口，分别连接相位调制器、探测器以及光子晶体谐振腔的输入、输出端；

37、光子晶体谐振腔，用于接收相位调制后的光信号，进行选频处理，生成谐振信号；

38、探测器，用于对光子晶体谐振腔输出的谐振信号进行光电转化，生成模拟电压信号；

39、电压比较电路，用于接收模拟电压信号，对比模拟电压信号和比较电压，判定集成光学芯片输出光信号中心频率是否进入光子晶体谐振腔的谐振谷，输出入谷判定信号；

40、信号采样与波形发生电路，用于接收入谷判定信号、模拟电压信号，根据入谷判定信号、模拟电压信号计算线性调谐电流，调节驱动控制电路的驱动电流，以及生成调制信号施加到相位调制器上，根据入谷判定信号、模拟电压信号计算频率噪声低频分量、频率噪声高频分量，转换为低频控制电压、高频控制电压施加到相位调制器上。

41、进一步地，所述集成光学芯片和相位调制器之间设置有光隔离器，所述光隔离器用于对集成光学芯片输出光信号进行光路隔离，消除杂散、反射光。

42、进一步地，所述硅光子陀螺用集成光学芯片频率噪声检测与抑制结构还包括tec，所述tec控制光子晶体谐振腔处于恒定温度，温度控制精度为0.01℃。

43、进一步地，所述信号采样与波形发生电路，包括：

44、ad转换器，用于将探测器输出的模拟电压信号转换为数字信号，获得采样数据；

45、电流及分频控制模块，用于根据采样数据计算线性调谐电流，根据电压采样数据计算频率噪声的低频分量、高频分量，根据频率噪声低频分量、高频分量计算得到作用于相位调制器上的低频、高频控制电压；

46、电流闭环da转换器，用于将进行数模转换，输出驱动电流闭环控制的线性调谐电流，作用于驱动控制电路进行驱动电流调节；

47、低频相位闭环da转换器，用于进行数模转换，输出低频相位闭环控制的低频控制电压，作用于相位调制器端；

48、高频相位闭环da转换器，用于进行数模转换，输出高频相位闭环控制的高频控制电压，作用于相位调制器端；

49、调制信号发生器，用于产生调制信号，作用于相位调制器端；

50、入谷信号处理模块，用于根据入谷信号控制驱动控制电路继续输出驱动电流，根据入谷信号控制调制信号发生器输出调制信号，以及根据入谷信号控制电流及分频控制模块开始数据处理。

51、进一步地，驱动电流闭环回路的增益为k1＝kadk分频kda13，kad、k分频、kda13分别为ad转换器、电流及分频控制模块、电流闭环da转换器的增益；

52、其中，kad＝2n_ad/vpp_ad，vpp_ad、n_ad分别为ad转换器对应的电压范围、位数；

53、k分频＝n/2；

54、kda13＝vpp_da13/2n_da13，vpp_da13、n_da13分别为电流闭环da转换器对应的电压范围、位数。

55、进一步地，低频、高频相位闭环回路的增益k2、k3分别为

56、k2＝kadk分频kda14

57、k3＝kadk分频kda15

58、其中，kda14、kda15分别为低频相位闭环转换器、高频相位闭环转换器的增益；

59、kda14＝vpp_da14/2n_da14，vpp_da14、n_da14分别为低频相位闭环转换器对应的电压范围、位数；

60、kda15＝vpp_da15/2n_da15，vpp_da15、n_da15分别为高频相位闭环转换器对应的电压范围、位数n_da15。

61、本发明与现有技术相比的有益效果：

62、本发明针对频率噪声制约硅光子陀螺精度的问题，提出一种有效的噪声检测与抑制方法和结构，通过采用空心光子晶体光纤谐振腔(简称光子晶体谐振腔)谐振频率作为频率基准，通过驱动控制电路控制硅基集成光学芯片的频率扫描，进入谐振腔中不再扫描，而根据频率漂移方向和大小通过控制驱动电路实现硅基集成光学芯片中心频率对光子晶体谐振腔谐振频率的反馈控制；与此同时，根据探测器上探测到的信号进行解调和傅里叶变化，根据频率噪声的高低频分量大小，反向控制施加在相位调制器上的调制电压，通过上述闭环控制降低硅基集成光学芯片与空心光子晶体光纤谐振腔之间的相对频率摆动，进而实现硅基集成光学芯片频率噪声和漂移的有效抑制。

63、本发明抑制方案简单，对硅光子陀螺精度提升显著。