本发明属于光学传感，具体涉及一种全集成型单片式硅光子陀螺及其噪声抑制方法。
背景技术：
1、光纤陀螺具备了高精度、全固态、结构灵活等突出优点，目前已经形成了系列化产品，已成为各精度级别惯性导航系统的首选惯性测量元件。随着应用领域的逐步深化，迫切需要光纤陀螺具备小型化、低成本、高可靠等优势。国内外研究单位基于器件小型化、系统微组装手段实现上述目标，但是小型化光电子器件面临成本高、可靠性差的缺点，而且微组装方案对于光纤陀螺体积的减小有限，光纤陀螺在小型化、低成本发展上遇到瓶颈。近年来，随着集成光学、微纳米加工技术的迅速发展，在单一硅光子芯片上集成多种有源、无源光学器件已经成为可能并在通信领域实现广泛应用，为光纤陀螺的集成化与小型化提供了新的思路：将硅光子芯片小型化、易于批量生产的优势，与光纤陀螺的高精度优势相结合的硅光子陀螺逐渐成为国际上新一代光学陀螺前沿热点。
2、基于多材料集成带来了材料兼容性问题，如制造光源的有源材料与制造耦合器、片上环的plc材料，与制造探测器的ge材料均具有较好的混合集成基础，但是制造光相位调制器的linbo3材料与其它类型的材料难以集成，给多器件的一体化集成带来困难，也成为了限制集成度提升的瓶颈；此外，光路的集成化过程中必然带来芯片发热、强度噪声和kerr噪声等问题，严重制约了硅光子陀螺性能提升。综上所述，目前迫切需要一种不集成linbo3相位调制器(即：全集成型单片式)且具备噪声补偿功能的硅光子陀螺技术方案。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的硅光子陀螺集成度受限等技术问题，本发明提供了一种全集成型单片式硅光子陀螺及其噪声抑制方法，在硅光子芯片上集成激光器、探测器、耦合器、波导谐振腔，通过控制激光器的驱动电流，使得陀螺具有高灵敏度探测范围，提高了芯片集成度。
2、为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种全集成型单片式硅光子陀螺，包括
3、硅光子芯片，所述硅光子芯片上包括激光器、y分支、耦合器c1、耦合器c2、耦合器c3、波导谐振腔、探测器pd1、探测器pd2、探测器pd3、探测器pd4，所述的耦合器c1、耦合器c2、耦合器c3均为2×2耦合器，所述激光器输出端连接y分支输入端，所述y分支的两个输出端分别连接耦合器c1、耦合器c2的端口a，所述耦合器c1、耦合器c2的端口b分别连接耦合器c3的端口a、b，所述耦合器c3的端口c、d分别连接所述波导谐振腔的两个输入输出端口，所述耦合器c1、耦合器c2的端口c分别连接探测器pd1、探测器pd2，所述耦合器c1、耦合器c2的端口d分别连接探测器pd3、探测器pd4，所述探测器pd1、探测器pd2用于探测波导谐振腔的谐振信号，所述探测器pd3、探测器pd4用于探测激光器输出光信号的强度变化；
4、asic电路，所述asic电路上包括电流控制模块、转速解调及补偿模块；所述电流控制模块用于根据波导谐振腔的实测参数确定方波电流信号参数，根据顺、逆时针谐振信号的差模分量调谐方波电流信号；所述转速解调及补偿模块用于根据各个探测器检测的电压信号计算波导谐振腔的实测参数，计算顺、逆时针谐振信号的差模、共模分量，计算强度补偿参数、频率补偿参数，以及计算陀螺输出。
5、进一步地，所述硅光子陀螺还包括温控信号模块，用于对激光器的温度进行线性扫描，调节激光器中心频率位于波导谐振腔逆时针谐振信号谐振谷频率范围内。
6、进一步地，所述转速解调及补偿模块具体包括如下单元：
7、谐振腔实测参数计算单元，用于根据各个探测器检测的电压信号计算波导谐振腔的实测参数，所述实测参数包括总体传输损耗、电流-功率调谐系数、电流-频率调谐系数和光路强度衰减系数；
8、cw解调单元，用于对输出的顺时针谐振信号进行解调，获得数字信号；
9、ccw解调单元，用于对输出的逆时针谐振信号进行解调，获得数字信号；
10、差模计算单元，用于对顺、逆时针谐振信号进行求差计算，获得差模分量；
11、共模计算单元，用于对顺、逆时针谐振信号进行求和计算，获得共模分量；
12、陀螺闭环及参数补偿计算单元，用于根据差模分量和实测参数计算强度补偿参数、频率补偿参数；
13、噪声补偿单元，用于根据共模分量，结合强度补偿参数、频率补偿参数，计算陀螺输出。
14、本发明还提供了一种全集成型单片式硅光子陀螺的噪声抑制方法，包括如下步骤：
15、设计输入激光器的方波电流信号，所述方波电流信号设计参数包括频率、调谐区间、幅度；
16、asic电路上电，将设定的方波电流信号施加到激光器上；
17、判断逆时针谐振信号入谷后，对顺、逆时针谐振信号进行解调，计算顺、逆时针谐振信号的差模分量和共模分量，所述差模分量为顺时针谐振信号减去逆时针谐振信号；
18、判断差模分量为0，则控制方波电流信号保持当前值；
19、判断差模分量大于0，则控制方波电流信号下调谐，判断差模分量小于0，则控制方波电流信号上调谐；
20、通过多次调谐处理，使得激光器中心频率对波导谐振腔的谐振频率进行了稳步锁定，保持方波电流信号不再变化。
21、进一步地，所述方波电流信号设计方法包括如下步骤：
22、s101、设计所述方波电流信号的频率大于激光器的相对强度噪声频率、小于激光器调谐带宽频率上限值；
23、s102、确定激光器的最佳电流调谐区，设置偏置电流为激光器最佳电流调谐区的中间值；
24、根据方波电流信号的调谐区间覆盖至少一个波导谐振腔的最大自由谱线宽度，确定调谐区间的上极值和下极值；
25、s103、以陀螺灵敏度最大，确定方波电流信号的幅度。
26、进一步地，所述调谐区间的上极值和下极值设置为imax、-imax，则
27、2imaxkf-i＞1.5fsr
28、其中，kf-i为激光器的频率-电流调谐系数，fsr为最大自由谱线宽度。
29、进一步地，所述步骤s103包括如下步骤：
30、激光器输入设定的偏置电流，采集激光通过耦合器c1、耦合器c2后的电压，计算耦合器c1、耦合器c2的总体传输损耗；
31、激光器输入设定的偏置电流，采集探测器pd1、探测器pd2输出电压，计算光路强度衰减系数；
32、激光器输入频率1hz的锯齿波电流信号，采集探测器pd3输出电压，计算电流-强度调谐系数；
33、激光器输入频率1hz的锯齿波电流信号，采集探测器pd1输出电压，计算电流-频率调谐系数；
34、陀螺灵敏度为
35、
36、其中，δi为方波电流信号幅度，α为耦合器c1和耦合器c2的总体传输损耗，kp-i、kf-i分别为电流-强度调谐系数、电流-频率调谐系数，a为光路强度衰减系数；
37、令陀螺灵敏度对δi求取导数，令dk/dδi＝0，获得方波电流信号幅度。
38、进一步地，所述总体传输损耗计算公式如下：
39、α＝α1+α2
40、
41、其中，r3f、a3f分别为探测器pd3的跨电阻、电流响应度，r4f、a4f分别为探测器pd4的跨电阻、电流响应度，v0为探测器pd3、探测器pd4的无光电压，v1、v2分别为探测器pd3、探测器pd4检测的激光器稳态条件下的电压，p0为激光器稳态条件下的的输出功率；
42、所述光路强度衰减系数计算方法如下：
43、
44、其中，r1f、a1f分别为探测器pd1的跨电阻、电流响应度，r2f、a2f分别为探测器pd2的跨电阻和电流响应度，v'0为探测器pd1、探测器pd2的无光电压，v'1、v'2分别为探测器pd1、探测器pd2检测的激光器稳态条件下的电压，p0为激光器稳态条件下的输出功率；
45、所述电流-强度调谐系数计算方法如下：
46、
47、其中，其中，i0、i1分别为锯齿波电流信号的最小值、最大值，v0”、v”1分别为探测器pd3探测到的对应i0、i1的电压，r3f、a3f分别为探测器pd3的跨电阻、电流响应度；
48、所述电流-频率调谐系数计算方法如下：
49、
50、其中，c为光速，n为波导谐振腔的折射率，l为波导谐振腔的腔长，ia和ib分别为探测器pd1检测的相邻两个谐振信号对应的电流。
51、进一步地，所述方波电流信号设计方法还包括如下步骤：
52、计算强度补偿参数：
53、ap＝k1×kp-i×σi
54、其中，k1为强度误差常数，σi为当前驱动电流与初始电流之差，kp-i为电流-强度调谐系数；
55、计算频率补偿参数：
56、af＝k2×kf-i×σi
57、其中，k2为频率误差常数，kf-i为电流-频率调谐系数，
58、计算补偿后的陀螺输出为：
59、d补偿后＝d补偿前+iap+iaf
60、其中，i为当前驱动电流。
61、本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
62、本发明与现有技术相比的有益效果：
63、本发明提出一种不需要相位调制器、具有噪声抑制功能的高精度硅光子陀螺，其优势如以下三个方面：
64、(1)采用了1片集成了光源、探测器、耦合器和片上环圈的硅光子芯片，未采用传统的linbo3光相位调制器实现信号调制，而改用对激光器的驱动电流端进行方波信号调制，由于激光器具有较大的调制带宽，能够满足硅光子陀螺的大转速应用，从光学芯片的设计端也具有更小的尺寸和更低的成本；
65、(2)采用了“共差模噪声抑制结构+误差补偿”的精度提升方案，并将补偿算法植入到asic电路中，以差模作为控制，抑制以温度引入的光路强度和消光比变化的共模强度型误差，以共模作为输出，抑制以kerr误差为代表的差模强度型误差，提升了硅光子陀螺精度；
66、(3)采用了差模控制方式，使得闭环更为迅速，提升了硅光子陀螺的动态响应能力和环境抗干扰能力。
1.一种全集成型单片式硅光子陀螺，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的硅光子陀螺，其特征在于，所述硅光子陀螺还包括温控信号模块，用于对激光器的温度进行线性扫描，调节激光器中心频率位于波导谐振腔逆时针谐振信号谐振谷频率范围内。
3.根据权利要求1所述的硅光子陀螺，其特征在于，所述转速解调及补偿模块具体包括如下单元：
4.一种全集成型单片式硅光子陀螺的噪声抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方波电流信号设计方法包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调谐区间的上极值和下极值设置为imax、-imax，则
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s103包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述总体传输损耗计算公式如下：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方波电流信号设计方法还包括如下步骤：
10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现权利要求4至9任一项中所述的方法。
