專利名稱：二軸光學(xué)陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成光學(xué)和慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二軸光學(xué)陀螺。
技術(shù)背景光學(xué)陀螺是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和控制檢測設(shè)備的重要測試元件。光學(xué)陀螺是 一種基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)的新型光電陀螺儀，其技術(shù)的發(fā)展與陀螺儀的發(fā) 展密切相關(guān)。慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的性能很大程度上取決于陀螺儀的性能，因此，陀螺儀 技術(shù)水平直接影響著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性制導(dǎo)裝置的性能指標(biāo)。目前應(yīng)用中的光學(xué) 陀螺主要以實(shí)現(xiàn)單軸測量功能為主，功能單一，無法實(shí)現(xiàn)多軸空間的同時(shí)測量，因 此，實(shí)現(xiàn)單個(gè)慣性傳感器的多軸(二軸、三軸)測量是未來對單個(gè)慣性傳感器的發(fā) 展研制要求所在。近些年來，傳統(tǒng)介質(zhì)集成光學(xué)器件由于衍射極限的限制，在小型化、集成化 方面遇到瓶頸，而表面等離子波可以把能量高度限制在金屬與介質(zhì)分界面處，使得 表面等離子激元波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)信號長程傳輸并保持其單一偏振態(tài)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)同 一光路中的光、電復(fù)用。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明提出一種二軸光學(xué)陀螺，采用不同材料波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)一種模 式分離的二軸測光學(xué)陀螺，具有提高光源利用率、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)方案本發(fā)明的二軸光學(xué)陀螺包括表面等離子激元Y型模式分離器、Y波 導(dǎo)集成光學(xué)器件、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片、第一保偏光纖線圈、第二保偏光纖線圈、 第一定向耦合器、第二定向耦合器和第一探測器、第二探測器；其位置關(guān)系為表面 等離子激元Y型模式分離器兩個(gè)輸出端分別與Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、Y波導(dǎo)集成光 學(xué)芯片相連，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片的輸出端分別與第一保偏光 纖線圈和第二保偏光纖線圈相連，第一調(diào)制電極、第二調(diào)制電極和第一金屬線間隙、第二金屬線間隙制備在Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片上支波導(dǎo)輸出端之上。 表面等離子激元Y型模式分離器是由聚合物芯層、聚合物包層構(gòu)成，表面等離 子激元Y型模式分離器的臂上覆蓋有金屬薄膜，其中，金屬薄膜的厚度在10至20 納米之間，寬度在1至3微米之間，聚合物芯層的寬度與厚度均為數(shù)微米量級。
Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件采用LiNb03晶體材料制備。Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片由表面等 離子體激元波導(dǎo)制備成，表面等離子體激元波導(dǎo)由金屬芯層、上包層、下包層、襯 底組成，其金屬芯層為金屬納米線，厚度在10到20納米之間，寬度為4至8微米 之間，上包層、下包層均為有機(jī)聚合物介質(zhì)材料，上包層、下包層厚度均在10至 20微米之間。
本發(fā)明所提出的二軸光學(xué)陀螺光路如下:光源進(jìn)入表面等離子激元Y型模式分 離器，將光源分為TE模式光信號和TM模式光信號。輸出的TE模式光信號經(jīng)過定向 耦合器進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件分束，其中一束光信號由相位調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制， 兩束光信號分別輸出耦合進(jìn)入保偏光纖線圈；輸出的TM模式光信號經(jīng)過定向耦合器 進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片分束，其中一束光信號由相位調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，兩束 光信號分別輸出耦合進(jìn)入保偏光纖線圈。進(jìn)入保偏光纖線圈中的光信號形成順時(shí)針 和逆時(shí)針方向傳播，然后沿各自光路返回，通過定向耦合器耦合進(jìn)入探測器。 有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明所提出的二軸光學(xué)陀螺和傳統(tǒng)的單個(gè)慣性光學(xué)陀螺的單軸測 量相比較，其獨(dú)特的模式分離結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)慣性光學(xué)陀螺的二軸測量。
2、 本發(fā)明的二軸光學(xué)陀螺采用不同材料實(shí)現(xiàn)信號不同模式的傳輸，其中，表面
等離子體激元波導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)了光信號傳輸?shù)谋Ｆ?br> 3、 本發(fā)明的二軸光學(xué)陀螺與傳統(tǒng)的單個(gè)慣性光學(xué)陀螺相比，實(shí)現(xiàn)了TE模式光 信號與TM模式光信號在不同軸向測量的應(yīng)用，提高了光源的利用率。
4、 本發(fā)明的二軸光學(xué)陀螺基于表面等離子激元原理能夠?qū)崿F(xiàn)同一光路中的光、 電復(fù)用。


圖1是二軸光學(xué)陀螺整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是二軸光學(xué)陀螺表面等離子激元Y型模式分離器橫截面示意圖。 圖3是二軸光學(xué)陀螺表面等離子體激元波導(dǎo)的橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明所提出的二軸光學(xué)陀螺，從結(jié)構(gòu)上看，該光學(xué)陀螺由表面等離子激元Y 型模式分離器l、 Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件2、 Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片3、第一保偏光纖線 圈41、第二保偏光纖線圈42、定向耦合器51、 52和探測器61、 62構(gòu)成；其位置關(guān) 系為表面等離子激元Y型模式分離器1兩個(gè)輸出端分別與Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件2、 Y 波導(dǎo)集成光學(xué)芯片3相連，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件2、 Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片3的輸出端 分別與第一保偏光纖線圈41和第二保偏光纖線圈42相連，第一調(diào)制電極71、第二 調(diào)制電極72和第一金屬線間隙81、第二金屬線間隙82制備在Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片 3上支波導(dǎo)輸出端之上。
根據(jù)麥克斯韋方程組及其邊界條件可知,只有TM橫磁?？梢源怪庇诮饘倥c介質(zhì) 的分界面?zhèn)鞑?，能耦合激發(fā)表面等離子體激元，產(chǎn)生表面等離子體激元，而TE橫電 模不能產(chǎn)生耦合激發(fā)的現(xiàn)象。本發(fā)明提出的二軸光學(xué)陀螺基于表面等離子體激元原 理采用表面等離子體激元波導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)模式分離二軸測量。
本發(fā)明所提出的二軸光學(xué)陀螺原理如下
光源進(jìn)入表面等離子激元Y型模式分離器，將光源分為TE模式光信號和TM模 式光信號，其中，TE模式光信號由表面等離子激元Y型模式分離器直通臂一端輸出， TM模式光信號由表面等離子激元Y型模式分離器的具有金屬薄膜結(jié)構(gòu)的另一臂輸 出。輸出的TE模式光信號經(jīng)過耦合器進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件分束產(chǎn)生互易性良好 的兩束光信號，其中一束光信號由相位調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，兩束光信號分別由輸 出波導(dǎo)輸出耦合進(jìn)入保偏光纖線圈，也可使用消偏技術(shù)和普光纖線圈代替保偏光纖 線圈以降低成本;輸出的TM模式光信號進(jìn)過耦合器進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片分束產(chǎn) 生互易性良好的兩束光信號，其中一束光信號由相位調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，兩束光 信號分別由輸出波導(dǎo)輸出耦合進(jìn)入保偏光纖線圈，同樣這里也可使用消偏技術(shù)和普 光纖線圈代替保偏光纖線圈以降低成本。進(jìn)入保偏光纖線圈中的光信號形成順時(shí)針 和逆時(shí)針方向傳播，然后沿各自光路返回，并由耦合器耦合進(jìn)入探測器，通過探測器 檢保偏光纖線圈輸出相位差得到角速度。
權(quán)利要求
1.一種二軸光學(xué)陀螺，其特征在于該光學(xué)陀螺包括表面等離子激元Y型模式分離器(1)、Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件(2)、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片(3)、第一保偏光纖線圈(41)、第二保偏光纖線圈(42)、第一定向耦合器(51)、第二定向耦合器(52)和第一探測器(61)、第二探測器(62)；其位置關(guān)系為表面等離子激元Y型模式分離器(1)兩個(gè)輸出端分別與Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件(2)、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片(3)相連，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件(2)、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片(3)的輸出端分別與第一保偏光纖線圈(41)和第二保偏光纖線圈(42)相連，第一調(diào)制電極(71)、第二調(diào)制電極(72)和第一金屬線間隙(81)、第二金屬線間隙(82)制備在Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片(3)上支波導(dǎo)輸出端之上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸光學(xué)陀螺，其特征在于表面等離子激元Y型模式 分離器(1)是由聚合物芯層(12)、聚合物包層(13)構(gòu)成，表面等離子激元Y型模式 分離器(1)的臂上覆蓋有金屬薄膜(ll)，其中，金屬薄膜(ll)的厚度在10至20 納米之間，寬度在1至3微米之間，聚合物芯層(12)的寬度與厚度均為數(shù)微米量級。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸光學(xué)陀螺，其特征在于Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件(2) 采用LiNbO..,晶體材料制備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸光學(xué)陀螺，其特征在于Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片(3) 由表面等離子體激元波導(dǎo)制備成，表面等離子體激元波導(dǎo)由金屬芯層(31)、上包層(32)、下包層(33)、襯底(9)組成，其金屬芯層(31)為金屬納米線，厚度在 10到20納米之間，寬度為4至8微米之間，上包層(32)、下包層(33)均為有機(jī) 聚合物介質(zhì)材料，上包層、下包層厚度均在10至20微米之間。
全文摘要
二軸光學(xué)陀螺，本發(fā)明所提出的光學(xué)陀螺是由表面等離子激元Y型模式分離器、Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、Y波導(dǎo)集成光學(xué)芯片、第一保偏光纖線圈、第二保偏光纖線圈、定向耦合器和探測器構(gòu)成。本發(fā)明屬于集成光學(xué)和慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提出一種二軸光學(xué)陀螺，采用不同材料波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)一種模式分離的二軸光學(xué)陀螺。具有提高光源利用率、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01C19/64GK101566475SQ20091002718
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者吳朋欽, 彤 張, 張曉陽, 薛曉軍, 陳秋月 申請人:東南大學(xué)