專利名稱：基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本實用新型提出ー種利用柔性表面等離子體激元波導(dǎo)彎曲連接成長波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，特別涉及設(shè)計并制備柔性表面等離子體激元波導(dǎo)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖陀螺，有效減小陀螺體積重量，應(yīng)用于光學(xué)陀螺領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)陀螺作為新型陀螺儀，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)靈活、體積重量小等性能優(yōu)勢，弓丨起了世界上許多國家的大學(xué)和科研機構(gòu)的普遍重視。光學(xué)陀螺是利用閉合光波導(dǎo)環(huán)路中的薩格奈克效應(yīng)來測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動角速度，包括激光陀螺、光纖陀螺、集成光波導(dǎo)陀螺等。激光陀螺是利用光信號在自由空間中傳輸形成閉合回路，穩(wěn)定性較差，所以目前的高精度光學(xué)陀螺以光纖陀螺為主。光纖陀螺是以光纖為信號載體，利用閉合光纖環(huán)路中的薩格奈克效應(yīng)測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動角速度。但是，要想的到較高的陀螺精度，光纖長度必須足夠長，一般需要幾公里，光纖環(huán)體積和重量大，成本高。因此，光纖陀螺難以做到小型化，集成化。隨著光學(xué)陀螺需求的領(lǐng)域和數(shù)量不斷増大，對光學(xué)陀螺提出了小型化、集成化、成本低和穩(wěn)定性高的要求。集成光波導(dǎo)陀螺雖能實現(xiàn)一定程度的集成化，但仍無法取代光纖陀螺，其主要原因是平面光波導(dǎo)集成エ藝無法制備超長光波導(dǎo)諧振腔，且平面光波導(dǎo)エ藝加工的光波導(dǎo)損耗遠高于光纖。因此目前的集成光波導(dǎo)陀螺面臨技術(shù)瓶頸，無法實現(xiàn)高精度。近年來，隨著納米科學(xué)和納電子學(xué)的發(fā)展，一種全新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一表面等離子體激元波導(dǎo)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的新興研究方向。表面等離子體激元是ー種在金屬表面?zhèn)鞑サ牟⑶冶患s束在此表面的一種非輻射電磁波。表面等離子體激元被約束在波導(dǎo)表面是光和金屬的自由電子相互作用的結(jié)果。表面等離子體激元波導(dǎo)具有普通光波導(dǎo)所不具備的特性如可以實現(xiàn)在納米尺度上的信號傳輸；可保持信號長程傳輸過程中的単一偏振態(tài)，實現(xiàn)各種尺寸下單模傳輸；表面等離子體激元波導(dǎo)的金屬芯層結(jié)構(gòu)，不但能夠傳播光信號，還可以傳播電信號，可實現(xiàn)在同一芯片上光電混合；金屬的介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，其虛部代表金屬吸收光的能力，通過對金屬芯層的設(shè)計限制光場強度；可對表面等離子體激元波導(dǎo)的金屬芯層直接調(diào)制以實現(xiàn)表面等離子體激元波導(dǎo)器件的高效調(diào)諧等?；诒砻娴入x子體激元波導(dǎo)的這些特性，表面等離子體激元波導(dǎo)器件可在光通信、光學(xué)傳感領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用。另外，聚合物材料和光波導(dǎo)制備エ藝迅速發(fā)展，一種全新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)ー柔性材料光波導(dǎo)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的新興研究方向。柔性材料光波導(dǎo)是ー種在柔性材料基礎(chǔ)上制備出的具有較強柔韌性、可以彎曲的光波導(dǎo)。與傳統(tǒng)光波導(dǎo)相比，柔性材料光波導(dǎo)具有抗震，防撞擊，可以按任意形狀彎曲的特點。并且通過調(diào)整芯包層材料折射率，可以得到較低的彎曲損耗，因此可以設(shè)計并制備出超長彎曲波導(dǎo)。基于這些特點，柔性材料光波導(dǎo)在光通信、光學(xué)傳感領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展前景。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的是提出ー種基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，利用表面等離子體激元光波導(dǎo)的優(yōu)良傳輸特性以及柔性材料光波導(dǎo)的可塑性，并通過對波導(dǎo)芯包層折射率的調(diào)整，降低波導(dǎo)損耗，實現(xiàn)該超長光波導(dǎo)取代傳統(tǒng)光纖應(yīng)用到陀螺領(lǐng)域，與已有集成光波導(dǎo)陀螺技術(shù)相比，技術(shù)上有重大突破，大幅提高了陀螺靈敏度，具有單偏振態(tài)、低損耗、體積小、重量輕、高精度、低成本、エ藝簡單等優(yōu)點。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了ー種基于柔性表面等離子體激兀波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，該光學(xué)陀螺包括光源，Y分支調(diào)制器,輸入光纖,輸出光纖,柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面，光探測器；柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面包括柔性表面等離子體激元波導(dǎo)和柔性襯底，其中，光信號由光源輸出到Y(jié)分支調(diào)制器，調(diào)制后 經(jīng)輸入光纖輸入到柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面，光在柔性表面等離子體激元波導(dǎo)中干渉后經(jīng)輸出光纖傳輸?shù)焦馓綔y器，且被光探測器探測出旋轉(zhuǎn)角速度。優(yōu)選的，Y分支調(diào)制器包括Y分支光波導(dǎo)和調(diào)制器電極；調(diào)制器電極在Y分支光波導(dǎo)兩分支兩側(cè)。優(yōu)選的，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)平面的橫截面由下至上依次為下包層、芯層、上包層，其中上包層和下包層均為柔性有機聚合物，厚度為微米量級，芯層為金屬，厚度為納米量級。有益效果1、本實用新型所提出的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)，采用表面等離子體激元波導(dǎo)與柔性聚合物材料襯底相結(jié)合傳輸光信號，通過改變表面等離子體激元波導(dǎo)芯層寬度來調(diào)節(jié)其光斑大小達到波導(dǎo)間模式匹配，實現(xiàn)與光纖低損耗對接。利用表面等離子體激元波導(dǎo)特有的傳輸特性，實現(xiàn)光信號長程傳輸?shù)谋Ｆ瑢崿F(xiàn)不同芯層寬度下單模傳輸，從而實現(xiàn)高精度光學(xué)陀螺。2、本實用新型所提出的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，利用柔性材料的可彎曲特性，設(shè)計新型干渉式光波導(dǎo)陀螺結(jié)構(gòu)，比光纖陀螺體積小，重量輕，并且可以通過調(diào)整芯包層材料折射率，得到較低的彎曲損耗；并且波導(dǎo)彎曲面不需要刻蝕，彎曲損耗遠小于傳統(tǒng)平面加工エ藝制備的彎曲波導(dǎo)。3、本實用新型所提出的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，波導(dǎo)環(huán)具有面積大、交叉損耗小的優(yōu)點。傳統(tǒng)陀螺波導(dǎo)環(huán)繞行方式?jīng)Q定其環(huán)繞面積小且疊加面積不易計算，并且具有交叉損耗。本實用新型則解決這ー難題，波導(dǎo)環(huán)疊加圍繞面積大，易于計算，且不存在交叉損耗。4、本實用新型所提出的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，簡化了制備エ藝并降低成本，提高光學(xué)系統(tǒng)集成度，并且具有很好的抗震性能，可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。5、本實用新型所提出的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，與已有集成光波導(dǎo)陀螺技術(shù)相比，技術(shù)上有重大突破，大幅提高了陀螺靈敏度，是陀螺領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。

圖I是基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)的光學(xué)陀螺結(jié)構(gòu)示意圖。[0017]圖2是基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)展開平面示意圖。圖3是基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)橫截面示意圖。以上的圖中有光源1，Y分支調(diào)制器2，Y分支光波導(dǎo)21，調(diào)制器電極22，輸入光纖31，輸出光纖32，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面4，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)41，柔性襯底42,下包層43,芯層44,上包層45,光探測器5。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。本實用新型的基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)的光學(xué)陀螺是這樣實現(xiàn)的，利用金屬表面等離子體激元特性及柔性聚合物材料制備出柔性材料光波導(dǎo)，波導(dǎo)都具有相 同寬度和間距，將光波導(dǎo)卷曲，波導(dǎo)端面首尾對接固定，從而所有波導(dǎo)連接成一條超長光波導(dǎo)。將此光波導(dǎo)取代光纖接入光學(xué)陀螺系統(tǒng)，即可形成基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)的光學(xué)陀螺。參見圖I 一 3，本實用新型提供的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，該光學(xué)陀螺包括光源I，Y分支調(diào)制器2,輸入光纖31,輸出光纖32,柔性表面等離子體激兀波導(dǎo)柱面4，光探測器5;柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面4包括柔性表面等離子體激元波導(dǎo)41和柔性襯底42，圖I中柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面是由圖2中柔性表面等離子體激元波導(dǎo)平面卷曲后，將波導(dǎo)端面首尾對接固定而成。其中，光信號由光源I輸出到Y(jié)分支調(diào)制器2，調(diào)制后經(jīng)輸入光纖31輸入到柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面4，光在柔性表面等離子體激元波導(dǎo)41中干渉后經(jīng)輸出光纖32傳輸?shù)焦馓綔y器5，且被光探測器5探測出旋轉(zhuǎn)角速度。Y分支調(diào)制器2包括Y分支光波導(dǎo)21和調(diào)制器電極22 ;調(diào)制器電極22在Y分支光波導(dǎo)21兩分支兩側(cè)。柔性表面等離子體激元波導(dǎo)平面的橫截面由下至上依次為下包層43、芯層44、上包層45，其中上包層45和下包層43均為柔性有機聚合物，厚度為微米量級，芯層44為金屬，厚度為納米量級。本實用新型所提出基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)的光學(xué)陀螺結(jié)構(gòu)如圖I所示。構(gòu)成光信號的通道包括光源1，Y分支光調(diào)制器2，輸入光纖31，柔性表面等離子體激兀波導(dǎo)41,輸出光纖32,光探測器5。通過甩膜エ藝在襯底上制備出下包層43，厚度為微米量級。在下包層43上甩光刻膠，并刻蝕出波導(dǎo)形狀，再鍍上ー層金屬薄膜，厚度為納米量級，再剝離掉光刻膠，從而得到芯層44，最后甩上包層45。利用剝離技術(shù)將下包層與襯底分離，得到基于表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)平面。將表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)平面卷曲成柱面，將波導(dǎo)端面首尾對接光，A連接a，B連接b，C連接C，……，由于波導(dǎo)寬度相同，波導(dǎo)間距也相同，因此，所有波導(dǎo)連接成一條螺旋式超長光波導(dǎo)。將此表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)取代光纖接入陀螺中，即形成干渉式光波導(dǎo)陀螺。由于光波導(dǎo)寬度和間距均為微米量級，所以在較小體積內(nèi)就能形成螺旋式超長光波導(dǎo)，比光纖陀螺體積小，重量輕。通過調(diào)整芯包層材料折射率，可以得到較低的彎曲損耗，從而在傳輸損耗上可以與光纖陀螺媲美。并且波導(dǎo)環(huán)疊加圍繞面積大，易于計算，且不存在交叉損耗。另外，表面等離子體激元柔性材料光波導(dǎo)具有単一偏振態(tài)，實現(xiàn)各種尺寸下單模傳輸。該陀螺系統(tǒng)精簡了制備エ藝并降低成本，提高光學(xué)系統(tǒng)集成度，并且具有很好的抗震性能，可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本實用新型所掲示內(nèi)容所作的等效修飾或變 化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，其特征在于該光學(xué)陀螺包括光源(1)，Y分支調(diào)制器(2)，輸入光纖(31)，輸出光纖(32)，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)，光探測器(5); 柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)包括柔性表面等離子體激元波導(dǎo)(41)和柔性襯底(42)，其中， 光信號由光源(I)輸出到Y(jié)分支調(diào)制器(2)，調(diào)制后經(jīng)輸入光纖(31)輸入到柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)，光在柔性表面等離子體激元波導(dǎo)(41)中干涉后經(jīng)輸出光纖(32)傳輸?shù)焦馓綔y器(5 )，且被光探測器(5 )探測出旋轉(zhuǎn)角速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)光學(xué)陀螺，其特征在于，Y分支調(diào)制器(2)包括Y分支光波導(dǎo)(21)和調(diào)制器電極(22);調(diào)制器電極(22)在Y分支光波導(dǎo)(21)兩分支兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)光學(xué)陀螺，其特征在于，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)平面的橫截面由下至上依次為下包層(43)、芯層(44)、上包層(45)，其中上包層(45)和下包層(43)均為柔性有機聚合物，厚度為微米量級，芯層(44)為金屬，厚度為納米量級。
專利摘要本實用新型涉及一種基于柔性表面等離子體激元波導(dǎo)的光學(xué)陀螺，該光學(xué)陀螺包括光源(1)，Y分支調(diào)制器(2)，輸入光纖(31)，輸出光纖(32)，柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)，光探測器(5)；柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)包括柔性表面等離子體激元波導(dǎo)(41)和柔性襯底(42)，其中，光信號由光源(1)輸出到Y(jié)分支調(diào)制器(2)，調(diào)制后經(jīng)輸入光纖(31)輸入到柔性表面等離子體激元波導(dǎo)柱面(4)，光在柔性表面等離子體激元波導(dǎo)(41)中干涉后經(jīng)輸出光纖(32)傳輸?shù)焦馓綔y器(5)，且被光探測器(5)探測出旋轉(zhuǎn)角速度。本實用新型提高了光學(xué)陀螺系統(tǒng)集成度和抗震性能，簡化了光學(xué)陀螺結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01C19/72GK202393392SQ201120525608
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張彤, 張曉陽, 李威, 李若舟 申請人:東南大學(xué)