基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，包括用于傳導光信號并穩定其偏振態的第一嵌入式保偏光纖和第二嵌入式保偏光纖、嵌入式彎曲保偏光纖、用于調諧諧振腔耦合比并實現光信號在諧振腔中單偏振傳輸的可調諧表面等離激元耦合器，所述嵌入式彎曲保偏光纖和可調諧表面等離激元耦合器形成諧振腔，所述可調諧表面等離激元耦合器為表面等離激元波導耦合器，所述第一嵌入式保偏光纖、第二嵌入式保偏光纖和嵌入式彎曲保偏光纖埋設于可調諧表面等離激元耦合器的外圍層中，并與所述可調諧表面等離激元耦合器對接集成，保偏光纖與可調諧表面等離激元耦合器同芯片集成，實現了芯片的全固態，比傳統的光纖陀螺諧振腔更具穩定性，且沒有偏振噪聲。
【專利說明】
基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片
技術領域
[0001]本發明涉及集成光學傳感、高精度慣性導航領域，具體涉及一種光纖陀螺諧振腔芯片。
【背景技術】
[0002]諧振式光學陀螺是陀螺領域的重要發展方向之一，具有抗電磁干擾及靈敏度高等優勢，在高精度慣性制導系統中具有廣泛的應用前景，光學諧振腔是諧振式光學陀螺的核心組成元件，其性能直接決定著陀螺的精度與穩定性，目前研究的陀螺光學諧振腔主要為光纖諧振腔和集成光波導諧振腔，其中光纖諧振腔具有低損耗、高清晰度的優勢，但非全固態的特性嚴重影響了陀螺性能的穩定性，且存在偏振噪聲，集成光波導諧振腔具備微型化、全固態及成本低等優勢，被認為是新一代高性能陀螺儀的重點發展方向之一，但集成光波導的損耗大，嚴重限制了集成光波導諧振腔陀螺靈敏度的提高，而且還存在偏振噪聲，為了降低偏振噪聲，通常需要外圍偏振控制器保證光信號在陀螺傳輸光路中的單偏振傳輸，然而這卻嚴重限制了陀螺系統的小型化，陀螺諧振腔性實現調諧的難度大，且制備工藝復雜，因此全固態、單偏振、高清晰度及可調諧的光學諧振腔是諧振式光學陀螺領域亟待發展的重要方向。
【發明內容】
[0003]發明目的:本發明的目的在于針對現有光纖陀螺諧振非固態、存在偏振噪聲且不易于對傳輸特性進行調諧的問題，提供一種全固態、單偏振、可調諧的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片。
[0004]技術方案:本發明的一種基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，包括用于傳導光信號并穩定其偏振態的第一嵌入式保偏光纖和第二嵌入式保偏光纖、嵌入式彎曲保偏光纖、用于調諧諧振腔耦合比并實現光信號在諧振腔中單偏振傳輸的可調諧表面等離激元耦合器，所述嵌入式彎曲保偏光纖和可調諧表面等離激元耦合器形成諧振腔，所述可調諧表面等離激元耦合器為表面等離激元波導耦合器，所述第一嵌入式保偏光纖、第二嵌入式保偏光纖和嵌入式彎曲保偏光纖埋設于可調諧表面等離激元耦合器的外圍層中，并與所述可調諧表面等離激元耦合器對接集成。
[0005]進一步的，所述可調諧表面等離子體激元親合器包括第一定向親合器、第二定向耦合器、第一傳輸臂和第二傳輸臂，所述第一定向耦合器的第二端與所述第二定向耦合器的第五端通過第一傳輸臂連通，所述第一定向耦合器的第四端和所述第二定向耦合器的第七端與第二傳輸臂兩端留有間隙，所述第二傳輸臂一端通過第一電極引線與第一電極觸點連接，另一端通過第二電極引線與第二電極觸點連接，所述第一定向耦合器的第一端和所述第二定向耦合器的第六端與嵌入式彎曲保偏光纖的兩端連接，所述第一定向耦合器的第三端與第一嵌入式直保偏光纖連接，所述第二定向耦合器的第八端與第二嵌入式直保偏光纖連接。
[0006]優選的，所述第四端和第七端與第二傳輸臂兩端間隙大于O且小于5μπι。
[0007]進一步的，所述可調諧表面等離激元耦合器的外圍層設有第一凹槽和第二凹槽，所述第一嵌入式保偏光纖的第一保偏光纖嵌入第一凹槽內，所述第二嵌入式保偏光纖的第二保偏光纖嵌入第二凹槽內。
[0008]進一步的，所述可調諧表面等離激元耦合器的外圍層還設有彎曲凹槽，所述嵌入式彎曲保偏光纖的彎曲保偏光纖嵌入彎曲凹槽內。
[0009]優選的，所述表面等離激元波導包括依次堆疊成型的襯底，下包層，芯層、上包層和覆蓋層，所述芯層為金屬芯層，所述上包層、下包層和覆蓋層均為同種材料。
[0010]優選的，所述上包層與覆蓋層總厚度與下包層厚度相等，所述下包層厚度為10?50μπι，所述芯層厚度為2?20nm、寬度為2?20μπι。
[0011]進一步的，所述第一凹槽、第二凹槽和彎曲凹槽設于下包層和上包層之間。
[0012]進一步的，所述第一凹槽、第二凹槽和彎曲凹槽均為V型槽，并用所述覆蓋層填充覆蓋。
[0013]有益效果:本發明的一種基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，通過可調諧表面等離激元耦合器與保偏光纖對接集成實現了陀螺諧振腔芯片，利用彎曲保偏光纖作為該陀螺諧振腔芯片中環形組成部分，有效降低了光信號傳輸過程中的損耗，提高了諧振腔的清晰度，同時也穩定了諧振腔內光信號的偏振態，為提高陀螺靈敏度提供了保障，利用可調諧表面等離激元耦合器作為陀螺諧振腔的耦合器部分，表面等離激元波導的單偏振傳輸特性實現了光信號在諧振腔中單偏振傳輸表，可有效抑制陀螺系統中的偏振噪聲，提高陀螺靈敏度，另外，將可調諧表面等離激元耦合器中的一個傳輸臂中的金屬芯層即作為傳光介質又作為加熱電極，并在兩端分別引出電極觸點，可以通過向兩個電極觸點施加電壓改變加熱電極及其周圍介質的溫度，改變調制臂中的光傳輸特性，最終實現對耦合器的耦合比進行調諧，該調諧方式簡單快捷、響應速度快且制備工藝簡單，通過在可調諧表面等離激元耦合器芯片的外圍層先刻蝕V型槽，再將保偏光纖壓入槽中與可調諧表面等離激元耦合器對接并封裝，實現了保偏光纖與可調諧表面等離激元耦合器的同芯片集成，實現了芯片的全固態，比傳統的光纖諧振腔更具穩定性，且沒有偏振噪聲。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明芯片結構示意圖；
[0015]圖2為第一嵌入式保偏光纖或第二嵌入式保偏光纖的橫截面示意圖；
[0016]圖3為嵌入式彎曲保偏光纖的橫截面示意圖；
[0017]圖4為可調諧表面等離激元耦合器橫截面示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為進一步了解本發明的內容，結合附圖對本發明作詳細描述。
[0019]如圖1所示，一種基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，包括用于傳導光信號并穩定其偏振態的的第一嵌入式保偏光纖1、第二嵌入式保偏光纖3，用于構成諧振腔的嵌入式彎曲保偏光纖4和可調諧表面等離激元耦合器2，可調諧表面等離激元耦合器2用于過濾掉輸入光信號中的TE模式光，僅保留TM模式光，保證在彎曲保偏光纖4及從第一嵌入式保偏光纖I和第二嵌入式保偏光纖3輸出的光只有TM模式光，保證諧振腔的單偏振特性，以降低陀螺偏振噪聲，可調諧表面等離激元耦合器2為表面等離激元波導耦合器，第一嵌入式保偏光纖1、第二嵌入式保偏光纖3和嵌入式彎曲保偏光纖4埋設于可調諧表面等離激元耦合器2的外圍層6中，并與可調諧表面等離激元耦合器2對接集成，實現光纖與可調諧表面等離激元耦合器的同芯片集成，再結合圖2、圖3和圖4，在外圍層6上開設第一凹槽
11、第二凹槽31和彎曲凹槽41，第一凹槽11、第二凹槽31和彎曲凹槽41均為V型槽且設于下包層52和上包層53之間，然后把第一嵌入式保偏光纖I的第一保偏光纖12嵌入第一凹槽11內，把第二嵌入式保偏光纖3的第二保偏光纖32嵌入第二凹槽31內，再把嵌入式彎曲保偏光纖4的彎曲保偏光纖42嵌入彎曲凹槽41內，最后用覆蓋層54填充覆蓋;可調諧表面等離激元親合器2包括第一定向親合器21、第二定向親合器22、第一傳輸臂23和第二傳輸臂24，包括有第一端211、第二端213、第三端212、第四端214、第五端221、第六端223、第七端222和第八端224八個端口，所述的第二端213與第五端221通過第一傳輸臂23連通，第四端214與第七端222通過第二傳輸臂24連通，第二輸出端214、第二傳輸臂24和第四輸入端222導通處設有間隙，間隙為O?5μπι，所述第二傳輸臂24—端通過第一電極引線25與第一電極觸點27連接，另一端通過第二電極引線26與第二電極觸點28連接，所述的第一端211和第六端223與嵌入式彎曲保偏光纖4的兩端連接，形成環形諧振腔結構，所述的第三端212與第一嵌入式保偏光纖I連接，所述的第八端224與第二嵌入式保偏光纖3連接，可調諧表面等離激元耦合器2為表面等離激元波導耦合器，表面等離激元波導包括依次堆疊成型的襯底51，下包層52，芯層29、上包層53和覆蓋層54，其中:上包層53與覆蓋層54總厚度與下包層52厚度相等，下包層52厚度為ΙΟμπι，且在不大于50μηι情況下可以實現芯片功能及優勢，芯層為金屬材料，厚度為2nm且不能大于20nm、寬度為2μπι且不能大于20μπι情況下均可以實現芯片功能及優勢，上包層53、下包層52和覆蓋層54均為同種材料；
[0020]制作該芯片時，先在襯底51上制備特定厚度的下包層，然后通過旋涂光刻膠、烘干、光刻、顯影、鍍金屬膜及剝離等工藝制備出可調諧表面等離激元耦合器2的金屬芯層結構并制備上包層53，再通過刻蝕法制備出V型槽，將保偏光纖放入V型槽，可調諧表面等離激元耦合器2輸入或輸出口的芯層29分別與保偏光纖對接連通，最后再制備覆蓋層54將保偏光纖固定在對應的V型槽中，形成固態化陀螺諧振腔芯片；
[0021]表面等離激元波導是一種僅傳輸TM模的光傳輸介質，具有良好的單偏振傳輸特性，利用表面等離激元波導制備的可調諧表面等離激元耦合器2，與第一嵌入式保偏光纖1、第二嵌入式保偏光纖3和嵌入式彎曲保偏光纖4成型的陀螺諧振腔也具備單偏振傳輸特性，可有效抑制陀螺系統中的偏振噪聲；
[0022]表面等離激元波導的芯層29既能傳播光信號，也能傳播電信號，具有光電復用特性，利用表面等離激元波導金屬的芯層29光電復用特性實現諧振腔性能的可調諧；
[0023]保偏光纖作為諧振腔的重要組成部分，降低諧振腔的損耗，提高了清晰度，并與可調諧表面等離激元耦合器2實現在同一芯片上的集成，與傳統光纖陀螺諧振腔相比，該發明芯片具有全固態、單偏振、高清晰度、可調諧等優點，提高了光纖陀螺諧振腔整體性能。
【主權項】
1.一種基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:包括用于傳導光信號并穩定其偏振態的第一嵌入式保偏光纖(I)和第二嵌入式保偏光纖(3)、嵌入式彎曲保偏光纖(4)、用于調諧諧振腔耦合比并實現光信號在諧振腔中單偏振傳輸的可調諧表面等離激元耦合器(2)，所述嵌入式彎曲保偏光纖(4)和可調諧表面等離激元耦合器(2)形成諧振腔，所述可調諧表面等離激元耦合器(2)為表面等離激元波導耦合器，所述第一嵌入式保偏光纖(I)、第二嵌入式保偏光纖(3)和嵌入式彎曲保偏光纖(4)埋設于可調諧表面等離激元耦合器(2)的外圍層(6)中，并與所述可調諧表面等離激元耦合器(2)對接集成。2.根據權利要求1所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述可調諧表面等離子體激元耦合器(2)包括第一定向耦合器(21)、第二定向耦合器(22)、第一傳輸臂(23)和第二傳輸臂(24)，所述第一定向耦合器(21)的第二端(213)與所述第二定向耦合器(22)的第五端(221)通過第一傳輸臂(23)連通，所述第一定向耦合器(21)的第四端(214)和所述第二定向耦合器(22)的第七端(222)與第二傳輸臂(24)兩端留有間隙，所述第二傳輸臂(24) —端通過第一電極引線(25)與第一電極觸點(27)連接，另一端通過第二電極引線(26)與第二電極觸點(28)連接，所述第一定向耦合器(21)的第一端(211)和所述第二定向耦合器(22)的第六端(223)與嵌入式彎曲保偏光纖(4)的兩端連接，所述第一定向耦合器(21)的第三端(212)與第一嵌入式直保偏光纖(I)連接，所述第二定向耦合器(22)的第八端(224)與第二嵌入式直保偏光纖(3)連接。3.根據權利要求2所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述第四端(214)和第七端(222)與第二傳輸臂(24)兩端間隙大于O且小于5μπι。4.根據權利要求1所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述可調諧表面等離激元耦合器(2)的外圍層(6)設有第一凹槽(11)和第二凹槽(31)，所述第一嵌入式保偏光纖(I)的第一保偏光纖(12)嵌入第一凹槽(11)內，所述第二嵌入式保偏光纖(3)的第二保偏光纖(32)嵌入第二凹槽(31)內。5.根據權利要求1所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述可調諧表面等離激元耦合器(2)的外圍層(6)還設有彎曲凹槽(41)，所述嵌入式彎曲保偏光纖(4)的彎曲保偏光纖(42)嵌入彎曲凹槽(41)內。6.根據權利要求1所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述表面等離激元波導包括依次堆疊成型的襯底(51)，下包層(52)，芯層(29)、上包層(53)和覆蓋層(54)，所述芯層為金屬芯層，所述上包層(53)、下包層(52)和覆蓋層(54)均為同種材料。7.根據權利要求6所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述上包層(53)與覆蓋層(54)總厚度與下包層(52)厚度相等，所述下包層(52)厚度為10?50μπι，所述芯層(29)厚度為2?20nm、寬度為2?20μπι。8.根據權利要求4或5所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述第一凹槽(11)、第二凹槽(31)和彎曲凹槽(41)設于下包層(52)和上包層(53)之間。9.根據權利要求4或5所述的基于可調諧表面等離激元耦合器的光纖陀螺諧振腔芯片，其特征在于:所述第一凹槽(11)、第二凹槽(31)和彎曲凹槽(41)均為V型槽，并用所述覆蓋 層(54)填充覆蓋。
【文檔編號】G01C19/72GK105823474SQ201610158860
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】張彤, 錢廣, 路宇, 唐杰, 張曉陽
【申請人】東南大學