基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片

摘要

基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片，为一种表面等离子体激元波导与聚合物光波导互连传输光信号的集成光学光纤陀螺芯片，应用于光纤陀螺领域。光纤陀螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导(1)和第三输出波导(7)、定向耦合器(2)、对称三波导分束器(3)和第一输出波导(61)、第二输出波导(62)，利用表面等离子体激元波导的传输特性实现光信号的长程传输单一偏振性，直接对表面等离子体激元波导芯层进行调制，并由特定结构消除泄漏光对光纤陀螺精度的影响。利用该芯片可降低光学陀螺检测噪声，精简光学陀螺结构和制备工艺，实现低成本、高精度、高稳定性的光纤陀螺。

说明书

技术领域

本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，特别涉及一种表面等离子体激元波导与聚合物光波导互连结构的集成光学光纤陀螺芯片，应用于光纤陀螺领域。

背景技术

光纤陀螺作为新型陀螺仪，依靠光纤作为激光束的载体，利用闭合光纤环路中的Sagnac效应来测量旋转体的转动角速度。光纤陀螺一问世就以其明显的优点、结构的灵活性以及诱人的前景，引起了世界上许多国家的大学和科研机构的普遍重视，二十年来获得了很大的进展。随着光纤陀螺需求的领域和数量不断增大，对光纤陀螺提出了小型化、集成化、成本低和稳定性高的要求。

目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成光学芯片是基于LiNbO₃材料的集成芯片。这种集成芯片通常为质子交换LiNbO₃光波导Y分路，因此称为Y波导集成光学器件(国外称多功能集成光学芯片MFIOC)，该器件在同一芯片上集成了Y型分束器、偏振器和相位调制器，可应用于各种精度的闭环光纤陀螺中。这种集成光学芯片虽然在集成光学光纤陀螺的实用化程度最好，但是在应用中也存在以下一些不足：

1.当光信号从光纤线圈返回入射到Y型波导时，部分信号将泄漏并散失到衬底中，产生泄漏模式，从而影响光纤陀螺的精度。

2.LiNbO₃光波导制作方法为质子交换法，对质子交换的时间、温度、交换介质的特性及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高；

3.要对LiNbO₃光波导进行相位调制，需在光波导两侧制备调制电极，通过电光效应来实现，使制备工艺更加复杂且调制效率相对不高；

近年来，随着纳米科学和纳电子学的发展，一种全新的波导结构--表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons-SPPs)波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是一种在金属表面传播的并且被约束在此表面的一种非辐射电磁波。表面等离子体激元被约束在波导表面是光和金属的自由电子相互作用的结果。表面等离子体激元波导具有普通光波导所不具备的特性：如可以实现在纳米尺度上的信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各种尺寸下单模传输；表面等离子体激元波导的金属芯层结构，不但能够传播光信号，还可以传播电信号，可实现在同一芯片上光电混合；金属的介电常数为复数，其虚部代表金属吸收光的能力，通过对金属芯层的设计实现信号的迅速衰减；可对表面等离子体激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离子体激元波导器件的高效调谐等。基于表面等离子体激元波导的这些特性，表面等离子体激元波导器件可在光通信、光学传感领域发挥重要应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种表面等离子体激元波导与聚合物光波导互连的集成光学光纤陀螺芯片，利用表面等离子体激元波导实现信号传输的单一偏振态，通过对表面等离子体激元的芯层调制实现相位和分束比可控，并设计一种特定结构消除泄漏光，以降低光纤陀螺的检测噪声，该芯片具有器件体积小、低成本、高精度、工艺简单等优点。

技术方案：本发明的基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片是这样实现的，光纤陀螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导和第三输出波导、定向耦合器、对称三波导分束器和第一输出波导、第二输出波导，其位置关系为：定向耦合器上支波导两端分别与其输入波导和对称三波导分束器中支波导输入端相连，下支波导两端分别与第三输出波导和第三金属纳米线相连，对称三波导分束器上支波导两端分别与第一金属纳米线和第一输出波导相连，分束器下支波导两端分别与第二金属纳米线和第二输出波导相连，第一调制电极、第二调制电极和第一金属线间隙、第二金属线间隙制备在分束器上支波导耦合端之上，第三调制电极、第四调制电极和第三金属线间隙、第四金属线间隙制备在分束器下支波导输出端之上；其中，输入波导、第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导为聚合物光波导，定向耦合器和对称三波导分束器由表面等离子体激元波导制备，输入波导、第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、定向耦合器和对称三波导分束器均制备在同一衬底上。

输入波导和第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导由衬底、聚合物芯层、上包层、下包层组成，其芯层为有机聚合物，厚度为数微米量级；定向耦合器和对称三波导分束器由表面等离子体激元波导制备，表面等离子体激元波导由衬底、金属芯层、上包层、下包层组成，其芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为4至8微米之间；聚合物光波导与表面等离子体激元波导均制备在同一衬底上，上包层、下包层均为有机聚合物介质材料，上、下包层厚度在10至20微米之间。

制备输入波导和第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导的聚合物光波导与制备定向耦合器和对称三波导分束器的表面等离子体激元波导之间形成互连结构，表面等离子体激元波导芯层位于聚合物光波导芯层的中心面上。

本发明提出的集成光学光纤陀螺芯片的光路如下：光纤陀螺光学系统光源为超辐射发光二级管(SLD)，光信号经过输入光纤耦合进入输入波导中，传输至与之互连的定向耦合器2中，进入对称三波导分束器2，光信号被分成两束光分别进入与分束器互连的第一输出波导、第二输出波导，再分别耦合至第一输出光纤、第二输出光纤，之后分别进入第一消偏器、第二消偏器，传入光纤线圈中形成顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回，在对称三波导分束器再次会合形成干涉，干涉光经定向耦合器传输至第三输出波导，经过输出光纤到达光探测器组件，以实现对角速度的探测。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、本发明所提出的集成光学光纤陀螺芯片，利用金属的吸收特性，设计新型结构消除泄漏模式对光纤陀螺精度的影响，并利用表面等离子体激元波导特有的传输特性，实现光信号长程传输的保偏，实现不同芯层宽度下单模传输，与LiNbO₃光波导器件相比，精度更高，其保偏性能更好。

2、本发明所提出的集成光学光纤陀螺芯片，采用表面等离子体激元波导与聚合物光波导互连来传输光信号，利用改变表面等离子体激元波导芯层宽度来调节其光斑大小达到波导间模式匹配，实现波导间低损耗对接。

3、本发明所提出的集成光学光纤陀螺芯片，可一次制备定向耦合器、对称三波导分束器和调制电极，与制备LiNbO₃光波导器件相比，精简了制备工艺并降低成本，提高光学系统集成度，而直接对表面等离子体激元波导芯层进行相位调制和强度调制，调制效率更高，稳定性更好。

附图说明

图1是基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片结构示意图。

图2是基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片横截面示意图。

图3是应用基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片光学陀螺示意图。

以上的图中有：输入波导1，定向耦合器2，对称三波导分束器3、分束器上支波导31、分束器中支波导32、分束器下支波导33，第一调制电极41、第二调制电极42、第三调制电极43、第四调制电极44，第一金属线间隙51、第二金属线间隙52、第三金属线间隙53、第四金属线间隙54，第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7、第一金属纳米线81、第二金属纳米线82、第三金属纳米线83，衬底9，金属芯层10、聚合物芯层11，上包层12，下包层13，超辐射发光二级管14，输入光纤151，输出光纤152，第一输出光纤161、第二输出光纤162，第一消偏器171、第二消偏器172，光纤线圈18及光探测器组件19。

具体实施方式

表面等离子体激元是一种在金属表面传播的并且被约束在此表面的一种非辐射电磁波。表面等离子体激元被约束在波导表面是光和金属的自由电子相互作用的结果。表面等离子体激元波导是一种基于表面等离子体激元的金属光波导。表面等离子体激元波导具有与普通光波导不同的性质：

1.根据麦克斯韦方程组及其边界条件可知，只有TM横磁模可以垂直边界传播，能耦合激发表面等离子体激元，产生表面等离子体激元，而TE横电模不能产生耦合激发的现象，因此表面等离子体激元波导可保持信号长程传输的单一偏振性，实现各种波导尺寸下信号的单模传输。本发明提出的集成光学光纤陀螺芯片利用表面等离子体激元波导制备定向耦合器和对称三波导分束器可实现信号在集成光学芯片传输的单一偏振性。

2.在可见光和近红外区域，金属的介电常数为复数，表面等离子体激元的波矢也为复数，金属介电常数的虚部决定金属的吸收性质，表面等离子体激元的波矢的虚部决定了表面等离子体激元传播时地欧姆损耗，因此金属波导可以欧姆损耗的形式对光信号进行吸收，而不形成明显泄漏模式。本发明提出的集成光学光纤陀螺芯片中可对纳米金属线81、82、83的宽度和厚度设计，从而与传输波导区分，增强对光信号的吸收。

3.要激发表面等离子体激元必须满足动量匹配和模式匹配，有机聚合物波导芯层折射率比表面等离子体激元波导金属芯层折射率略大，可满足两种波导间光信号传输的动量匹配，实现表面等离子体激元波导与聚合物光波导的直接对接传播光信号。而表面等离子体激元波导的光斑大小与金属芯层的宽度密切相关，因此可利用改变波导芯层宽度大小来调节其光斑大小，与聚合物光波导模场匹配，实现表面等离子体激元波导与聚合物光波导的低损耗对接。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明提出的基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片结构如

图1所示：本集成光学光纤陀螺芯片由输入波导1、定向耦合器2、对称三波导分束器3、第一调制电极41、第二调制电极42、第三调制电极43、第四调制电极44、第一金属线间隙51、第二金属线间隙52、第三金属线间隙53、第四金属线间隙54、第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7和设计制作的第一金属纳米线81、第二金属纳米线82、第三金属纳米线83组成，输入波导1和第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7由衬底9、聚合物芯层11、上包层12、下包层13组成，定向耦合器2、对称三波导分束器3由表面等离子体激元波导制备而成，表面等离子体激元波导由衬底9、金属芯层10、上包层12、下包层13组成，其位置关系为：定向耦合器2上支波导两端分别与其输入波导1和对称三波导分束器3分束器中支波导32输入端相连，下支波导两端分别与第三输出波导7和第三金属纳米线83相连，对称三波导分束器3分束器上支波导31两端分别与第一金属纳米线81和第一输出波导61相连，分束器下支波导33两端分别与第二金属纳米线82和第二输出波导62相连，第一调制电极41、第二调制电极42和第一金属线间隙51、第二金属线间隙52制备在分束器上支波导31耦合端之上，第三调制电极43、第四调制电极44和第三金属线间隙53、第四金属线间隙54制备在分束器下支波导33输出端之上；其中，输入波导1、第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7为聚合物光波导，定向耦合器2和对称三波导分束器3由表面等离子体激元波导制备，输入波导1、第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7、定向耦合器2和对称三波导分束器3均制备在同一衬底9上。

其中，聚合物光波导与为表面等离子体激元波导之间形成波导互连结构，表面等离子体激元波导芯层10位于聚合物光波导芯层11中心面上；第一调制电极41、第二调制电极42和第一金属线间隙51、第二金属线间隙5间金属形成电流回路，对光信号进行强度调制，第三调制电极43、第四调制电极44和第三金属线间隙53、第四金属线间隙54间金属形成电流回路，对光信号进行相位调制；为了防止光信号在定向耦合器2和对称三波导分束器3的耦合过程中在各自耦合空端形成泄漏模式，设计制作了第一金属纳米线81、第二金属纳米线82、第三金属纳米线83用来吸收耦合空端的光信号，提高光学陀螺的精度。

输入波导1和第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7由衬底9、聚合物芯层11、上包层12、下包层13组成，其芯层为有机聚合物，厚度为数微米量级；定向耦合器2和对称三波导分束器3由表面等离子体激元波导制备，表面等离子体激元波导由衬底9、金属芯层10、上包层12、下包层13组成，其芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为4至8微米之间；聚合物光波导与表面等离子体激元波导均制备在同一衬底9上，上包层12、下包层13均为有机聚合物介质材料，上、下包层厚度在10至20微米之间。如图2所示。

本发明提出的集成光学光纤陀螺芯片应用于光纤陀螺领域，应用本芯片的光纤陀螺如图3所示。其光路及各组件功能如下：光纤陀螺光学系统采用光纤陀螺常用光源超辐射发光二级管(SLD)14，SLD辐射出短相干长度光，极大地降低光散射噪声，同时又具有足够大的输出功率，是光纤陀螺的理想光源。光信号经过输入光纤8后耦合到输入波导1中，传输至与之互连的定向耦合器2中，进入对称三波导分束器3，对称三波导分束器由表面等离子体激元波导制备，可实现信号长程传输的单一偏振性，提高光学陀螺精度。对第一调制电极41、第二调制电极42加电压，实现光信号强度调制，对第三调制电极43、第四调制电极44加电压，实现光信号相位调制，这样分束器和相位、强度调制器将光束分成强度比50∶50、相位一致的两束光分别进入与分束器互连的第一输出波导61、第二输出波导62，再分别耦合至第一输出光纤161、第二输出光纤162，之后分别进入第一消偏器171、第二消偏器172消偏，消偏器将两束保偏光信号进行消偏。采用双消偏器技术既可满足光纤陀螺光学系统互易，又可使用普通单模光纤线圈代替保偏光纤线圈，降低成本。消偏光传入光纤线圈18后在线圈中顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回，在对称三波导分束器3再次会合形成干涉，干涉光经定向耦合器2传输至第三输出波导7，在每次耦合过程中第一金属纳米线81、第二金属纳米线82、第三金属纳米线83吸收耦合空端的光信号，消除泄漏模式对光纤陀螺精度的影响，最后光信号经过输出光纤152到达光探测器组件19，实现对角速度的探测。