基于可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔芯片

摘要

本发明公开了一种基于可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔芯片，包括用于传导光信号并稳定其偏振态的第一嵌入式保偏光纤和第二嵌入式保偏光纤、嵌入式弯曲保偏光纤、用于调谐谐振腔耦合比并实现光信号在谐振腔中单偏振传输的可调谐表面等离激元耦合器，所述嵌入式弯曲保偏光纤和可调谐表面等离激元耦合器形成谐振腔，所述可调谐表面等离激元耦合器为表面等离激元波导耦合器，所述第一嵌入式保偏光纤、第二嵌入式保偏光纤和嵌入式弯曲保偏光纤埋设于可调谐表面等离激元耦合器的外围层中，并与所述可调谐表面等离激元耦合器对接集成，保偏光纤与可调谐表面等离激元耦合器同芯片集成，实现了芯片的全固态，比传统的光纤陀螺谐振腔更具稳定性，且没有偏振噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学传感、高精度惯性导航领域，具体涉及一种光纤陀螺谐 振腔芯片。

背景技术

谐振式光学陀螺是陀螺领域的重要发展方向之一，具有抗电磁干扰及灵敏度 高等优势，在高精度惯性制导系统中具有广泛的应用前景，光学谐振腔是谐振式 光学陀螺的核心组成元件，其性能直接决定着陀螺的精度与稳定性，目前研究的 陀螺光学谐振腔主要为光纤谐振腔和集成光波导谐振腔，其中光纤谐振腔具有低 损耗、高清晰度的优势，但非全固态的特性严重影响了陀螺性能的稳定性，且存 在偏振噪声，集成光波导谐振腔具备微型化、全固态及成本低等优势，被认为是 新一代高性能陀螺仪的重点发展方向之一，但集成光波导的损耗大，严重限制了 集成光波导谐振腔陀螺灵敏度的提高，而且还存在偏振噪声，为了降低偏振噪声， 通常需要外围偏振控制器保证光信号在陀螺传输光路中的单偏振传输，然而这却 严重限制了陀螺系统的小型化，陀螺谐振腔性实现调谐的难度大，且制备工艺复 杂，因此全固态、单偏振、高清晰度及可调谐的光学谐振腔是谐振式光学陀螺领 域亟待发展的重要方向。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有光纤陀螺谐振非固态、存在偏振噪声 且不易于对传输特性进行调谐的问题，提供一种全固态、单偏振、可调谐的基于 可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔芯片。

技术方案：本发明的一种基于可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔 芯片，包括用于传导光信号并稳定其偏振态的第一嵌入式保偏光纤和第二嵌入式 保偏光纤、嵌入式弯曲保偏光纤、用于调谐谐振腔耦合比并实现光信号在谐振腔 中单偏振传输的可调谐表面等离激元耦合器，所述嵌入式弯曲保偏光纤和可调谐 表面等离激元耦合器形成谐振腔，所述可调谐表面等离激元耦合器为表面等离激 元波导耦合器，所述第一嵌入式保偏光纤、第二嵌入式保偏光纤和嵌入式弯曲保 偏光纤埋设于可调谐表面等离激元耦合器的外围层中，并与所述可调谐表面等离 激元耦合器对接集成。

进一步的，所述可调谐表面等离子体激元耦合器包括第一定向耦合器、第二 定向耦合器、第一传输臂和第二传输臂，所述第一定向耦合器的第二端与所述第 二定向耦合器的第五端通过第一传输臂连通，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与第二传输臂两端留有间隙，所述第二传输臂一端通 过第一电极引线与第一电极触点连接，另一端通过第二电极引线与第二电极触点 连接，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与嵌入式弯 曲保偏光纤的两端连接，所述第一定向耦合器的第三端与第一嵌入式直保偏光纤 连接，所述第二定向耦合器的第八端与第二嵌入式直保偏光纤连接。

优选的，所述第四端和第七端与第二传输臂两端间隙大于0且小于5μm。

进一步的，所述可调谐表面等离激元耦合器的外围层设有第一凹槽和第二凹 槽，所述第一嵌入式保偏光纤的第一保偏光纤嵌入第一凹槽内，所述第二嵌入式 保偏光纤的第二保偏光纤嵌入第二凹槽内。

进一步的，所述可调谐表面等离激元耦合器的外围层还设有弯曲凹槽，所述 嵌入式弯曲保偏光纤的弯曲保偏光纤嵌入弯曲凹槽内。

优选的，所述表面等离激元波导包括依次堆叠成型的衬底，下包层，芯层、 上包层和覆盖层，所述芯层为金属芯层，所述上包层、下包层和覆盖层均为同种 材料。

优选的，所述上包层与覆盖层总厚度与下包层厚度相等，所述下包层厚度为 10～50μm，所述芯层厚度为2～20nm、宽度为2～20μm。

进一步的，所述第一凹槽、第二凹槽和弯曲凹槽设于下包层和上包层之间。

进一步的，所述第一凹槽、第二凹槽和弯曲凹槽均为V型槽，并用所述覆 盖层填充覆盖。

有益效果：本发明的一种基于可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔 芯片，通过可调谐表面等离激元耦合器与保偏光纤对接集成实现了陀螺谐振腔芯 片，利用弯曲保偏光纤作为该陀螺谐振腔芯片中环形组成部分，有效降低了光信 号传输过程中的损耗，提高了谐振腔的清晰度，同时也稳定了谐振腔内光信号的 偏振态，为提高陀螺灵敏度提供了保障，利用可调谐表面等离激元耦合器作为陀 螺谐振腔的耦合器部分，表面等离激元波导的单偏振传输特性实现了光信号在谐 振腔中单偏振传输表，可有效抑制陀螺系统中的偏振噪声，提高陀螺灵敏度，另 外，将可调谐表面等离激元耦合器中的一个传输臂中的金属芯层即作为传光介质 又作为加热电极，并在两端分别引出电极触点，可以通过向两个电极触点施加电 压改变加热电极及其周围介质的温度，改变调制臂中的光传输特性，最终实现对 耦合器的耦合比进行调谐，该调谐方式简单快捷、响应速度快且制备工艺简单， 通过在可调谐表面等离激元耦合器芯片的外围层先刻蚀V型槽，再将保偏光纤压 入槽中与可调谐表面等离激元耦合器对接并封装，实现了保偏光纤与可调谐表面 等离激元耦合器的同芯片集成，实现了芯片的全固态，比传统的光纤谐振腔更具 稳定性，且没有偏振噪声。

附图说明

图1为本发明芯片结构示意图；

图2为第一嵌入式保偏光纤或第二嵌入式保偏光纤的横截面示意图；

图3为嵌入式弯曲保偏光纤的横截面示意图；

图4为可调谐表面等离激元耦合器横截面示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

如图1所示，一种基于可调谐表面等离激元耦合器的光纤陀螺谐振腔芯片， 包括用于传导光信号并稳定其偏振态的的第一嵌入式保偏光纤1、第二嵌入式保 偏光纤3，用于构成谐振腔的嵌入式弯曲保偏光纤4和可调谐表面等离激元耦合 器2，可调谐表面等离激元耦合器2用于过滤掉输入光信号中的TE模式光，仅 保留TM模式光，保证在弯曲保偏光纤4及从第一嵌入式保偏光纤1和第二嵌入 式保偏光纤3输出的光只有TM模式光，保证谐振腔的单偏振特性，以降低陀螺 偏振噪声，可调谐表面等离激元耦合器2为表面等离激元波导耦合器，第一嵌入 式保偏光纤1、第二嵌入式保偏光纤3和嵌入式弯曲保偏光纤4埋设于可调谐表 面等离激元耦合器2的外围层6中，并与可调谐表面等离激元耦合器2对接集成， 实现光纤与可调谐表面等离激元耦合器的同芯片集成，再结合图2、图3和图4， 在外围层6上开设第一凹槽11、第二凹槽31和弯曲凹槽41，第一凹槽11、第 二凹槽31和弯曲凹槽41均为V型槽且设于下包层52和上包层53之间，然后 把第一嵌入式保偏光纤1的第一保偏光纤12嵌入第一凹槽11内，把第二嵌入式 保偏光纤3的第二保偏光纤32嵌入第二凹槽31内，再把嵌入式弯曲保偏光纤4 的弯曲保偏光纤42嵌入弯曲凹槽41内，最后用覆盖层54填充覆盖；可调谐表 面等离激元耦合器2包括第一定向耦合器21、第二定向耦合器22、第一传输臂 23和第二传输臂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224八个端口，所述的第二端213 与第五端221通过第一传输臂23连通，第四端214与第七端222通过第二传输 臂24连通，第二输出端214、第二传输臂24和第四输入端222导通处设有间隙， 间隙为0～5μm，所述第二传输臂24一端通过第一电极引线25与第一电极触点 27连接，另一端通过第二电极引线26与第二电极触点28连接，所述的第一端 211和第六端223与嵌入式弯曲保偏光纤4的两端连接，形成环形谐振腔结构， 所述的第三端212与第一嵌入式保偏光纤1连接，所述的第八端224与第二嵌入 式保偏光纤3连接，可调谐表面等离激元耦合器2为表面等离激元波导耦合器， 表面等离激元波导包括依次堆叠成型的衬底51，下包层52，芯层29、上包层53 和覆盖层54，其中：上包层53与覆盖层54总厚度与下包层52厚度相等，下包 层52厚度为10μm，且在不大于50μm情况下可以实现芯片功能及优势，芯层为 金属材料，厚度为2nm且不能大于20nm、宽度为2μm且不能大于20μm情况下 均可以实现芯片功能及优势，上包层53、下包层52和覆盖层54均为同种材料；

制作该芯片时，先在衬底51上制备特定厚度的下包层，然后通过旋涂光刻 胶、烘干、光刻、显影、镀金属膜及剥离等工艺制备出可调谐表面等离激元耦合 器2的金属芯层结构并制备上包层53，再通过刻蚀法制备出V型槽，将保偏光 纤放入V型槽，可调谐表面等离激元耦合器2输入或输出口的芯层29分别与保 偏光纤对接连通，最后再制备覆盖层54将保偏光纤固定在对应的V型槽中，形 成固态化陀螺谐振腔芯片；

表面等离激元波导是一种仅传输TM模的光传输介质，具有良好的单偏振传 输特性，利用表面等离激元波导制备的可调谐表面等离激元耦合器2，与第一嵌 入式保偏光纤1、第二嵌入式保偏光纤3和嵌入式弯曲保偏光纤4成型的陀螺谐 振腔也具备单偏振传输特性，可有效抑制陀螺系统中的偏振噪声；

表面等离激元波导的芯层29既能传播光信号，也能传播电信号，具有光电 复用特性，利用表面等离激元波导金属的芯层29光电复用特性实现谐振腔性能 的可调谐；

保偏光纤作为谐振腔的重要组成部分，降低谐振腔的损耗，提高了清晰度， 并与可调谐表面等离激元耦合器2实现在同一芯片上的集成，与传统光纤陀螺谐 振腔相比，该发明芯片具有全固态、单偏振、高清晰度、可调谐等优点，提高了 光纤陀螺谐振腔整体性能。