CN101566475B - 二轴光学陀螺 - Google Patents
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Abstract
二轴光学陀螺，本发明所提出的光学陀螺是由表面等离子激元Y型模式分离器、Y波导集成光学器件、Y波导集成光学芯片、第一保偏光纤线圈、第二保偏光纤线圈、定向耦合器和探测器构成。本发明属于集成光学和惯性传感器技术领域，提出一种二轴光学陀螺，采用不同材料波导器件实现一种模式分离的二轴光学陀螺。具有提高光源利用率、集成度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于集成光学和惯性传感器技术领域，特别涉及一种二轴光学陀螺。
背景技术
光学陀螺是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测试元件。光学陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的新型光电陀螺仪，其技术的发展与陀螺仪的发展密切相关。惯性制导系统的性能很大程度上取决于陀螺仪的性能，因此，陀螺仪技术水平直接影响着惯性导航系统和惯性制导装置的性能指标。目前应用中的光学陀螺主要以实现单轴测量功能为主，功能单一，无法实现多轴空间的同时测量，因此，实现单个惯性传感器的多轴(二轴、三轴)测量是未来对单个惯性传感器的发展研制要求所在。
近些年来，传统介质集成光学器件由于衍射极限的限制，在小型化、集成化方面遇到瓶颈，而表面等离子波可以把能量高度限制在金属与介质分界面处，使得表面等离子激元波导能够实现信号长程传输并保持其单一偏振态，同时也能实现同一光路中的光、电复用。
发明内容
技术问题：本发明提出一种二轴光学陀螺，采用不同材料波导器件实现一种模式分离的二轴测光学陀螺，具有提高光源利用率、集成度高等优点。
技术方案：本发明的二轴光学陀螺包括表面等离子激元Y型模式分离器、Y波导集成光学器件、Y波导集成光学芯片、第一保偏光纤线圈、第二保偏光纤线圈、第一定向耦合器、第二定向耦合器和第一探测器、第二探测器；其位置关系为表面等离子激元Y型模式分离器两个输出端分别与Y波导集成光学器件、Y波导集成光学芯片相连，Y波导集成光学器件、Y波导集成光学芯片的输出端分别与第一保偏光纤线圈和第二保偏光纤线圈相连，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Y波导集成光学芯片上支波导输出端之上。
表面等离子激元Y型模式分离器是由聚合物芯层、聚合物包层构成，表面等离子激元Y型模式分离器的臂上覆盖有金属薄膜，其中，金属薄膜的厚度在10至20纳米之间，宽度在1至3微米之间，聚合物芯层的宽度与厚度均为数微米量级。
Y波导集成光学器件采用LiNbO3晶体材料制备。Y波导集成光学芯片由表面等离子体激元波导制备成，表面等离子体激元波导由金属芯层、上包层、下包层、衬底组成，其金属芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为4至8微米之间，上包层、下包层均为有机聚合物介质材料，上包层、下包层厚度均在10至20微米之间。
本发明所提出的二轴光学陀螺光路如下：光源进入表面等离子激元Y型模式分离器，将光源分为TE模式光信号和TM模式光信号。输出的TE模式光信号经过定向耦合器进入Y波导集成光学器件分束，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别输出耦合进入保偏光纤线圈；输出的TM模式光信号经过定向耦合器进入Y波导集成光学芯片分束，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别输出耦合进入保偏光纤线圈。进入保偏光纤线圈中的光信号形成顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回，通过定向耦合器耦合进入探测器。
有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：
1、本发明所提出的二轴光学陀螺和传统的单个惯性光学陀螺的单轴测量相比较，其独特的模式分离结构可实现单个惯性光学陀螺的二轴测量。
2、本发明的二轴光学陀螺采用不同材料实现信号不同模式的传输，其中，表面等离子体激元波导材料实现了光信号传输的保偏。
3、本发明的二轴光学陀螺与传统的单个惯性光学陀螺相比，实现了TE模式光信号与TM模式光信号在不同轴向测量的应用，提高了光源的利用率。
4、本发明的二轴光学陀螺基于表面等离子激元原理能够实现同一光路中的光、电复用。
附图说明
图1是二轴光学陀螺整体结构示意图。
图2是二轴光学陀螺表面等离子激元Y型模式分离器横截面示意图。
图3是二轴光学陀螺表面等离子体激元波导的横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明所提出的二轴光学陀螺，从结构上看，该光学陀螺由表面等离子激元Y型模式分离器1、Y波导集成光学器件2、Y波导集成光学芯片3、第一保偏光纤线圈41、第二保偏光纤线圈42、定向耦合器51、52和探测器61、62构成；其位置关系为表面等离子激元Y型模式分离器1两个输出端分别与Y波导集成光学器件2、Y波导集成光学芯片3相连，Y波导集成光学器件2、Y波导集成光学芯片3的输出端分别与第一保偏光纤线圈41和第二保偏光纤线圈42相连，第一调制电极71、第二调制电极72和第一金属线间隙81、第二金属线间隙82制备在Y波导集成光学芯片3上支波导输出端之上。
根据麦克斯韦方程组及其边界条件可知，只有TM横磁模可以垂直于金属与介质的分界面传播，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。本发明提出的二轴光学陀螺基于表面等离子体激元原理采用表面等离子体激元波导材料实现模式分离二轴测量。
本发明所提出的二轴光学陀螺原理如下：
光源进入表面等离子激元Y型模式分离器，将光源分为TE模式光信号和TM模式光信号，其中，TE模式光信号由表面等离子激元Y型模式分离器直通臂一端输出，TM模式光信号由表面等离子激元Y型模式分离器的具有金属薄膜结构的另一臂输出。输出的TE模式光信号经过耦合器进入Y波导集成光学器件分束产生互易性良好的两束光信号，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别由输出波导输出耦合进入保偏光纤线圈，也可使用消偏技术和普光纤线圈代替保偏光纤线圈以降低成本；输出的TM模式光信号进过耦合器进入Y波导集成光学芯片分束产生互易性良好的两束光信号，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别由输出波导输出耦合进入保偏光纤线圈，同样这里也可使用消偏技术和普光纤线圈代替保偏光纤线圈以降低成本。进入保偏光纤线圈中的光信号形成顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回，并由耦合器耦合进入探测器，通过探测器检保偏光纤线圈输出相位差得到角速度。
Claims (4)
1.一种二轴光学陀螺，其特征在于：该光学陀螺包括表面等离子激元Y型模式分离器(1)、Y波导集成光学器件(2)、Y波导集成光学芯片(3)、第一保偏光纤线圈(41)、第二保偏光纤线圈(42)、第一定向耦合器(51)、第二定向耦合器(52)和第一探测器(61)、第二探测器(62)；其位置关系为表面等离子激元Y型模式分离器(1)两个输出端分别与Y波导集成光学器件(2)、Y波导集成光学芯片(3)相连，Y波导集成光学器件(2)、Y波导集成光学芯片(3)的输出端分别与第一保偏光纤线圈(41)和第二保偏光纤线圈(42)相连，第一调制电极(71)、第二调制电极(72)和第一金属线间隙(81)、第二金属线间隙(82)制备在Y波导集成光学芯片(3)上支波导输出端之上；
二轴光学陀螺光路如下：光源进入表面等离子激元Y型模式分离器，将光源分为TE模式光信号和TM模式光信号，输出的TE模式光信号经过定向耦合器进入Y波导集成光学器件分束，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别输出耦合进入保偏光纤线圈；输出的TM模式光信号经过定向耦合器进入Y波导集成光学芯片分束，其中一束光信号由相位调制器进行相位调制，两束光信号分别输出耦合进入保偏光纤线圈，进入保偏光纤线圈中的光信号形成顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回，通过定向耦合器耦合进入探测器。
2.根据权利要求1所述的二轴光学陀螺，其特征在于表面等离子激元Y型模式分离器(1)是由聚合物芯层(12)、聚合物包层(13)构成，表面等离子激元Y型模式分离器(1)的臂上覆盖有金属薄膜(11)，其中，金属薄膜(11)的厚度在10至20纳米之间，宽度在1至3微米之间，聚合物芯层(12)的宽度与厚度均为数微米量级。
3.根据权利要求1所述的二轴光学陀螺，其特征在于Y波导集成光学器件(2)采用LiNbO3晶体材料制备。
4.根据权利要求1所述的二轴光学陀螺，其特征在于Y波导集成光学芯片(3)由表面等离子体激元波导制备成，表面等离子体激元波导由金属芯层(31)、上包层(32)、下包层(33)、衬底(9)组成，其金属芯层(31)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，上包层(32)、下包层(33)均为有机聚合物介质材料，上包层、下包层厚度均在10至20微米之间。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |