CN102419175B - 基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源（1），Y分支调制器（2），输入光纤（31），输出光纤（32），柔性表面等离子体激元波导柱面（4），光探测器（5）；柔性表面等离子体激元波导柱面（4）包括柔性表面等离子体激元波导（41）和柔性衬底（42），其中，光信号由光源（1）输出到Y分支调制器（2），调制后经输入光纤（31）输入到柔性表面等离子体激元波导柱面（4），光在柔性表面等离子体激元波导（41）中干涉后经输出光纤（32）传输到光探测器（5），且被光探测器（5）探测出旋转角速度。本发明提高了光学陀螺系统集成度和抗震性能，简化了光学陀螺结构。

Description

基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺

技术领域

本发明提出一种利用柔性表面等离子体激元波导弯曲连接成长波导的光学陀螺，特别涉及设计并制备柔性表面等离子体激元波导，代替传统光纤陀螺，有效减小陀螺体积重量，应用于光学陀螺领域。

背景技术

光学陀螺作为新型陀螺仪，具有灵敏度高、结构灵活、体积重量小等性能优势，引起了世界上许多国家的大学和科研机构的普遍重视。光学陀螺是利用闭合光波导环路中的萨格奈克效应来测量旋转体的转动角速度，包括激光陀螺、光纤陀螺、集成光波导陀螺等。激光陀螺是利用光信号在自由空间中传输形成闭合回路，稳定性较差，所以目前的高精度光学陀螺以光纤陀螺为主。光纤陀螺是以光纤为信号载体，利用闭合光纤环路中的萨格奈克效应测量旋转体的转动角速度。但是，要想的到较高的陀螺精度，光纤长度必须足够长，一般需要几公里，光纤环体积和重量大，成本高。因此，光纤陀螺难以做到小型化，集成化。随着光学陀螺需求的领域和数量不断增大，对光学陀螺提出了小型化、集成化、成本低和稳定性高的要求。集成光波导陀螺虽能实现一定程度的集成化，但仍无法取代光纤陀螺，其主要原因是平面光波导集成工艺无法制备超长光波导谐振腔，且平面光波导工艺加工的光波导损耗远高于光纤。因此目前的集成光波导陀螺面临技术瓶颈，无法实现高精度。

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限制光场强度；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。

另外，聚合物材料和光波导制备工艺迅速发展，一种全新的波导结构—柔性材料光波导成为集成光学领域的新兴研究方向。柔性材料光波导是一种在柔性材料基础上制备出的具有较强柔韧性、可以弯曲的光波导。与传统光波导相比，柔性材料光波导具有抗震，防撞击，可以按任意形状弯曲的特点。并且通过调整芯包层材料折射率，可以得到较低的弯曲损耗，因此可以设计并制备出超长弯曲波导。基于这些特点，柔性材料光波导在光通信、光学传感领域有着巨大的发展前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，利用表面等离子体激元光波导的优良传输特性以及柔性材料光波导的可塑性，并通过对波导芯包层折射率的调整，降低波导损耗，实现该超长光波导取代传统光纤应用到陀螺领域，与已有集成光波导陀螺技术相比，技术上有重大突破，大幅提高了陀螺灵敏度，具有单偏振态、低损耗、体积小、重量轻、高精度、低成本、工艺简单等优点。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源，Y分支调制器，输入光纤，输出光纤，柔性表面等离子体激元波导柱面，光探测器；

柔性表面等离子体激元波导柱面包括柔性表面等离子体激元波导和柔性衬底，其中，

光信号由光源输出到Y分支调制器，调制后经输入光纤输入到柔性表面等离子体激元波导柱面，光在柔性表面等离子体激元波导中干涉后经输出光纤传输到光探测器，且被光探测器探测出旋转角速度。

优选的，Y分支调制器包括Y分支光波导和调制器电极；调制器电极在Y分支光波导两分支两侧。

优选的，柔性表面等离子体激元波导平面的横截面由下至上依次为下包层、芯层、上包层，其中上包层和下包层均为柔性有机聚合物，厚度为微米量级，芯层为金属，厚度为纳米量级。

有益效果：1、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导，采用表面等离子体激元波导与柔性聚合物材料衬底相结合传输光信号，通过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，实现与光纤低损耗对接。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，从而实现高精度光学陀螺。

2、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，利用柔性材料的可弯曲特性，设计新型干涉式光波导陀螺结构，比光纤陀螺体积小，重量轻，并且可以通过调整芯包层材料折射率，得到较低的弯曲损耗；并且波导弯曲面不需要刻蚀，弯曲损耗远小于传统平面加工工艺制备的弯曲波导。

3、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，波导环具有面积大、交叉损耗小的优点。传统陀螺波导环绕行方式决定其环绕面积小且叠加面积不易计算，并且具有交叉损耗。本发明则解决这一难题，波导环叠加围绕面积大，易于计算，且不存在交叉损耗。

4、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，简化了制备工艺并降低成本，提高光学系统集成度，并且具有很好的抗震性能，可以广泛应用于军事领域。

5、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，与已有集成光波导陀螺技术相比，技术上有重大突破，大幅提高了陀螺灵敏度，是陀螺领域的重大技术突破。

附图说明

图1是基于表面等离子体激元柔性材料光波导的光学陀螺结构示意图。

图2是基于表面等离子体激元柔性材料光波导展开平面示意图。

图3是基于表面等离子体激元柔性材料光波导横截面示意图。

以上的图中有：光源1，Y分支调制器2，Y分支光波导21，调制器电极22，输入光纤31，输出光纤32，柔性表面等离子体激元波导柱面4，柔性表面等离子体激元波导41，柔性衬底42，下包层43，芯层44，上包层45，光探测器5。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明的基于表面等离子体激元柔性材料光波导的光学陀螺是这样实现的，利用金属表面等离子体激元特性及柔性聚合物材料制备出柔性材料光波导，波导都具有相同宽度和间距，将光波导卷曲，波导端面首尾对接固定，从而所有波导连接成一条超长光波导。将此光波导取代光纤接入光学陀螺系统，即可形成基于表面等离子体激元柔性材料光波导的光学陀螺。

参见图1－3，本发明提供的基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，该光学陀螺包括光源1，Y分支调制器2，输入光纤31，输出光纤32，柔性表面等离子体激元波导柱面4，光探测器5；

柔性表面等离子体激元波导柱面4包括柔性表面等离子体激元波导41和柔性衬底42，图1中柔性表面等离子体激元波导柱面是由图2中柔性表面等离子体激元波导平面卷曲后，将波导端面首尾对接固定而成。其中，

光信号由光源1输出到Y分支调制器2，调制后经输入光纤31输入到柔性表面等离子体激元波导柱面4，光在柔性表面等离子体激元波导41中干涉后经输出光纤32传输到光探测器5，且被光探测器5探测出旋转角速度。

Y分支调制器2包括Y分支光波导21和调制器电极22；调制器电极22在Y分支光波导21两分支两侧。

柔性表面等离子体激元波导平面的横截面由下至上依次为下包层43、芯层44、上包层45，其中上包层45和下包层43均为柔性有机聚合物，厚度为微米量级，芯层44为金属，厚度为纳米量级。

本发明所提出基于表面等离子体激元柔性材料光波导的光学陀螺结构如图1所示。构成光信号的通道包括： 光源1，Y分支光调制器2，输入光纤31，柔性表面等离子体激元波导41，输出光纤32，光探测器5。

通过甩膜工艺在衬底上制备出下包层43，厚度为微米量级。在下包层43上甩光刻胶，并刻蚀出波导形状，再镀上一层金属薄膜，厚度为纳米量级，再剥离掉光刻胶，从而得到芯层44，最后甩上包层45。利用剥离技术将下包层与衬底分离，得到基于表面等离子体激元柔性材料光波导平面。将表面等离子体激元柔性材料光波导平面卷曲成柱面，将波导端面首尾对接光，A连接a，B连接b，C连接c,……，由于波导宽度相同，波导间距也相同，因此，所有波导连接成一条螺旋式超长光波导。

将此表面等离子体激元柔性材料光波导取代光纤接入陀螺中，即形成干涉式光波导陀螺。由于光波导宽度和间距均为微米量级，所以在较小体积内就能形成螺旋式超长光波导，比光纤陀螺体积小，重量轻。通过调整芯包层材料折射率，可以得到较低的弯曲损耗，从而在传输损耗上可以与光纤陀螺媲美。并且波导环叠加围绕面积大，易于计算，且不存在交叉损耗。另外，表面等离子体激元柔性材料光波导具有单一偏振态，实现各种尺寸下单模传输。该陀螺系统精简了制备工艺并降低成本，提高光学系统集成度，并且具有很好的抗震性能，可以广泛应用于军事领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于柔性表面等离子体激元波导的光学陀螺，其特征在于：该光学陀螺包括光源（1），Y分支调制器（2），输入光纤（31），输出光纤（32），柔性表面等离子体激元波导柱面（4），光探测器（5）；

柔性表面等离子体激元波导柱面（4）包括柔性表面等离子体激元波导（41）和柔性衬底（42），利用金属表面等离子体激元特性及柔性聚合物材料制备出柔性材料光波导，波导都具有相同宽度和间距，将光波导卷曲，波导端面首尾对接固定，从而所有波导连接成一条超长光波导，将此光波导取代光纤接入光学陀螺系统，即可形成基于表面等离子体激元柔性材料光波导的光学陀螺；

其中，

光信号由光源（1）输出到Y分支调制器（2），调制后经输入光纤（31）输入到柔性表面等离子体激元波导柱面（4），光在柔性表面等离子体激元波导（41）中干涉后经输出光纤（32）传输到光探测器（5），且被光探测器（5）探测出旋转角速度。

2.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离子体激元波导光学陀螺，其特征在于，Y分支调制器（2）包括Y分支光波导（21）和调制器电极（22）；调制器电极（22）在Y分支光波导（21）两分支两侧。

3.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离子体激元波导光学陀螺，其特征在于，柔性表面等离子体激元波导平面的横截面由下至上依次为下包层（43）、芯层（44）、上包层（45），其中上包层（45）和下包层（43）均为柔性有机聚合物，厚度为微米量级，芯层（44）为金属，厚度为纳米量级。

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