CN103411596A - 光子自旋角速率传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现角速率的测量装置，其利用自旋光子通过波导时角动量之间的交换，实现自旋光子对角速率传感器振动结构的驱动功能；光子自旋角速率传感器系统包括光驱动系统、振动结构系统以及光检测系统。光驱动系统提供具有角动量的驱动光束以及与振动结构系统之间的光耦合部分；振动结构系统提供光波导结构以及相应的振动部分，衔接光驱动系统与检测系统；检测系统提供光检测部分，用于检测振动角速率传感器中Coriolis效应引起的位移部分，通过对检测信号处理实现对外界输入角速率的检测；本发明采用自旋光子驱动波导结构以及光检测Coriolis效应的全光操作的测量角速率的功能，实现机械学与光学领域的有效结合。

Description

光子自旋角速率传感器及系统

技术领域

本发明涉及微型测量仪器技术领域,特别涉及光子驱动与微纳米机械领域结合的光子自旋角速率传感器及系统。

背景技术

角速率传感器是一种检测角速率的惯性测量器件，在军事、商业等领域都有广泛的应用。目前对于振动类的角速率传感器来说，其基于哥氏效应的振动类传感器应用较为广泛，其主要的驱动方式：压电式驱动，电磁式驱动，静电式驱动，声驱动等。对于压电式驱动的角速率传感器，由于压电材料与基底材料不同，膨胀系数的也存在差别，这样也将造系统温漂加大，影响系统输出测量精度；对于电容梳齿驱动或电磁方式驱动或声表面波驱动等，主要受原理性电、磁噪声等影响从而降低了系统测量精度。

传统的光学角速率传感器，比如光纤角速率传感器、激光角速率传感器等精度比较高，但是成本比较高，同时体积也比较大，由此在应用领域受到了极大的限制。目前在商业领域中MEMS振动角速率传感器应用比较广泛，主要存在的优势在于其体积小、成本低，精度可满足民用领域的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种自旋光子驱动的角速率传感器；克服传统方式中电驱动方式中的电磁干扰等缺陷，提高了精度；同时克服了传统光学角速率传感器体积过大的缺陷，实现了全光操作的芯片级系统。

本发明的目的之一是提出一种光子自旋角速率传感器；本发明的目的之二是提出一种光子自旋角速率传感器系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的光子自旋角速率传感器，包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；所述第二波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁相对应的一端上；

所述第一波导另一端两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二波导另一端两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间存在缝隙距离；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上，所述第一波导、第二波导的开口端固定设置于基底上。

进一步，所述第一波导为第一U型波导，所述第二波导均为第二U型波导，所述第一U型波导和第二U型波导的两端直臂为波导臂，所述第一U型波导和第二U型波导中部的波导圆弧顶为波导顶。

进一步，所述第一U型波导、第二U型波导与第一质量块、第二质量块的连接点位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处。

进一步，所述第一质量块和第二质量块之间的缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离。

进一步，所述基底凹槽的长度为L，取决于所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁以及第一质量块和第二质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于第一质量块和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的光子自旋角速率传感器系统，包括光驱动系统、光子自旋角速率传感器以及检测系统；

所述光驱动系统，用于产生具有角动量的驱动光束；

所述光子自旋角速率传感器为振动结构系统，所述振动结构系统通过光耦合器将驱动光束进入到振动结构系统中的光波导中进行传输，与光波导之间进行角动量转换，从而驱动波导振动；

所述检测系统，用于产生探测光束和参考光束，并将探测光束耦合进入振动结构系统进行调制后获得腔输出光束，最后根据参考光束与腔输出光束之间的频率变化解算出外界输入角速率量值。

进一步，所述光驱动系统包括光源、偏振态转换器、微固定器和光耦合器；

所述光源通过偏振态转换器形成左旋、右旋圆或椭圆极化光；

所述微固定器用于固定光耦合器并对准振动结构系统的波导光输入端，极化光通过光耦合器进入波导传播，形成自旋光子。

进一步，所述振动结构系统包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一U型波导和第二U型波导的开口两端分别作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；

所述第一U型波导两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二U型波导两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接，且连接点均位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间存在缝隙距离，其缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上，所述第一波导、第二波导的开口端固定设置于基底上；

所述基底凹槽的长度为L，取决于所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁以及第一质量块和第二质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于第一质量块和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值；

所述极化光分别通过第一U型波导、第二U型波导的的波导臂传输到波导圆弧顶，在波导圆弧顶上产生扭转力矩而产生振动；

进一步，所述检测系统包括光源、分光器、锥形耦合器、光电探测器、频谱分析仪和输出角速率单元；

所述光源通过分光器产生探测光束和参考光束，所述锥形耦合器将探测光束耦合进入晶格光检测腔，同时将调制之后的光信号耦合出晶格光检测腔形成腔输出光束，所述参考光束与腔输出光束经过光电探测器形成电信号，所述电信号输入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算出外界输入角速率并通过输出角速率单元输出。

进一步，所述第一U型波导、第二U型波导分别为单弧形、多弧形组合以及多边形组合结构的波导。

本发明的优点在于：本发明提出的光子自旋角速率传感器及系统，是一种利用了自旋光子驱动的角速率传感器，其极化光通过光耦合器进入光波导中传输，与光波导之间存在角动量转换，从而驱动波导振动，实现了自旋光子驱动波导结构，完成了光学与机械学的结合，相比传统的驱动方式，克服传统方式中电驱动方式中的电磁干扰等缺陷，具有更好的抗电磁干扰，同时对温度等不敏感，最大程度的避免了驱动引入的系统误差，从根本上降低了系统噪声，提供了系统测量精度与测量灵敏度；同时克服了传统光学角速率传感器体积过大的缺陷；本发明采用自旋光驱动微纳米结构实现角速率传感器的驱动功能，同时采用光检测实现对角速率的提取与解算，实现了光驱动、光检测以及与微纳米结构结合，形成了新型自旋光驱动的振动类角速率传感器，其具备光学角速率传感器的高精度低噪声等优势，同时具备MEMS角速率传感器的体积小、造价低的优势，由此将在不同的应用领域取得突破实现了全光操作的芯片级系统。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为光自旋驱动角速率传感器系统结构图；

图2为自旋光子动量分布示意图；

图3为光子自旋驱动波导理论；

图4为一种可实现光自旋角速率传感器的系统与结构；

图5为光自旋角速率传感器的振动结构系统效果图；

图6为光自旋角速率传感器的振动结构系统俯视图；

图7为基底上下凹槽结构设计；

图8为基底凹槽剖面图；

图9为U型波导结构设计图；

图10为U型波导结构剖面图；

图11为U型波导半圆形波导设计；

图12为自旋光束驱动U型波导结构示意图；

图13为自旋光束驱动U型波导结构振动剖面图；

图14为光子自旋角速率传感器的工作原理图。

图中，光驱动系统1、振动结构系统2、检测系统3、基底201、基底凹槽202、自旋光输入端203、第一波导204、第二波导205、第一连接梁206、第二连接梁207、连接结构208、第一质量块209、第二质量块210、动晶格腔臂211、定晶格腔臂212。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图5为光自旋角速率传感器的振动结构系统效果图；图6为光自旋角速率传感器的振动结构系统俯视图；图7为基底上下凹槽结构设计；图8为基底凹槽剖面图；如图所示：本发明提供的光子自旋角速率传感器，包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；所述第二波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁相对应的一端上；

所述第一波导另一端两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二波导另一端两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间存在缝隙距离，本实施例中的第一、第二质量块并排平行排列；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上。

所述第一波导为第一U型波导，所述第二波导均为第二U型波导，所述第一U型波导和第二U型波导的两端直臂为波导臂，所述第一U型波导和第二U型波导中部的波导圆弧顶为波导顶。

其中第一质量块的另外两侧通过第一U型波导两侧的直臂连接，同理第二质量块的另外两侧通过第二U型波导两侧的直臂连接；

所述第一U型波导、第二U型波导与第一质量块、第二质量块的连接点位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处。

所述第一质量块和第二质量块之间的缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离；链接形成的整体结构悬空，仅在第一第二U型波导开口端固定。

所述基底凹槽的长度为L，取决于所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁以及第一质量块和第二质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于第一质量块和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值；

图1为光自旋驱动角速率传感器系统结构图；图2为自旋光子动量分布示意图；图3为光子自旋驱动波导理论；图4为一种可实现光自旋角速率传感器的系统与结构；如图所示，本发明提供的光子自旋角速率传感器系统，包括光驱动系统、振动结构系统以及检测系统；

所述光驱动系统，用于产生具有角动量的驱动光束；

所述振动结构系统，通过光耦合器将驱动光束进入到振动结构系统中的光波导中进行传输，与光波导之间进行角动量转换，从而驱动波导振动；

所述检测系统，用于产生探测光束和参考光束，并将探测光束耦合进入振动结构系统进行调制后获得腔输出光束，最后根据参考光束与腔输出光束之间的频率变化解算出外界输入角速率量值。

所述光驱动系统包括光源、偏振态转换器、微固定器和光耦合器；

所述光源通过偏振态转换器形成左旋、右旋圆或椭圆极化光；

所述微固定器用于固定光耦合器对准振动结构系统的波导光输入端，极化光通过光耦合器进入波导传播，形成自旋光子。

所述振动结构系统包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一U型波导和第二U型波导的开口两端分别作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；

所述第一U型波导两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二U型波导两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接，且连接点均位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间存在缝隙距离，其缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离；链接形成的整体结构悬空，仅在双U型结构开口端固定；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上；

所述基底凹槽的长度为L，取决于双U型波导、连接梁以及质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值；

所述极化光通过U型波导的波导臂传输到波导圆弧顶，在波导圆弧顶上产生扭转力矩而产生振动；

所述检测系统包括光源、分光器、锥形耦合器、光电探测器、频谱分析仪和输出角速率单元；

所述光源通过分光器产生探测光束和参考光束，所述锥形耦合器将探测光束耦合进入晶格光检测腔，同时将调制之后的光信号耦合出晶格光检测腔形成腔输出光束，所述参考光束与腔输出光束经过光电探测器形成电信号，所述电信号输入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算出外界输入角速率并通过输出角速率单元输出。具体解算过程的如下：

由电子频谱分析仪读出值PSD_ESA(ω)，

${\mathrm{PSD}}_{\mathrm{ESA}}\left(\mathrm{\ω}\right)=10\·\log [\frac{{\left(g_{\mathrm{ti}}{P}_m\left(\mathrm{\ω}\right)\right)}^2}{Z}\·1000]$

角速率计算公式如下：

$a_{\mathrm{appl}}\left(\mathrm{\ω}\right)=x\left(\mathrm{\ω}\right)\·[{\mathrm{\ω}}_m^2+{\mathrm{\ω}}^2+i\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{Q_m}]=\frac{P_m\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\η}}_i{P}_{\mathrm{in}}{g}_{\mathrm{OM}}}\·\frac{\mathrm{d\Δ}}{\mathrm{dT}}\·[{\mathrm{\ω}}_m^2+{\mathrm{\ω}}^2+i\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{Q_m}]$

其中:ω_m为质量块振动频率,x(ω)为质量块的微位移，g_OM为第一X轴光子晶体腔、第二X轴光子晶体腔、第一Y轴光子晶体腔、第二Y轴光子晶体腔的光机械耦合系数，P_m(ω)为质量块运动所产生的传输光功率调制的频率分量。

所述第一和第二波导包括单弧形、多弧形组合以及多边形组合结构。

实施例2

下面结合附图和对本发明系统结构作进一步详细说明。

光子自旋角速率传感器与系统，包括光驱动系统、振动结构系统以及检测系统。

光源通过光驱动系统形成左旋或右旋圆极化光，或左旋或右旋椭圆极化光，该极化光通过光耦合器进入光波导中传输，与光波导之间存在角动量转换，从而驱动波导振动。

被驱动的波导完成了振动类角速率传感器的振动结构系统中的驱动部分，同时当外界输入角速率Ω，在Coriolis效应作用下，Coriolis力引起第一质量块或第二质量块振动位移出现；该振动位移将对检测光束进行调制，引起检测光束的光频率的变化，形成输出光束。

如图1所示，图中的检测系统基本的组成包括光源，分光器，光耦合器以及信号处理系统；其中光源，分光器，光耦合器构成信号检测系统，光源通过分光器之后形成检测光束与参考光束，而参考光束特性直接进入信号处理系统中，其目的是为了与输出光束形成对比分辨求取输入的角速率；分光器形成的检测光束通过光耦合器耦合用于探测Coriolis力分别引起第一质量块、第二质量块振动位移大小，然后通过光耦合器耦合形成输出光束；对比检测光束以及输出光束的变化，即可实现对角速率测量功能，其中，光耦合器、输出光束部分、信号处理部分和角速率测量单元构成信号提取系统。

结合图2我们详细说明光子自旋具有的角动量；光源经过光驱动系统之后形成自旋光束，其包括右自旋光子和左自旋光子两种形式，在自旋光与自旋光中箭头的方向为光子自旋传输时形成的角动量的方向，沿着直线传输方向的左旋或右旋角动量，统一用自旋光表示。

结合附图3，若在力矩为M作用下，初始的角动量L，经过时间dt后，旋转轴转向了一个新的位置，此时的动量为L+ΔL，同时产生一个转角dθ，此时产生的动量变化为：

dL=Mdt     (1)

因L＝Jω，ΔL=Ldθ，可得

$\mathrm{dq}=\frac{\left|\mathrm{dL}\right|}{L}=\frac{\mathrm{Mdt}}{L}---\left(2\right)$

其中，ω表示转动角速率；ΔL表示角动量变化；

相应在此时间内的进动角速度：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\frac{M}{L}---\left(3\right)$

在产生的扭矩T为：

T=W×L      (4)

W表示凹槽的宽度；L表示凹槽的长度。

式(4)给出了扭矩产生的条件。

结合附图3详细说明当自旋光通过具有轨道方式波导时，产生的力学效果及扭矩分布；若输入光功率为P，每秒进入波导中的光子数为

光的角频率是ω，光在光纤中的传播速度c/n_eff，单位光纤中包含的光子数为

波导的有效折射率为n_eff，若每个光子携带的角动量为

则单位光纤包含光子的角动量为

结合(5)式，当光进入弯曲波导中时，图3中弯曲波导的半径为R，旋转角动量为

则得到单位长度光子的进动力产生扭矩如下：

通过理论分析我们可知自旋光子具有旋转角动量，在波导中传输时可以驱动传输波导。

附图4给了一种可实现光自旋角速率传感器的系统与结构，其系统组成分为三个部分：光驱动系统部分、光检测部分以及振动结构部分；光驱动系统部分分为光源，光隔离器，偏振态转换器，锥形光耦合器，光输入端；本实施例的隔离器包括两个隔离器、偏振态转换器和锥形光耦合器分别设置于两个光输入端的光路上，其中光源通过光隔离器之后形成单向光，单向光经过偏振态转换器形成驱动所需极化光(左旋极化光或右旋极化光)，极化光通过锥形耦合器分别耦合到第一和第二波导光输入端，从而驱动第一和第二波导。

光检测系统结构组成分为光源经过分光器以后形成探测光束与参考光束，如图4所示，左边的为探测光束，右边的为参考光束，探测光束通过锥形光耦合器耦合进入晶格光检测腔，在晶格光检测腔内的光经过调制以后通过锥形光耦合器耦合出来形成腔输出光束，将参考光束与腔输出光束输入光电探测器中，形成相应的电信号输入到频谱分析仪中，通过对参考光束与腔输出光束的频率分析与对比即可解算得出外界输入角速率。

附图5说明一种可实现光自旋角速率传感器的系统与结构的振动结构设计，附图6为包括光自旋角速率传感器的系统与结构的振动结构俯视图，结合两图，其振动结构系统包括：基底，第一波导和第二波导为U型波导，第一连接梁和第二连接梁，第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔的动晶格腔臂、定晶格腔臂；其中第一质量块通过第一连接梁、与第一波导、相互链接，第二质量块通过第二连接梁、与第二波导、相互链接，晶格光检测腔、动晶格腔臂、分别固定在第一和第二质量块上，晶格光检测腔、定晶格腔臂、分别通过连接结构、与基底的基底凹槽壁固定；其中第一和第二波导、第一和第二连接梁、第一和第二质量块以及晶格光检测腔组成振动结构中的核心振动结构，作为一个整体结构悬空在基底的基底凹槽上。

附图7说明基底上的基底凹槽的结构设计，基底凹槽结构包括凹槽侧壁、，以及凹槽底部；其中凹槽侧壁与用来固定晶格光检测腔中的定晶格腔臂。

附图8为基底凹槽的剖面图，其中基底凹槽长度为L，取决于附图5中第一和第二波导、第一和第二连接梁以及第一和第二质量块的长度之和；基底凹槽深度为H，其数值取决于第一和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值；基底凹槽主要功能是提供悬浮空间与振动空间。

附图9为第一和第二波导的设计，包括波导臂与，波导圆弧顶；当光驱动系统产生自旋极化光通过第一和第二波导之后，结合自旋光子驱动波导的理论分析以及公式(6)，则自旋光在第一和第二波导的圆弧上产生扭转的力矩，图9中的箭头指向与分布；则该设计的在扭转力矩作用下产生振动，实现自旋光驱动波导结构。

附图10与附图11为第一和第二波导详细结构与连接图，其中附图10所示，第一和第二波导的双波导臂与半圆弧形波导连接。附图11为U型波导的半圆弧形波导设计结构，其中R为半圆弧形波导外径，r为半圆弧形波导内径；根据自旋光子驱动波导理论分析中的公式(6)，可知扭转力矩T的大小与设计半圆弧形波导外径与内径的大小相关，合理设计可得最优越的扭转力矩。

附图12自旋光束驱动第一和第二波导结构示意图，两束自旋光束分别耦合到第一和第二波导中传输，自旋光子产生的力矩分布如图9箭头所示，控制自旋光的输入脉冲时间，即可驱动第一和第二波导在脉冲频率下振动；图12给出了波导振动情况，其中黑色为原始第一和第二波导原始位置，阴影部分为振动之后的位置；附图13为自旋光束驱动第一和第二波导结构振动剖面图，其驱动振动的位置与原始位置位移量为Δd，即为光子驱动角速率传感器在自旋光驱动下的位移量。

附图14为光子自旋角速率传感器的工作原理图，在附图12中看出自旋光束驱动第一和第二波导振动出现位移量为Δd，则通过第一和第二连接梁分别连接的第一和第二质量块在第一和第二波导振动带动下在X轴向上出现驱动振动位移量不小于Δd，即实现了自旋光子驱动第一和第二质量块的功能，满足振动角速率传感器的驱动功能；结合附图3中外界角速率Ω沿着Z轴向输入，在Y轴向上形成哥氏力，在哥氏力作用下，第一和第二质量块将在Y轴向上产生振动，即为第一和第二质量块/的哥氏振动，该振动将引起固定在第一和第二质量块上的晶格光检测腔的动晶格腔臂与晶格光检测腔的定晶格腔臂的相对运动；晶格光检测腔的动晶格腔臂与晶格光检测腔的定晶格腔臂的相对运动；以及另一个晶格光检测腔的动晶格腔臂与晶格光检测腔的动晶格腔臂的相对运动；由此三个晶格光检测腔内部腔距离产生变化，进一步对输入晶格光检测腔内部的光束进行调制，引起光频等参数的变化；通过光检测系统对光束参数变化的解算得出输入系统的角速率Ω，实现角速率的测量功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.光子自旋角速率传感器，其特征在于：包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；所述第二波导的一端作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁相对应的一端上；

所述第一波导另一端两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二波导另一端两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间设置有缝隙距离；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上，所述第一波导、第二波导的开口端固定设置于基底上。

2.根据权利要求1所述的光子自旋角速率传感器，其特征在于：所述第一波导为第一U型波导，所述第二波导均为第二U型波导，所述第一U型波导和第二U型波导的两端直臂为波导臂，所述第一U型波导和第二U型波导中部的波导圆弧顶为波导顶。

3.根据权利要求2所述的光子自旋角速率传感器，其特征在于：所述第一U型波导、第二U型波导与第一质量块、第二质量块的连接点位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处。

4.根据权利要求1所述的光子自旋角速率传感器，其特征在于：所述第一质量块和第二质量块之间的缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离。

5.根据权利要求1所述的光子自旋角速率传感器，其特征在于：所述基底凹槽的长度为L，取决于所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁以及第一质量块和第二质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于第一质量块和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值。

6.利用权利要求1-5任一项所述的光子自旋角速率传感器组成的光子自旋角速率传感器系统，其特征在于：包括光驱动系统、光子自旋角速率传感器以及检测系统；

所述光驱动系统，用于产生具有角动量的驱动光束；

所述光子自旋角速率传感器为振动结构系统，所述振动结构系统通过光耦合器将驱动光束进入到振动结构系统中的光波导中进行传输，与光波导之间进行角动量转换，从而驱动波导振动；

所述检测系统，用于产生探测光束和参考光束，并将探测光束耦合进入振动结构系统进行调制后获得腔输出光束，最后根据参考光束与腔输出光束之间的频率变化解算出外界输入角速率量值。

7.根据权利要求6所述的光子自旋角速率传感器系统，其特征在于：所述光驱动系统包括光源、偏振态转换器、微固定器和光耦合器；

所述光源通过偏振态转换器形成左旋、右旋圆或椭圆极化光；

所述微固定器用于固定光耦合器并对准振动结构系统的波导光输入端，使得极化光通过光耦合器进入波导传播，形成自旋光子。

8.根据权利要求6所述的光子自旋角速率传感器系统，其特征在于：所述振动结构系统包括基底、基底凹槽、自旋光输入端、第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块、动晶格腔臂和定晶格腔臂；

所述基底上的设置有基底凹槽；所述定晶格腔臂固定于基底凹槽侧壁；

所述第一U型波导和第二U型波导的开口两端分别作为自旋光输入端设置于所述基底凹槽另一侧壁上；

所述第一U型波导两侧的波导臂通过第一连接梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，所述第二U型波导两侧的波导臂通过第二连接梁分别与第一质量块、第二质量块的另一端连接，且连接点均位于第一U型波导、第二U型波导的波导臂和波导圆弧的交点处；

所述第一质量块位于第一连接梁的中部，所述第二质量块位于第二连接梁的中部，所述第一质量块和第二质量块之间存在缝隙距离，其缝隙距离大小取决于哥氏力作用下第一质量块和第二质量块相对运动的距离；

所述动晶格腔臂平行固定于第一质量块和第二质量块两侧上，所述动晶格腔臂和定晶格腔臂形成三个晶格光检测腔，即第一质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第一质量块上的动晶格腔臂与第二质量块上的动晶格腔臂形成的晶格光检测腔、第二质量块上的动晶格腔臂与定晶格腔臂形成的晶格光检测腔；

所述晶格光检测腔的定晶格腔臂通过连接结构与基底凹槽侧壁固定连接；所述第一U型波导、第二U型波导、第一连接梁、第二连接梁、连接结构、第一质量块、第二质量块以及晶格光检测腔作为一个整体结构悬空设置在基底凹槽上，所述第一波导、第二波导的开口端固定设置于基底上；

所述基底凹槽的长度为L，取决于所述第一波导、第二波导、第一连接梁、第二连接梁以及第一质量块和第二质量块的长度之和；所述基底凹槽深度为H，其数值取决于第一质量块和第二质量块在光驱动作用下产生的最大位移量数值；

所述极化光分别通过第一U型波导、第二U型波导的波导臂传输到波导圆弧顶，在波导圆弧顶上产生扭转力矩而产生振动；

9.根据权利要求6所述的光子自旋角速率传感器系统，其特征在于：所述检测系统包括光源、分光器、锥形耦合器、光电探测器、频谱分析仪和输出角速率单元；

所述光源通过分光器产生探测光束和参考光束，所述锥形耦合器将探测光束耦合进入晶格光检测腔，同时将调制之后的光信号耦合出晶格光检测腔形成腔输出光束，所述参考光束与腔输出光束经过光电探测器形成电信号，所述电信号输入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算出外界输入角速率并通过输出角速率单元输出。

10.根据权利要求6所述的光子自旋角速率传感器系统，其特征在于：所述第一波导、第二波导分别为单弧形、多弧形组合以及多边形组合结构的波导。

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