CN105841686A - 基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺 - Google Patents

基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，包括泵浦光源、基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片、输出光纤和光电探测器，通过泵浦光源激励有源级联表面等离激元谐振腔中的增益介质形成具有单偏振特性的窄线宽激光器，并与基于表面等离激元波导的调制器及Y分支实现了芯片集成，使陀螺实现微型化、集成化，利用表面等离激元波导金属芯层的光电复用特性，通过施加电信号实现光信号的可调谐与调制。本发明应用于高性能、高精度、微型化的惯性导航领域。

Description

基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺
技术领域
本发明涉及集成光学传感、高精度惯性导航领域，具体涉及一种激光陀螺。
背景技术
激光陀螺是目前陀螺领域中发展比较成熟的一种，已经广泛应用于定位、跟踪及导航等领域，随着科技的不断发展，现代装备系统对激光陀螺不断提出了新的要求，微型化、集成化、高精度、低成本已成为目前激光陀螺发展的趋势。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于实现一种微型化、集成化和低成本的高性能激光陀螺，满足微小型装备对激光陀螺的实际需求，提供了一种基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，开启了陀螺在微型惯性导航系统中的应用。
技术方案：本发明提供了一种基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，包括泵浦光源、基有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片、输出光纤和光电探测器，所述基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片包括有源级联表面等离激元谐振腔、可调谐耦合输出端、调制器和Y分支，所述有源级联表面等离激元谐振腔包括第一谐振腔、第二谐振腔和增益介质，所述泵浦光源设于有源级联表面等离激元谐振腔正上方，所述第一谐振腔和第二谐振腔水平方向连接或靠近区域处为第一耦合器，所述第二谐振腔和可调谐耦合输出端水平方向连接或靠近区域处为第二耦合器，所述可调谐耦合输出端、调制器及Y分支之间设有狭缝，所述Y分支输出端口经输出光纤与光电探测器连接。
优选的，所述有源级联表面等离激元谐振腔、可调谐耦合输出端、第一调制器、第二调制器、第三调制器、第四调制器和Y分支均由表面等离激元波导构成。
优选的，所述表面等离激元波导包括衬底、金属芯层、上包层和下包层，所述下包层设于上包层和衬底之间，所述上包层和下包层之间设有金属芯层，所述下包层和上包层为具有相同折射率的同种材料。
优选的，所述有源级联表面等离激元谐振腔的上包层和下包层掺杂有增益介质，且有源级联表面等离激元谐振腔中的第一谐振腔和第二谐振腔均为尺寸不同的环形腔。
进一步的，所述有源级联表面等离激元谐振腔输出的单模激光通过第二耦合器耦合后进入可调谐耦合输出端的弯曲表面等离激元波导，所述弯曲表面等离激元波导中的第五金属芯层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第二电极触点连接。
进一步的，通过改变所述第一电极触点、第二电极触点和弯曲表面等离激元波导电路回路中电压值，调节弯曲表面等离激元波导中第五金属芯层及其周围包层的温度，对第二耦合器耦合性能进行调谐。
进一步的，所述调制器为热光调制器或电光调制器。
优选的，所述热光调制器包括第一调制器和第二调制器，所述第一调制器的第一金属芯层一端通过第三电极引线与第三电极触点连接，另一端通过第四电极引线与第四电极触点连接，所述第二调制器的第二金属芯层一端通过第五电极引线与第五电极触点连接，另一端通过第六电极引线与第六电极触点连接，所述第一调制器中第一金属芯层和第二调制器中第二金属芯层为传光的波导芯层或调制电极，所述热光调制器中的第一上包层和第一下包层为热光材料。
优选的，所述电光调制器包括第三调制器和第四调制器，所述第三调制器中的第三金属芯层一端通过第十电极引线与第十电极触点连接，第四调制器中的第四金属芯层一端通过第九电极引线与第九电极触点连接，所述第三金属芯层正上方设有第七电极，第四金属芯层正上方设有第八电极，所述第七电极通过第七电极引线与第七电极触点连接，第八电极通过第八电极引线与第八电极触点连接，所述第三调制器中第三金属芯层和第四调制器中第四金属芯层为传光的波导芯层或调制电极，所述电光调制器中第二上包层和第二下包层为电光材料。
进一步的，所述泵浦光源垂直照射有源级联表面等离激元谐振腔，激励所述有源级联表面等离激元谐振腔中的增益介质形成单偏振激光，所述单偏振激光经过第二耦合器沿可调谐耦合输出端的第五金属芯层输出两束激光，所述两束激光分别进入第一调制器和第二调制器或第三调制器和第四调制器之间，再通过Y分支耦合输出后经过输出光纤进入光电探测器。
有益效果：本发明通过泵浦光源激励级联表面等离激元谐振腔包层中的增益介质，并最终形成一种基于级联表面等离激元谐振腔的激光器，其输出的激光具有窄线宽及单偏振特性，且芯片中的传输光路均由表面等离激元波导实现，表面等离激元波导的单偏振传输特性可有效降低陀螺噪声，提高陀螺精度及稳定性，有源级联表面等离激元谐振腔激光器、调制器及Y分支集成于同一芯片，实现了真正的芯片化表面等离激元激光陀螺，提高了陀螺器件的稳定性，同时也实现了陀螺芯片的小型化，基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片在尺寸上缩小至微米甚至纳米量级，大大降低了陀螺的制备成本，更重要的是，这种可实现微纳米尺度的芯片陀螺为陀螺在复杂微纳系统中应用提供了可能，基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片利用表面等离激元波导作为传输光路，表面等离激元波导的芯层为金属材料，既可以传输光信号，也可以传输电信号，具有光电复用特性，利用该特性直接实现了级联表面等离激元谐振腔激光器输出信号的可调谐及光信号的调制，同时也大大降低激光陀螺系统中激光光源与调制器集成的难度，提高了激光陀螺系统的集成度及稳定性。
附图说明
图1为半基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺结构示意图；
图2为表面等离激元波导截面结构及增益介质离散分布示意图；
图3为可调谐耦合输出端结构示意图；
图4为热光调制器结构示意图；
图5为电光调制器结构示意图。
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。
实施例：如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，包括泵浦光源1、基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片2、输出光纤3和光电探测器4，该陀螺芯片2包括有源级联表面等离激元谐振腔21、可调谐耦合输出端24、调制器28和Y分支27，该激元谐振腔21包括第一谐振腔22、第二谐振腔23和增益介质205，泵浦光源1设于激元谐振腔21正上方，第一谐振腔22和第二谐振腔23水平方向连接或靠近区域处形成第一耦合器223，第二谐振腔23和可调谐耦合输出端24水平方向连接或靠近区域处形成第二耦合器234，可调谐耦合输出端24、调制器28及Y分支27之间设有狭缝，Y分支27输出端口经输出光纤3与光电探测器4连接，工作时泵浦光源1垂直照射激元谐振腔21，激励激元谐振腔21中的增益介质205形成单偏振激光，单偏振激光经过第二耦合器234沿可调谐耦合输出端24的第五金属芯层204c输出两束激光，两束激光分别进入第一调制器25a和第二调制器26a或第三调制器25b和第四调制器26b，再通过Y分支27耦合输出后经过输出光纤3进入光电探测器4，有源级联表面等离激元谐振腔21、可调谐耦合输出端24、第一调制器25a、第二调制器26a、第三调制器25b、第四调制器26b和Y分支27均由表面等离激元波导构成，表面等离激元波导包括衬底201、金属芯层204、上包层203和下包层202，下包层202设于上包层203和衬底201之间，上包层203和下包层202之间设有金属芯层204，下包层202和上包层203为具有相同折射率的同种材料，激元谐振腔21的上包层203和下包层202掺杂有增益介质205，且激元谐振腔21中的第一谐振腔22和第二谐振腔23均为尺寸不同的环形腔，有源级联表面等离激元谐振腔21输出的单模激光通过第二耦合器234耦合后进入可调谐耦合输出端24的弯曲表面等离激元波导243，弯曲表面等离激元波导243中的第五金属芯层204c一端通过第一电极引线242与第一电极触点241连接，另一端通过第二电极引线244第二电极触点245连接,通过改变第一电极触点241、第二电极触点245和弯曲表面等离激元波导243电路回路中电压值，调节弯曲表面等离激元波导243中第五金属芯层204c及其周围包层的温度，对第二耦合器234耦合性能进行调谐，调制器28为热光调制器时包括第一调制器25a和第二调制器26a，第一调制器25a的第一金属芯层255a一端通过第三电极引线253a与第三电极触点251a连接，另一端通过第四电极引线254与第四电极触点252连接，第二调制器26a的第二金属芯层265a一端通过第五电极引线263a与第五电极触点261a连接，另一端通过第六电极引线264与第六电极触点262连接，第一调制器25a中第一金属芯层255a和第二调制器26a中第二金属芯层265a同时为传光的波导芯层和调制电极，热光调制器中的第一上包层203a和第一下包层202a为热光材料，当调制器28为电光调制器时包括第三调制器25b和第四调制器26b，第三调制器25b中的第三金属芯层255b一端通过第十电极引线253b与第十电极触点251b连接，第四调制器26b中的第四金属芯层265b一端通过第九电极引线263b与第九电极触点261b连接，第三金属芯层255b正上方设有第七电极315，第四金属芯层265b正上方设有第八电极326，第七电极315通过第七电极引线316与第七电极触点313连接，第八电极326通过第八电极引线325与第八电极触点324连接，第三调制器25b中第三金属芯层255b和第四调制器26b中第四金属芯层265b同时为传光的波导芯层和调制电极，电光调制器中第二上包层203b和第二下包层202b为电光材料。

Claims (10)

1.一种基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，包括泵浦光源(1)、基有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片(2)、输出光纤(3)和光电探测器(4)，所述基于有源级联表面等离激元谐振腔的陀螺芯片(2)包括有源级联表面等离激元谐振腔(21)、可调谐耦合输出端(24)、调制器(28)和Y分支(27)，所述有源级联表面等离激元谐振腔(21)包括第一谐振腔(22)、第二谐振腔(23)和增益介质(205)，所述泵浦光源(1)设于有源级联表面等离激元谐振腔(21)正上方，所述第一谐振腔(22)和第二谐振腔(23)水平方向连接或靠近区域处为第一耦合器(223)，所述第二谐振腔(23)和可调谐耦合输出端(24)水平方向连接或靠近区域处为第二耦合器(234)，所述可调谐耦合输出端(24)、调制器(28)及Y分支(27)之间设有狭缝，所述Y分支(27)输出端口经输出光纤(3)与光电探测器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述有源级联表面等离激元谐振腔(21)、可调谐耦合输出端(24)、第一调制器(25a)、第二调制器(26a)、第三调制器(25b)、第四调制器(26b)和Y分支(27)均由表面等离激元波导构成。
3.根据权利要求2所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述表面等离激元波导包括衬底(201)、金属芯层(204)、上包层(203)和下包层(202)，所述下包层(202)设于上包层(203)和衬底(201)之间，所述上包层(203)和下包层(202)之间设有金属芯层(204)，所述下包层(202)和上包层(203)为具有相同折射率的同种材料。
4.根据权利要求1所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述有源级联表面等离激元谐振腔(21)的上包层(203)和下包层(202)掺杂有增益介质(205)，且有源级联表面等离激元谐振腔(21)中的第一谐振腔(22)和第二谐振腔(23)均为尺寸不同的环形腔。
5.根据权利要求1所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述有源级联表面等离激元谐振腔(21)输出的单模激光通过第二耦合器(234)耦合后进入可调谐耦合输出端(24)的弯曲表面等离激元波导(243)，所述弯曲表面等离激元波导(243)中的第五金属芯层(204c)一端通过第一电极引线(242)与第一电极触点(241)连接，另一端通过第二电极引线(244)第二电极触点(245)连接。
6.根据权利要求5所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：通过改变所述第一电极触点(241)、第二电极触点(245)和弯曲表面等离激元波导(243)电路回路中电压值，调节弯曲表面等离激元波导(243)中第五金属芯层(204c)及其周围包层的温度，对第二耦合器(234)耦合性能进行调谐。
7.根据权利要求1所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述调制器(28)为热光调制器或电光调制器。
8.根据权利要求7所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述热光调制器包括第一调制器(25a)和第二调制器(26a)，所述第一调制器(25a)的第一金属芯层(255a)一端通过第三电极引线(253a)与第三电极触点(251a)连接，另一端通过第四电极引线(254)与第四电极触点(252)连接，所述第二调制器(26a)的第二金属芯层(265a)一端通过第五电极引线(263a)与第五电极触点(261a)连接，另一端通过第六电极引线(264)与第六电极触点(262)连接，所述第一调制器(25a)中第一金属芯层(255a)和第二调制器(26a)中第二金属芯层(265a)同时为传光的波导芯层和传电调制电极，所述热光调制器中的第一上包层(203a)和第一下包层(202a)为热光材料。
9.根据权利要求7所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺，其特征在于：所述电光调制器包括第三调制器(25b)和第四调制器(26b)，所述第三调制器(25b)中的第三金属芯层(255b)一端通过第十电极引线(253b)与第十电极触点(251b)连接，第四调制器(26b)中的第四金属芯层(265b)一端通过第九电极引线(263b)与第九电极触点(261b)连接，所述第三金属芯层(255b)正上方设有第七电极(315)，第四金属芯层(265b)正上方设有第八电极(326)，所述第七电极(315)通过第七电极引线(316)与第七电极触点(313)连接，第八电极(326)通过第八电极引线(325)与第八电极触点(324)连接，所述第三调制器(25b)中第三金属芯层(255b)和第四调制器(26b)中第四金属芯层(265b)同时为传光的波导芯层和传电的调制电极，所述电光调制器中第二上包层(203b)和第二下包层(202b)为电光材料。
10.根据权利要求1所述的基于有源级联表面等离激元谐振腔的激光陀螺的控制方法，其特征在于：所述泵浦光源(1)垂直照射有源级联表面等离激元谐振腔(21)，激励所述有源级联表面等离激元谐振腔(21)中的增益介质(205)形成单偏振激光，所述单偏振激光经过第二耦合器(234)沿可调谐耦合输出端(24)的第五金属芯层(204c)输出两束激光，所述两束激光分别进入第一调制器(25a)和第二调制器(26a)或第三调制器(25b)和第四调制器(26b)，再通过Y分支(27)耦合输出后经过输出光纤(3)进入光电探测器(4)。
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