CN105973221B - 一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺 - Google Patents

一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，本发明所提出的光学陀螺是由光源、可调谐表面等离子激元模式分离器、隔离器、表面等离子激元耦合器、Y分支耦合器、起偏器、单模光纤线圈、探测器和相位补偿反馈单元构成。本发明属于惯性传感技术和集成光学领域，提出一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，采用可调谐表面等离子激元模式分离器实现不同偏振态光信号的模式分离和相位补偿，实现一种可调谐自校准光学陀螺,具有低噪声、低成本、高精度、大动态、高稳定性、高光源利用率的优点。

Description

一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺
技术领域
本发明属于集成光学和惯性传感器技术领域，特别涉及一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺。
背景技术
陀螺仪是惯性导航系统和惯性制导系统的重要测量元件，是整个惯性系统的核心，其测量精度直接影响着惯性导航系统和惯性制导系统的性能。随着惯性技术的发展，各种类型的陀螺仪相继出现，如液浮陀螺、挠性陀螺、静电陀螺和压电陀螺等机电式陀螺仪。而光学陀螺是一种基于萨格奈克（Sagnac）效应的新型光电陀螺仪，其技术的发展得益于激光器技术以及光通信技术的进步。光学陀螺的出现也推动了惯性技术的发展。目前应用中的光学陀螺由于偏振误差的存在，其精度很难达到高精度导航产品的应用，因此，研制能够消除偏振误差的光学陀螺是目前光学陀螺研制的关键所在。
传统的光学陀螺使用保偏光纤或消偏器来降低偏振误差，然而光学陀螺在长时间工作时，光路中耦合器、Y波导集成芯片等光学元件的寄生双折射或者材料内部缺陷仍会给光路带来非互易性，产生偏振串音或偏振交叉耦合，随着工作时间的推移导致偏振误差的积累，光学陀螺的精度受到限制，而且保偏光纤成本过高，因此高精度光学陀螺竞争力不足，甚至在中低精度导航系统中应用也受到制约。而基于可调谐表面等离子激元模式分离器的光学陀螺可以实现不同偏振态光信号的分离，并且利用热光调制、电光调制等方式可以对单个偏振态的光信号进行调制，改变其传输时的相位，补偿不同偏振态之间的相位误差，同时可实现对不同偏振态光信号分别探测，调谐校准，达到消除偏振误差、降低偏振噪声的效果，提高了光学陀螺的测量精度和动态范围。
发明内容
技术问题：本发明提出一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，采用可调谐表面等离子激元模式分离器实现不同偏振态光信号的模式分离和相位补偿，实现一种可调谐自校准光学陀螺,具有低噪声、低成本、高精度、高稳定性、高光源利用率的优点。
技术方案：本发明的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，包括光源、Y波导集成光学陀螺芯片及与所述Y波导集成光学陀螺芯片连接的单模光纤线圈；
所述光源连接用于将光分为TM偏振光和TE偏振光的表面等离子激元模式分离器一；所述表面等离子激元模式分离器一包括表面等离子激元波导臂一和直通聚合物波导臂一；
所述表面等离子激元波导臂一和所述直通聚合物波导臂一分别连接有使得光单向传输所述光隔离器一和光隔离器二；
所述光隔离器一和光隔离器二分别连接有表面等离子激元耦合器和Y分支耦合器；所述表面等离子激元耦合器和Y分支耦合器均包含第一端口、第二端口和第三端口；所述光隔离器一和光隔离器二分别与所述表面等离子激元耦合器和Y分支耦合器的第一端口连接；所述Y分支耦合器的第二端口连接有起偏器；
所述表面等离子激元耦合器第二端口与所述起偏器分别与表面等离子激元模式分离器二的表面等离子激元波导臂二和直通聚合物波导臂二连接；所述表面等离子激元模式分离器二与所述Y波导集成光学陀螺芯片连接，所述Y波导集成光学陀螺芯片连接所述单模光纤线圈并对所述单模光纤线圈中传输的两束光耦合干涉输出；
所述光电探测器一和光电探测器二分别与所述表面等离子激元耦合器和所述Y分支耦合器的第三端口连接并分别检测经所述表面等离子激元模式分离器二分离的TM偏振光和TE偏振光的角速度信号；所述光电探测器一和光电探测器二输出端均与相位补偿反馈单元相连；所述相位补偿反馈单元输出端与制备在表面等离子激元波导输出臂一上的第一表面等离子激元波导调制电极相连并通过对两个光电探测器所得到的角速度信号偏差运算处理给出相位补偿调制信号由第一表面等离子激元波导调制电极调制。
在所述表面等离子激元模式分离器二的表面等离子激元波导输出臂二上制备有第二表面等离子激元波导调制电极；所述相位补偿反馈单元输出端与所述第二表面等离子激元波导调制电极连接。
有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：
1、本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺和传统的光学陀螺相比较，其独特的模式分离预加相位补偿方式可消除偏振误差，提高光学陀螺的测量精度。
2、本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺充分利用表面等离子激元波导独有的单偏振特性，将不同偏振态光信号分离探测，可有效降低陀螺偏振噪声，光学陀螺最小可检测角速度随之减小，动态范围相应提高。
3、本发明的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺采用偏振分离、预加相位补偿方式消除偏振误差，而不需保偏光纤线圈以及消偏器，可大幅降低光学陀螺的成本。
4、本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺利用了不同偏振态光信号在陀螺测量中的自调谐校准，提高了光源的利用率。
5、本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺利用相位补偿反馈单元的反馈机制对不同偏振态的光进行预加相位补偿，在系统上构成了一个闭环系统，使陀螺的稳定性以及可靠性大为提高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的可调谐表面等离子激元模式分离器结构示意图。
图3是本发明的可调谐表面等离子激元模式分离器的横截面示意图。
其中，光源1，可调谐表面等离子激元模式分离器一2，光隔离器一3，光隔离器二4，表面等离子激元耦合器5，Y分支耦合器6，起偏器7，可调谐表面等离子激元模式分离器二8，Y波导集成光学陀螺芯片9，单模光纤线圈10，光电探测器一11，光电探测器二12，相位补偿反馈单元13，第一表面等离子激元波导调制电极14、15，第二表面等离子激元波导调制电极16、17，相位调制器18、19，表面等离子激元波导臂一20，直通聚合物波导臂一21，表面等离子激元波导臂二22，直通聚合物光波导臂二23，上包层24，下包层25，金属地电极26，衬底27。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，从结构上看，该光学陀螺从输入端到输出端依次为光源1、可调谐表面等离子激元模式分离器2、光隔离器一3、光隔离器二4、表面等离子激元耦合器5、Y分支耦合器6、起偏器7、可调谐表面等离子激元模式分离器8、Y波导集成光学陀螺芯片9、单模光纤线圈10、光电探测器一11、光电探测器二12和相位补偿反馈单元13构成；其位置关系为光源1输出接可调谐表面等离子激元模式分离器2输入端，具有金属条结构的表面等离子激元波导臂20输出端接光隔离器一3，而后与表面等离子激元耦合器5相连、直通聚合物波导臂21输出端接光隔离器二4，而后与Y分支耦合器6相连，表面等离子激元耦合器5输出端与可调谐表面等离子激元模式分离器8的表面等离子激元波导臂22相连、Y分支耦合器6的输出端接起偏器7而后与可调谐表面等离子激元模式分离器8的聚合物光波导臂23输入端相连，可调谐表面等离子激元模式分离器8输出端与Y波导集成光学陀螺芯片9相连，Y波导集成光学陀螺芯片9输出端与单模光纤线圈10相连，光电探测器一11与表面等离子激元耦合器5上支波导输出端相连，光电探测器二12与Y分支耦合器6下支波导输出端相连，光电探测器一11和光电探测器二12输出与相位补偿反馈单元13相连，相位补偿反馈单元13输出端分别与第一表面等离子激元波导调制电极14、15和第二表面等离子激元波导调制电极16、17相连。表面等离子激元波导调制电极14、15、16、17制备在可调谐表面等离子激元模式分离器2、8具有金属条结构的表面等离子激元波导输出臂20、22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，能耦合激发产生表面等离子激元，而TE横电模不能耦合激发表面等离子激元，因此由表面等离子激元波导与聚合物光波导构成的表面等离子激元模式分离器可实现TE模式偏振光与TM模式偏振光的分离。本发明提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺基于表面等离子激元原理采用表面等离子激元波导材料实现不同偏振态光信号的模式分离，进而对不同偏振态的光信号进行相位补偿，以消除光学陀螺中的偏振误差。
光隔离器3、4使得上下两条光路中的光单向传输，保证反向传输的光信号不干扰在可调谐表面等离子激元模式分离器2中的预加相位补偿；起偏器7确保从可调谐表面等离子激元模式分离器8的直通聚合物波导臂21出来的光为TE偏振光；表面等离子激元耦合器5和Y分支耦合器6均包含三个传输端口，左侧的两个端口分别与光隔离器及光探测器连接，右侧的端口与可调谐表面等离子激元模式分离器二8或者起偏器7连接，作用是将由可调谐表面等离子激元模式分离器而8传输过来的TM偏振光和TE偏振光分束至光电探测器11、12。
图3是本发明的可调谐表面等离子激元模式分离器的横截面示意图。如图3所示，可调谐表面等离子激元模式分离器是由上包层24、金属芯层、等离子激元波导调制电极、聚合物芯层、下包层25、金属地电极26和衬底27组成，上包层24为有机聚合物材料，下包层25为聚合物电光材料或聚合物热光材料，上包层24、下包层25厚度均在5微米至30微米之间，聚合物芯层为有机聚合物材料，其厚度与宽度均在2微米至10微米之间，金属芯层为金属纳米线，厚度在5纳米至50纳米之间，宽度为1微米至20微米之间，表面等离子激元调制电极制备在金属芯层之上，金属地电极为介于衬底和下包层之间的一层金属薄膜，其厚度为100纳米至10微米之间。
表面等离子激元耦合器5由表面等离子激元波导制备，表面等离子激元波导由金属芯层、上包层、下包层、衬底组成，其芯层为金属纳米线，厚度在5纳米至50纳米之间，宽度为1微米至20微米之间，上包层、下包层均为有机聚合物材料，上包层、下包层厚度均在5微米至30微米之间；Y分支耦合器6由聚合物材料制备，由聚合物芯层、上包层、下包层、衬底组成，聚合物芯层厚度与宽度均在2微米至10微米之间，聚合物上包层、聚合物下包层厚度均在在5微米至30微米之间；Y波导集成光学调制器件采用LiNbO3晶体材料制备。
本发明所提出的一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺原理如下：
光源1发出的光进入可调谐表面等离子激元模式分离器2，将光源分为不同偏振态的TM模式偏振光和TE模式偏振光。输出的TM模式偏振光经过光隔离器一3和表面等离子激元耦合器5进入可调谐表面等离子激元模式分离器8具有金属条结构的表面等离子激元波导臂；输出的TE模式偏振光经过光隔离器二4、Y分支耦合器6和起偏器7进入表面等离子激元模式分离器8的聚合物波导臂，可调谐表面等离子激元模式分离器8输出的光信号进入Y波导集成光学陀螺芯片9分束，其中一束光信号由相位调制器18、19进行相位调制，两束光信号分别输出耦合进入单模光纤线圈10，进入单模光纤线圈10中的光信号分别沿顺时针和逆时针方向传播，然后至Y波导集成光学陀螺芯片9耦合干涉输出，经过可调谐表面等离子激元模式分离器8分为TE模式偏振光和TM模式偏振光，TM模式偏振光由具有金属条结构的表面等离子激元波导臂输出，进入表面等离子激元耦合器5分束，其中一束进入探测器一11；TE模式偏振光由聚合物波导臂输出，经过起偏器7进入Y分支耦合器6分束，其中一束进入探测器二12，两个探测器检测输出角速度信号。由于光路中耦合器、Y波导集成光学陀螺芯片9和单模光纤线圈10等光学元件的寄生双折射效应、连接点的光学反射以及材料内部缺陷，不同偏振态的光信号在光路中传播将产生光程差导致偏振相位误差，使得两个探测器所测得的两个不同偏振态对应的角速度信号产生偏差，导致光学陀螺精度下降，同时还会产生偏振串音或偏振交叉耦合，产生偏振噪声，光学陀螺灵敏度和动态范围也将下降。因此，将这两路角速度信号送入相位补偿反馈单元13，相位补偿反馈单元13通过对两个探测器所得到的角速度信号偏差给出相位补偿调制信号，将此调制信号加载到可调谐表面等离子激元模式分离器2、8的金属线电极，通过可调谐表面等离子激元模式分离器2、8对TM模式偏振光进行调制，使输出TM模式偏振光产生预加相位差，进而补偿不同偏振态光信号在光纤线圈中传输产生的偏振相位差，减小直至消除偏振误差，提高了光学陀螺的测量精度。同时偏振态光信号的分离处理与探测降低了不同偏振态光信号之间的串扰，降低了由于偏振态串扰导致的陀螺噪声，光学陀螺的最小可检测角速度随之减小，陀螺的动态范围相应提高。通过相位补偿反馈单元使整个陀螺构成一个闭环反馈系统，实现陀螺的自调谐校准，既提高了系统的稳定性，又实现陀螺精度的提高。

Claims (2)

1.一种基于表面等离子激元波导的可调谐自校准光学陀螺，包括光源(1)、Y波导集成光学陀螺芯片(9)及与所述Y波导集成光学陀螺芯片(9)连接的单模光纤线圈(10)；其特征在于：
所述光源(1)连接用于将光分为TM偏振光和TE偏振光的表面等离子激元模式分离器一(2)；所述表面等离子激元模式分离器一(2)包括表面等离子激元波导臂一(20)和直通聚合物波导臂一(21)；
所述表面等离子激元波导臂一(20)和所述直通聚合物波导臂一(21)分别连接有使得光单向传输的光隔离器一(3)和光隔离器二(4)；
所述光隔离器一(3)和光隔离器二(4)分别连接有表面等离子激元耦合器(5)和Y分支耦合器(6)；所述表面等离子激元耦合器(5)和Y分支耦合器(6)均包含第一端口、第二端口和第三端口；所述光隔离器一(3)和光隔离器二(4)分别与所述表面等离子激元耦合器(5)和Y分支耦合器(6)的第一端口连接；所述Y分支耦合器(6)的第二端口连接有起偏器(7)；
所述表面等离子激元耦合器(5)第二端口与所述起偏器(7)分别与表面等离子激元模式分离器二(8)的表面等离子激元波导臂二(22)和直通聚合物波导臂二(23)连接；所述表面等离子激元模式分离器二(8)与所述Y波导集成光学陀螺芯片(9)连接，所述Y波导集成光学陀螺芯片(9)连接所述单模光纤线圈(10)并对所述单模光纤线圈(10)中传输的两束光耦合干涉输出；
光电探测器一(11)和光电探测器二(12)分别与所述表面等离子激元耦合器(5)和所述Y分支耦合器(6)的第三端口连接并分别检测经所述表面等离子激元模式分离器二(8)分离的TM偏振光和TE偏振光的角速度信号；所述光电探测器一(11)和光电探测器二(12)输出端均与相位补偿反馈单元(13)相连；所述相位补偿反馈单元(13)输出端与制备在表面等离子激元波导输出臂一(20)上的第一表面等离子激元波导调制电极相连并通过对两个光电探测器所得到的角速度信号偏差运算处理给出相位补偿调制信号由第一表面等离子激元波导调制电极调制。
2.根据权利要求1所述的可调谐自校准光学陀螺，其特征在于：在所述表面等离子激元模式分离器(8)的表面等离子激元波导输出臂(22)上制备有第二表面等离子激元波导调制电极；所述所述相位补偿反馈单元(13)输出端与所述第二表面等离子激元波导调制电极连接。
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