CN117590516A - 多层螺旋波导、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层螺旋波导、其制备方法及应用，涉及光学仪器技术领域，通过双光子聚合技术制备多个单层螺旋波导，利用飞秒激光直写光刻胶在多个单层螺旋波导之间制造光子引线波导，实现多个单层螺旋波导之间的光学直接互连构建多层螺旋波导，本发明提供的多层螺旋波导与光纤环相比体积小、灵敏度高，能够使陀螺仪整体结构更加灵活和紧凑，从而提高陀螺仪的可靠性和环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，更具体的说是涉及一种多层螺旋波导、其制备方法及应用。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应测量运动载体旋转角速度的一种光学传感器，它将入射光等分为两份，分别从光纤的两端输入。当陀螺仪系统发生旋转时，正向入射的光束与反向入射的光束之间会存在相位差，由于干涉引起输出光强的变化，进而推算出旋转角速度的值。光纤陀螺具有结构简单、动态范围宽、启动时间短、抗冲击能力强等特点，是惯性导航系统的重要组成部分，也是姿态制导控制、定位定向的核心部件，在国防和民用领域发挥着巨大作用。
随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的体积、重量要求越来越高，集成化、小型化、低成本和高稳定性的光学陀螺设计成为必然。光纤陀螺小型化依赖于每种部件的小型化，而光纤陀螺的灵敏度与光纤环的尺寸有关，环的有效面积越大，灵敏度越高。光纤环作为干涉型陀螺仪的敏感单元存在以下问题：
1.尺寸较大：光纤环通常相对较大，并且可能导致光纤扭曲，从而影响光的偏振，这使得它们不太适合一些空间有限的应用，例如小型移动设备或嵌入式系统；2.温度敏感性：光纤陀螺对温度变化非常敏感，温度的变化可以导致光纤的长度和折射率发生变化，从而影响测量的准确性，为了克服这一问题，通常需要使用温度补偿技术，增加了系统的复杂性；3.震动和振动敏感性：光纤陀螺也对外部振动和震动非常敏感，这可能导致测量误差。因此，通常需要采取振动隔离措施，以减小这种干扰的影响。
片上制作光纤环不具备明显优势，超细径光纤的使用是当前的主要手段，细径化保偏光纤技术使得光纤环的弯曲损耗低且绕制的光纤环的半径小。此外，脱骨架是光纤环的发展趋势，没有了环骨架的约束，光纤环可以在光纤的弯曲半径内实现绕制，从有骨架走向无骨架设计，这些措施能够有效减小光纤陀螺的体积。另外，光纤环受瑞利散射、Shupe效应、克尔效应和法拉第效应等特性的影响，会随环境的变化而改变，进而劣化了陀螺的性能。环圈损耗与陀螺信噪比、背向散射噪声大小相关，环圈良好的对称性是确保集成化光纤陀螺温度、振动和磁场等环境适应性的前提条件，微小型高对称光纤环圈绕制技术是集成化光纤陀螺研究的核心技术。集成化光纤陀螺用微小型光纤环圈结构以及绕环方法核心难点主要表现在以下几个方面：
1.采用细径保偏光纤，对排纤精度和绕环工装精度要求极高，成环技术难度大；2.光纤环圈的层数多，绕制过程中产生的微小缺陷将会制约成环质量，同时导致光纤环圈内应力增大，陀螺性能劣化；3.光纤环圈截面的宽高比非最优构型，导致温度引入的陀螺Shupe漂移大。
随着近些年的发展，激光技术的快速进步使得飞秒激光直写技术迅猛发展，随着飞秒激光的问世，其高功率、低脉冲的特性一直与有机聚合物材料联系紧密，尤其是其双光子聚合效应(two-photon polymerization,2PP)，早已被科学家应用于三维微纳结构加工领域。
因此，如何降低陀螺仪体积，同时保证陀螺仪的可靠性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多层螺旋波导、其制备方法及应用，采用飞秒激光技术蚀刻多层螺旋波导构建干涉光学陀螺仪，令陀螺仪整体结构更加灵活和紧凑，从而提高陀螺仪的可靠性和环境适应性
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多层螺旋波导，包括多个螺旋状平面波导，每个所述螺旋状平面波导沿第一方向延伸，多个所述螺旋状平面波导沿垂直于第一方向的第二方向依次排列，相邻的所述螺旋状平面波导之间采用光子引线波导连接。
上述技术方案的技术效果为，多层螺旋波导体积小，能够在增加光程的同时，降低对于温度、外部振动和震动的敏感性，保证传输光路的可靠性；多层螺旋波导可替代干涉型陀螺仪中的光纤环，作为其敏感单元，使得缩小干涉型陀螺仪体积的同时，保证其测量准确性。
优选的，多个所述螺旋状平面波导的长度不同，并根据各所述螺旋状平面波导的长度大小沿第二方向依次排列，其中，长度最小的所述螺旋状平面波导位于表层。
优选的，相邻的所述螺旋状平面波导之间的间距相同，间距小于或等于5μm。
优选的，采用覆盖材料包覆所述光子引线波导，所述覆盖材料的折射率小于设定阈值。
一种多层螺旋波导的制备方法，包括以下步骤：
提供多个基板，并进行清洗；
配置光刻胶，将配置好的光刻胶滴在基板中心处，并进行匀胶处理；
利用双光子3D打印系统根据构建的螺旋状平面波导3D打印模型在所述基板的表面多次写入结构，形成多个螺旋状平面波导，多个所述螺旋状平面波导沿第一方向延伸；
在各所述螺旋状平面波导上均匀涂覆光刻胶，将多个所述螺旋状平面波导沿垂直于第一方向的第二方向依次排列，在每个所述螺旋状平面波导上蚀刻引导标记作为光子引线波导的出口，并根据所述光子引线波导的出口计算所述光子引线波导的形状；
利用飞秒激光直写系统根据所述光子引线波导的出口和所述光子引线波导的形状在所有相邻的两层所述螺旋状平面波导之间直写所述光子引线波导，组建多层螺旋波导；
去除所述多层螺旋波导上未聚合的光刻胶。
优选的，在利用双光子3D打印系统根据构建的螺旋状平面波导3D打印模型在所述基板的表面多次写入结构时，采用双光子聚合效应在所述基板的表面蚀刻光路结构，所述光路结构为螺旋形或弯折形。
优选的，多个所述螺旋状平面波导表面蚀刻的光路结构的形状或角度不同。
优选的，采用覆盖材料包覆所述光子引线波导，所述覆盖材料的折射率小于设定阈值。
优选的，利用飞秒激光直写系统在每个螺旋状平面波导的表面蚀刻的引导标记与其边缘的距离相对一致。
优选的，根据所述光子引线波导的出口计算所述光子引线波导的形状包括：确定所述光子引线波导的轨迹损耗约束，根据所述光子引线波导的出口对相邻两层的所述螺旋状平面波导之间的光传输轨迹进行规划，获得规划轨迹，根据规划轨迹确定所述光子引线波导的形状。
优选的，三维光子引线波导轨迹损耗约束令多层螺旋波导的传播损耗最小化，包括：光子引线波导的端面必须与相邻层的螺旋状平面波导的引导标记位置重叠；光子引线波导的起始方向和结束方向必须与对应引导标记所在垂直轴线重合；光子引线波导的轨迹应避免与相邻螺旋状平面波导的边缘、其他光子引线波导等障碍物相交；符合光子引线波导的结构长度和弯曲半径的最佳组合，在飞秒激光直写系统进行激光直写时优化参数窗口根据最佳组合构建轨迹，避免因轨迹曲率过大、结构长度过长而增加损耗，从而降低传播损耗。
优选的，光刻胶采用SU8光刻胶、NOA光刻胶或greenA光刻胶等。
优选的，基板材料采用二氧化硅、氮化硅、硅、铌酸锂等。
一种干涉光学陀螺仪，包括上述多层螺旋波导，或采用多层螺旋波导的制备方法制得的多层螺旋波导，还包括光源、耦合器、Y波导、光电探测器和调制解调电路板；其中，
光源与耦合器的输入端连接；耦合器的输出端与Y波导的输入端连接；Y波导的两个输出端分别连接多层螺旋波导的两端；光电探测器的输入端口与耦合器的探测端口连接，光电探测器的输出端口与调制解调电路板的输入端口连接，调制解调电路板的输出端口与Y波导的调制端口连接。
上述技术方案的技术效果，耦合器用于将光源发出的一束光波分为两束光波；两束光中的一束通过Y波导后再分成两束相同的光，分别射入多层螺旋波导两端，并在其中沿顺时针和逆时针方向传输，感受外界角速率运动，绕行一圈后返回Y波导并合成一束光进行干涉；光通过耦合器传输至光电探测器，经光电转换后得到表征光强的电信号传输至调制解调电路板。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多层螺旋波导、其制备方法及应用，通过双光子聚合技术制备多个单层螺旋波导，利用飞秒激光直写光刻胶在多个单层螺旋波导之间制造光子引线波导，实现多个单层螺旋波导之间的光学直接互连构建多层螺旋波导，本发明提供的多层螺旋波导与光纤环相比体积小、灵敏度高，能够使陀螺整体结构更加灵活和紧凑，从而提高陀螺仪的可靠性和环境适应性。有益效果：
1.高灵敏度：多层螺旋波导可以增加光程，较长的光程可以使应用其的陀螺仪更容易检测到旋转，特别是对于低速旋转或微小旋转的情况，因此可以提高陀螺仪的灵敏度；
2.紧凑性：相对于光纤环，多层螺旋波导的几何形状可以更紧凑，这对于空间受限的应用更有利；
3.灵活性：设计多层螺旋波导时，可以调整螺旋的尺寸、周期和层数，以满足不同应用的性能要求，这种灵活性使得可以定制化设计陀螺仪以满足特定的测量需求；
4.抗振动性能：多层螺旋波导的设计可以具有较好的抗振动性能，因为光程差异通常对振动不太敏感，这有助于减小外部振动对测量的干扰；
5.低损耗：合理设计的多层螺旋波导可以降低光信号的传输损耗，提高陀螺的性能；
6.不受光纤弯曲限制：光纤环需要一定的弯曲半径，而多层螺旋波导不受这种限制，可以更灵活地布置在空间中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的多层螺旋波导结构示意图；
图2为本发明提供的螺旋状平面波导之间连接结构示意图；
图3为本发明提供的光学陀螺仪结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例公开了一种多层螺旋波导，结构如图1-图2所示，包括多个螺旋状平面波导1，每个螺旋状平面波导1沿第一方向延伸，多个螺旋状平面波导1沿垂直于第一方向的第二方向依次排列，相邻的螺旋状平面波导1之间采用光子引线波导2连接。
进一步的，多个螺旋状平面波导1的长度不同，并根据各螺旋状平面波导1的长度大小沿第二方向依次排列，其中，长度最小的螺旋状平面波导1位于表层。
进一步的，相邻的螺旋状平面波导1之间的间距相同，间距小于或等于5μm。
进一步的，采用折射率较小的覆盖材料包覆光子引线波导2。
进一步的，多层螺旋波导所包含的螺旋状平面波导1的层数、长度，以及螺旋状平面波导1的螺旋半径、螺距等参数均可根据实际需要进行设计。
进一步的，不同层的螺旋状平面波导1可具有不同的宽度，同层螺旋状平面波导1的结构可以采用变化的宽度，可减少螺旋状平面波导1中的串扰，并减小所占空间，利于集成化。
进一步的，光子引线波导的长度、高度、宽度、互连间距等参数可根据实际需要进行设计。
本实施例中，多层螺旋波导的耦合效率高，能够平衡光信号损耗与集成需求，抗震动与抗冲击性能更好，可应用与任何光传输的场景，优选陀螺仪。
实施例2
基于上述实施例，采用双光子聚合技术制备N层螺旋波导，步骤如下：
S1.清洗作为3D打印基底的玻璃基板，以去除有机残留物和松散的无机颗粒；
S2.配置光刻胶，将其滴在基板中心处，进行匀胶处理；
S3.建立螺旋状平面波导3D打印模型，通过双光子3D打印系统在基底上写入结构；
S4.在显影槽中去除未聚合的光刻胶；
S5.重复以上步骤制备出N个螺旋状平面波导1；
S6.在螺旋状平面波导1上均匀涂覆光刻胶，确定不同层螺旋状平面波导1所需出口的坐标，根据坐标计算出用于层间互连的光子引线波导2的三维几何形状；
S7.通过飞秒激光直写光子引线波导2结构，未曝光的光刻胶材料在显影步骤中被去除；
S8.最后用较低折射率的覆盖材料包覆光子引线波导2以作为保护和机械支撑。
进一步的，利用双光子3D打印系统多次写入结构时，是采用双光子聚合效应在基板的表面蚀刻光路结构，光路结构为螺旋形或弯折形。
进一步的，多个螺旋状平面波导1表面蚀刻的光路结构的形状或角度不同。
进一步的，为确保不同层螺旋状平面波导1的精确对准和耦合，通过精确控制飞秒激光直写系统在每层螺旋状平面波导1表面刻蚀引导标记。每一层螺旋状平面波导1上的引导标记与其边缘的距离相对一致，这些标记是微小的结构，例如微米或亚微米尺度的线条、凹槽、凸起或其他可识别的特征，考虑引导标记的数量，以及它们的分布，以确保可以精确定位光子引线波导2的出口的坐标。
进一步的，为了能够最大限度地减少光子引线波导2在多层螺旋波导层间的光传输损耗，构建三维光子引线波导轨迹损耗模型，通过轨迹规划算法，考虑波导弯曲以及与长度相关的损失，从而在长结构和大弯曲半径间找到合适的折衷方案，根据计算出的轨迹生成光子引线波导2的三维几何形状。
进一步的，确定三维光子引线波导轨迹损耗约束，根据光子引线波导出口对多层螺旋波导中光传输轨迹进行规划，获得规划轨迹，根据规划轨迹计算光子引线波导形状。为了最小化传播损耗，首先，光子引线波导的端面必须与相邻层的平面螺旋波导的引导标记位置重叠；其次，光子引线波导的起始和结束方向必须与对应标记所在垂直轴线重合；此外，光子引线波导的轨迹应避免与相邻平面波导边缘、其他光子引线波导等障碍物相交；最后，为避免因轨迹曲率过大、长度过长而增加损耗，在激光直写时应优化参数窗口，在结构长度和弯曲半径之间找到合适的折衷方案构建轨迹，降低传播损耗。
进一步的，光刻胶采用SU8光刻胶、NOA光刻胶或greenA光刻胶等。
进一步的，基板材料采用二氧化硅、氮化硅、硅、铌酸锂等。
实施例3
基于上述实施例，以三层螺旋波导为例，螺旋波导中螺旋结构的外半径约为500μm，为避免明显的弯曲损耗，最小螺旋半径约为100μm，螺旋波导的横截面是50μm×10μm的矩形。在熔融玻璃基板上三维打印螺旋波导结构，制造时使用了折射率为1.57的SU8光刻胶。
制作过程：
S1：用异丙醇清洗玻璃基板，然后用一滴光刻胶覆盖基板；
S2：使用63×浸透透镜聚焦飞秒激光，通过双光子3D打印系统直接在基底上写入结构，写入的激光功率约为15mW，写入速度约为500μm/s，为了获得光滑的表面并减少传输损耗，书写速度保持在较低水平，制作过程需要几个小时；
S3：用丙二醇单甲醚醋酸酯显影，再用异丙醇冲洗；
S4：螺旋波导层间互连通过飞秒激光在SU8光刻胶内部直写波导实现，首先，将波导结构安装在一个公共载体上；然后用SU8光刻胶覆盖样品；其次，根据不同层螺旋波导表面引导标记的位置，计算光子引线波导的三维几何形状；再次，通过直写3D光刻制造光子引线波导结构，未曝光的抗蚀剂材料在显影步骤中被去除；
S5：较低折射率的折射率匹配液体(在1550nm时n＝1.33)包覆样品，用作包层材料。
进一步的，为了便于在螺旋波导层间引线，各层之间设计为阶梯结构。波导结构总长度约为20μm，光子引线波导具有大约2μm×1μm的近乎矩形的横截面。
实施例4
基于上述实施例，一种应用多层螺旋波导的干涉光学陀螺仪，包括光源、耦合器、Y波导、光电探测器、调制解调电路板和多层螺旋波导；
光源与耦合器的输入端连接，耦合器用于将光源发出的一束光波分为两束光波，耦合器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个输出端分别连接多层螺旋波导的两端，两束光中的一束通过Y波导后再分成两束相同的光，分别射入多层螺旋波导两端，并在其中沿顺时针和逆时针方向传输，感受外界角速率运动，绕行一圈后返回Y波导并合成一束光进行干涉，光电探测器输入端口与耦合器探测端口连接，光通过耦合器传输至光电探测器，经光电转换后得到表征光强的电信号，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与Y波导调制端口连接。
光源发出的光射入耦合器分成两束光，其中一束输入光经过Y波导后被分成两束并过滤为唯一的传输模式，到达多层螺旋波导两端，顺时针和逆时针的光束在其中传播一周后返回Y波导，在其中合成一束光进行干涉，通过耦合器传输至探测器，经探测器光电转换后得到表征光强的电信号，该信号经过电路板调制解调后送至Y波导，实现闭环反馈调制。
进一步的，为解决光子引线波导的传输损耗问题，可以在光子引线两端、Y波导的输出端口、螺旋波导的两个端口、多层螺旋波导的连接处加工任意合适形状的耦合结构，包括但不限于锥形渐变结构和圆柱形渐变结构等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种多层螺旋波导，其特征在于，包括多个螺旋状平面波导，每个所述螺旋状平面波导沿第一方向延伸，多个所述螺旋状平面波导沿垂直于第一方向的第二方向依次排列，相邻的所述螺旋状平面波导之间采用光子引线波导连接。
2.根据权利要求1所述的多层螺旋波导，其特征在于，多个所述螺旋状平面波导的长度不同，并根据各所述螺旋状平面波导的长度大小沿第二方向依次排列，其中，长度最小的所述螺旋状平面波导位于表层。
3.根据权利要求1所述的多层螺旋波导，其特征在于，相邻的所述螺旋状平面波导之间的间距相同。
4.根据权利要求1所述的多层螺旋波导，其特征在于，采用覆盖材料包覆所述光子引线波导，所述覆盖材料的折射率小于设定阈值。
5.一种多层螺旋波导的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供多个基板；
配置光刻胶，并均匀铺设于基板；
利用双光子3D打印系统根据构建的螺旋状平面波导3D打印模型在所述基板的表面多次写入结构，形成多个螺旋状平面波导，多个所述螺旋状平面波导沿第一方向延伸；
在各所述螺旋状平面波导上均匀涂覆光刻胶，将多个所述螺旋状平面波导沿垂直于第一方向的第二方向依次排列，在每个所述螺旋状平面波导上蚀刻引导标记作为光子引线波导的出口，并根据所述光子引线波导的出口计算所述光子引线波导的形状；
利用飞秒激光直写系统根据所述光子引线波导的出口和所述光子引线波导的形状在所有相邻的两层所述螺旋状平面波导之间直写所述光子引线波导，组建多层螺旋波导；
去除所述多层螺旋波导上未聚合的光刻胶。
6.根据权利要求5所述的多层螺旋波导的制备方法，其特征在于，在利用双光子3D打印系统根据构建的螺旋状平面波导3D打印模型在所述基板的表面多次写入结构时，采用双光子聚合效应在所述基板的表面蚀刻光路结构，所述光路结构为螺旋形或弯折形。
7.根据权利要求5所述的多层螺旋波导的制备方法，其特征在于，采用覆盖材料包覆所述光子引线波导，所述覆盖材料的折射率小于设定阈值。
8.根据权利要求5所述的多层螺旋波导的制备方法，其特征在于，根据所述光子引线波导的出口计算所述光子引线波导的形状包括，
确定所述光子引线波导的轨迹损耗约束，根据所述光子引线波导的出口对相邻两层的所述螺旋状平面波导之间的光传输轨迹进行规划，获得规划轨迹，根据规划轨迹确定所述光子引线波导的形状。
9.一种干涉光学陀螺仪，其特征在于，包括应用权利要求1-4任一项所述的多层螺旋波导，或权利要求5-8任一项所述的多层螺旋波导的制备方法制得的多层螺旋波导。
10.根据权利要求9所述的干涉光学陀螺仪，其特征在于，还包括光源、耦合器、Y波导、光电探测器和调制解调电路板；其中，
所述光源与所述耦合器的输入端连接；所述耦合器的输出端与所述Y波导的输入端连接；所述Y波导的两个输出端分别连接所述多层螺旋波导的两端；所述光电探测器的输入端口与所述耦合器的探测端口连接，所述光电探测器的输出端口与所述调制解调电路板的输入端口连接，所述调制解调电路板的输出端口与所述Y波导的调制端口连接。
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