基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片制造技术

基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片，为一种表面等离子体激元波导 与聚合物光波导互连传输光信号的集成光学光纤陀螺芯片，应用于光纤陀螺领域。光纤陀 螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导(1)和第三输出波导(7)、定向耦合器(2)、 对称三波导分束器(3)和第一输出波导(61)、第二输出波导(62)，利用表面等离子体激 元波导的传输特性实现光信号的长程传输单一偏振性，直接对表面等离子体激元波导芯层 进行调制，并由特定结构消除泄漏光对光纤陀螺精度的影响。利用该芯片可降低光学陀螺 检测噪声，精简光学陀螺结构和制备工艺，实现低成本、高精度、高稳定性的光纤陀螺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成光学和惯性传感
，特别涉及一种表面等离子体激元波导与聚 合物光波导互连结构的集成光学光纤陀螺芯片，应用于光纤陀螺领域。
技术介绍
光纤陀螺作为新型陀嫘仪，依靠光纤作为激光束的载体，利用闭合光纤环路中的Sagrmc 效应来测量旋转体的转动角速度。光纤陀螺一问世就以其明显的优点、结构的灵活性以及 诱人的前景，引起了世界上许多国家的大学和科研机构的普遍重视，二十年来获得了很大 的进展。随着光纤陀螺需求的领域和数量不断增大，对光纤陀螺提出了小型化、集成化、 成本低和稳定性高的要求。目前在光纤陀螺系统中得到广泛应用的集成光学芯片是基于UNb03材料的集成芯片。这 种集成芯片通常为质子交换LiNb03光波导Y分路，因此称为Y波导集成光学器件(国外称多功 能集成光学芯片MFIOC),该器件在同一芯片上集成了Y型分束器、偏振器和相位调制器，可 应用于各种精度的闭环光纤陀螺中。这种集成光学芯片虽然在集成光学光纤陀螺的实用化 程度最好，但是在应用中也存在以下一些不足1. 当光信号从光纤线圈返回入射到Y型波导时，部分信号将泄漏并散失到衬底中，产 生泄漏模式，从而影响光纤陀螺的精度。2. LiNb03光波导制作方法为质子交换法，对质子交换的时间、温度、交换介质的特性 及退火的温度和时间有严格要求，制备工艺复杂且成本较高；3. 要对LiNb03光波导进行相位调制，需在光波导两侧制备调制电极，通过电光效应来 实现，使制备工艺更加复杂且调制效率相对不高；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一表面等离子体激元 (Surface Plasmon Polaritons—SPPs)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实现信号的迅 速衰减；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3在光通信、光学传感领域发挥重要应用。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种表面等离子体激 元波导与聚合物光波导互连的集成光学光纤陀螺芯片，利用表面等离子体激元波导实现信 号传输的单一偏振态，通过对表面等离子体激元的芯层调制实现相位和分束比可控，并设 计一种特定结构消除泄漏光，以降低光纤陀螺的检测噪声，该芯片具有器件体积小、低成 本、高精度、工艺简单等优点。技术方案本专利技术的基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片是这样实现 的，光纤陀螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导和第三输出波导、定向耦合器、 对称三波导分束器和第一输出波导、第二输出波导，其位置关系为定向耦合器上支波导 两端分别与其输入波导和对称三波导分束器中支波导输入端相连，下支波导两端分别与第 三输出波导和第三金属纳米线相连，对称三波导分束器上支波导两端分别与第一金属纳米 线和第一输出波导相连，分束器下支波导两端分别与第二金属纳米线和第二输出波导相连， 第一调制电极、第二调制电极和第一金属线间隙、第二金属线间隙制备在分束器上支波导 耦合端之上，第三调制电极、第四调制电极和第三金属线间隙、第四金属线间隙制备在分 束器下支波导输出端之上；其中，输入波导、第一输出波导、第二输出波导、第三输出波 导为聚合物光波导，定向耦合器和对称三波导分束器由表面等离子体激元波导制备，输入 波导、第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、定向耦合器和对称三波导分束器均 制备在同一衬底上。输入波导和第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导由衬底、聚合物芯层、上包 层、下包层组成，其芯层为有机聚合物，厚度为数微米量级；定向耦合器和对称三波导分 束器由表面等离子体激元波导制备，表面等离子体激元波导由衬底、金属芯层、上包层、 下包层组成，其芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为4至8微米之间； 聚合物光波导与表面等离子体激元波导均制备在同一衬底上，上包层、下包层均为有机聚 合物介质材料，上、下包层厚度在10至20微米之间。制备输入波导和第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导的聚合物光波导与制备 定向耦合器和对称三波导分束器的表面等离子体激元波导之间形成互连结构，表面等离子 体激元波导芯层位于聚合物光波导芯层的中心面上。本专利技术提出的集成光学光纤陀螺芯片的光路如下光纤陀螺光学系统光源为超辐射发 光二级管(SLD)，光信号经过输入光纤耦合进入输入波导中，传输至与之互连的定向耦合 器2中，进入对称三波导分束器2，光信号被分成两束光分别进入与分束器互连的第一输出 波导、第二输出波导，再分别耦合至第一输出光纤、第二输出光纤，之后分别进入第一消 偏器、第二消偏器，传入光纤线圈中形成顺时针和逆时针方向传播，然后沿各自光路返回， 在对称三波导分束器再次会合形成干涉，干涉光经定向耦合器传输至第三输出波导，经过 输出光纤到达光探测器组件，以实现对角速度的探测。有益效果本专利技术与现有的技术相比具有以下的优点1、 本专利技术所提出的集成光学光纤陀螺芯片，利用金属的吸收特性，设计新型结构消除 泄漏模式对光纤陀螺精度的影响，并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，与LiNb03光波导器件相比，精度更 高，其保偏性能更好。2、 本专利技术所提出的集成光学光纤陀螺芯片，采用表面等离子体激元波导与聚合物光波 导互连来传输光信号，利用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，实现波导间低损耗对接。3、 本专利技术所提出的集成光学光纤陀螺芯片，可一次制备定向耦合器、对称三波导分束 器和调制电极，与制备,LiNb03光波导器件相比，精简了制备工艺并降低成本，提高光学系 统集成度，而直接对表面等离子体激元波导芯层进行相位调制和强度调制，调制效率更高， 稳定性更好。附图说明图1是基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片结构示意图。 图2是基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片横截面示意图。 图3是应用基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片光学陀螺示意图。 以上的图中有输入波导l，定向耦合器2，对称三波导分束器3、分束器上支波导31、 分束器中支波导32、分束器下支波导33，第一调制电极41、第二调制电极42、第三调制 电极43、第四调制电极44,第一金属线间隙51、第二金属线间隙52、第三金属线间隙53、 第四金属线间隙54,第一输出波导61、第二输出波导62、第三输出波导7、第一金属纳米 线81、第二金属纳米线82、第三金属纳米线83，衬底9，金属芯层IO、聚合物芯层ll, 上包层12，下包层13，超辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于：光纤陀螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导（１）和第三输出波导（７）、定向耦合器（２）、对称三波导分束器（３）和第一输出波导（６１）、第二输出波导（６２），其位置关系为：定向耦合器（２）上支波导两端分别与其输入波导（１）和对称三波导分束器（３）分束器中支波导（３２）输入端相连，下支波导两端分别与第三输出波导（７）和第三金属纳米线（８３）相连，对称三波导分束器（３）分束器上支波导（３１）两端分别与第一金属纳米线（８１）和输出波导（６１）相连，分束器下支波导（３３）两端分别与第二金属纳米线（８２）和输出波导（６２）相连，第一调制电极（４１）、第二调制电极（４２）和第一金属线间隙（５１）、第二金属线间隙（５２）制备在分束器上支波导（３１）耦合端之上，第三调制电极（４３）、第四调制电极（４４）和第三金属线间隙（５３）、第四金属线间隙（５４）制备在分束器下支波导（３３）输出端之上；其中，输入波导（１）、第一输出波导（６１）、第二输出波导（６２）、第三输出波导（７）为聚合物光波导，定向耦合器（２）和对称三波导分束器（３）由表面等离子体激元波导制备，输入波导（１）、第一输出波导（６１）、第二输出波导（６２）、第三输出波导（７）、定向耦合器（２）和对称三波导分束器（３）均制备在同一衬底（９）上。...

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片，其特征在于光纤陀螺芯片从输入端到输出端依次为集成了输入波导(1)和第三输出波导(7)、定向耦合器(2)、对称三波导分束器(3)和第一输出波导(61)、第二输出波导(62)，其位置关系为定向耦合器(2)上支波导两端分别与其输入波导(1)和对称三波导分束器(3)分束器中支波导(32)输入端相连，下支波导两端分别与第三输出波导(7)和第三金属纳米线(83)相连，对称三波导分束器(3)分束器上支波导(31)两端分别与第一金属纳米线(81)和输出波导(61)相连，分束器下支波导(33)两端分别与第二金属纳米线(82)和输出波导(62)相连，第一调制电极(41)、第二调制电极(42)和第一金属线间隙(51)、第二金属线间隙(52)制备在分束器上支波导(31)耦合端之上，第三调制电极(43)、第四调制电极(44)和第三金属线间隙(53)、第四金属线间隙(54)制备在分束器下支波导(33)输出端之上；其中，输入波导(1)、第一输出波导(61)、第二输出波导(62)、第三输出波导(7)为聚合物光波导，定向耦合器(2)和对称三波导分束器(3)由表面等离子体激元波导制备，输入波导(1)、第一输出波导(61)、第二输出波导(62)、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，薛晓军，吴朋钦，张晓阳，陈秋月，
申请(专利权)人：张彤，薛晓军，吴朋钦，张晓阳，陈秋月，
类型：发明
国别省市：84