基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，包括泵浦光源、基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片、輸出光纖和光電探測器，通過泵浦光源激勵有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔中的增益介質(zhì)形成具有單偏振特性的窄線寬激光器，并與基于表面等離激元波導(dǎo)的調(diào)制器及Y分支實現(xiàn)了芯片集成，使陀螺實現(xiàn)微型化、集成化，利用表面等離激元波導(dǎo)金屬芯層的光電復(fù)用特性，通過施加電信號實現(xiàn)光信號的可調(diào)諧與調(diào)制。本發(fā)明應(yīng)用于高性能、高精度、微型化的慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。
【專利說明】
基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)傳感、高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種激光陀螺。
【背景技術(shù)】
[0002]激光陀螺是目前陀螺領(lǐng)域中發(fā)展比較成熟的一種，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定位、跟蹤及導(dǎo)航等領(lǐng)域，隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代裝備系統(tǒng)對激光陀螺不斷提出了新的要求，微型化、集成化、高精度、低成本已成為目前激光陀螺發(fā)展的趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種微型化、集成化和低成本的高性能激光陀螺，滿足微小型裝備對激光陀螺的實際需求，提供了一種基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，開啟了陀螺在微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，包括栗浦光源、基有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片、輸出光纖和光電探測器，所述基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片包括有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔、可調(diào)諧耦合輸出端、調(diào)制器和Y分支，所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔包括第一諧振腔、第二諧振腔和增益介質(zhì)，所述栗浦光源設(shè)于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔正上方，所述第一諧振腔和第二諧振腔水平方向連接或靠近區(qū)域處為第一耦合器，所述第二諧振腔和可調(diào)諧耦合輸出端水平方向連接或靠近區(qū)域處為第二耦合器，所述可調(diào)諧耦合輸出端、調(diào)制器及Y分支之間設(shè)有狹縫，所述Y分支輸出端口經(jīng)輸出光纖與光電探測器連接。
[0005]優(yōu)選的，所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔、可調(diào)諧耦合輸出端、第一調(diào)制器、第二調(diào)制器、第三調(diào)制器、第四調(diào)制器和Y分支均由表面等離激元波導(dǎo)構(gòu)成。
[0006]優(yōu)選的，所述表面等離激元波導(dǎo)包括襯底、金屬芯層、上包層和下包層，所述下包層設(shè)于上包層和襯底之間，所述上包層和下包層之間設(shè)有金屬芯層，所述下包層和上包層為具有相同折射率的同種材料。
[0007]優(yōu)選的，所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的上包層和下包層摻雜有增益介質(zhì)，且有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔中的第一諧振腔和第二諧振腔均為尺寸不同的環(huán)形腔。
[0008]進一步的，所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔輸出的單模激光通過第二耦合器耦合后進入可調(diào)諧耦合輸出端的彎曲表面等離激元波導(dǎo)，所述彎曲表面等離激元波導(dǎo)中的第五金屬芯層一端通過第一電極引線與第一電極觸點連接，另一端通過第二電極引線第二電極觸點連接。
[0009 ]進一步的，通過改變所述第一電極觸點、第二電極觸點和彎曲表面等離激元波導(dǎo)電路回路中電壓值，調(diào)節(jié)彎曲表面等離激元波導(dǎo)中第五金屬芯層及其周圍包層的溫度，對第二耦合器耦合性能進行調(diào)諧。
[0010]進一步的，所述調(diào)制器為熱光調(diào)制器或電光調(diào)制器。
[0011]優(yōu)選的，所述熱光調(diào)制器包括第一調(diào)制器和第二調(diào)制器，所述第一調(diào)制器的第一金屬芯層一端通過第三電極引線與第三電極觸點連接，另一端通過第四電極引線與第四電極觸點連接，所述第二調(diào)制器的第二金屬芯層一端通過第五電極引線與第五電極觸點連接，另一端通過第六電極引線與第六電極觸點連接，所述第一調(diào)制器中第一金屬芯層和第二調(diào)制器中第二金屬芯層為傳光的波導(dǎo)芯層或調(diào)制電極，所述熱光調(diào)制器中的第一上包層和第一下包層為熱光材料。
[0012]優(yōu)選的，所述電光調(diào)制器包括第三調(diào)制器和第四調(diào)制器，所述第三調(diào)制器中的第三金屬芯層一端通過第十電極引線與第十電極觸點連接，第四調(diào)制器中的第四金屬芯層一端通過第九電極引線與第九電極觸點連接，所述第三金屬芯層正上方設(shè)有第七電極，第四金屬芯層正上方設(shè)有第八電極，所述第七電極通過第七電極引線與第七電極觸點連接，第八電極通過第八電極引線與第八電極觸點連接，所述第三調(diào)制器中第三金屬芯層和第四調(diào)制器中第四金屬芯層為傳光的波導(dǎo)芯層或調(diào)制電極，所述電光調(diào)制器中第二上包層和第二下包層為電光材料。
[0013]進一步的，所述栗浦光源垂直照射有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔，激勵所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔中的增益介質(zhì)形成單偏振激光，所述單偏振激光經(jīng)過第二耦合器沿可調(diào)諧耦合輸出端的第五金屬芯層輸出兩束激光，所述兩束激光分別進入第一調(diào)制器和第二調(diào)制器或第三調(diào)制器和第四調(diào)制器之間，再通過Y分支耦合輸出后經(jīng)過輸出光纖進入光電探測器。
[0014]有益效果:本發(fā)明通過栗浦光源激勵級聯(lián)表面等離激元諧振腔包層中的增益介質(zhì)，并最終形成一種基于級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光器，其輸出的激光具有窄線寬及單偏振特性，且芯片中的傳輸光路均由表面等離激元波導(dǎo)實現(xiàn)，表面等離激元波導(dǎo)的單偏振傳輸特性可有效降低陀螺噪聲，提高陀螺精度及穩(wěn)定性，有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔激光器、調(diào)制器及Y分支集成于同一芯片，實現(xiàn)了真正的芯片化表面等離激元激光陀螺，提高了陀螺器件的穩(wěn)定性，同時也實現(xiàn)了陀螺芯片的小型化，基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片在尺寸上縮小至微米甚至納米量級，大大降低了陀螺的制備成本，更重要的是，這種可實現(xiàn)微納米尺度的芯片陀螺為陀螺在復(fù)雜微納系統(tǒng)中應(yīng)用提供了可能，基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片利用表面等離激元波導(dǎo)作為傳輸光路，表面等離激元波導(dǎo)的芯層為金屬材料，既可以傳輸光信號，也可以傳輸電信號，具有光電復(fù)用特性，利用該特性直接實現(xiàn)了級聯(lián)表面等離激元諧振腔激光器輸出信號的可調(diào)諧及光信號的調(diào)制，同時也大大降低激光陀螺系統(tǒng)中激光光源與調(diào)制器集成的難度，提高了激光陀螺系統(tǒng)的集成度及穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0015]圖1為半基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為表面等離激元波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)及增益介質(zhì)離散分布示意圖；
[0017]圖3為可調(diào)諧耦合輸出端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為熱光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。
[0021]實施例:如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，一種基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，包括栗浦光源1、基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片2、輸出光纖3和光電探測器4，該陀螺芯片2包括有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔21、可調(diào)諧耦合輸出端24、調(diào)制器28和Y分支27，該激元諧振腔21包括第一諧振腔22、第二諧振腔23和增益介質(zhì)205，栗浦光源I設(shè)于激元諧振腔21正上方，第一諧振腔22和第二諧振腔23水平方向連接或靠近區(qū)域處形成第一耦合器223，第二諧振腔23和可調(diào)諧耦合輸出端24水平方向連接或靠近區(qū)域處形成第二耦合器234，可調(diào)諧耦合輸出端24、調(diào)制器28及Y分支27之間設(shè)有狹縫，Y分支27輸出端口經(jīng)輸出光纖3與光電探測器4連接，工作時栗浦光源I垂直照射激元諧振腔21，激勵激元諧振腔21中的增益介質(zhì)205形成單偏振激光，單偏振激光經(jīng)過第二耦合器234沿可調(diào)諧親合輸出端24的第五金屬芯層204c輸出兩束激光，兩束激光分別進入第一調(diào)制器25a和第二調(diào)制器26a或第三調(diào)制器25b和第四調(diào)制器26b，再通過Y分支27耦合輸出后經(jīng)過輸出光纖3進入光電探測器4，有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔21、可調(diào)諧耦合輸出端24、第一調(diào)制器25a、第二調(diào)制器26a、第三調(diào)制器25b、第四調(diào)制器26b和Y分支27均由表面等離激元波導(dǎo)構(gòu)成，表面等離激元波導(dǎo)包括襯底201、金屬芯層204、上包層203和下包層202，下包層202設(shè)于上包層203和襯底201之間，上包層203和下包層202之間設(shè)有金屬芯層204，下包層202和上包層203為具有相同折射率的同種材料，激元諧振腔21的上包層203和下包層202摻雜有增益介質(zhì)205，且激元諧振腔21中的第一諧振腔22和第二諧振腔23均為尺寸不同的環(huán)形腔，有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔21輸出的單模激光通過第二耦合器234耦合后進入可調(diào)諧耦合輸出端24的彎曲表面等離激元波導(dǎo)243，彎曲表面等離激元波導(dǎo)243中的第五金屬芯層204c一端通過第一電極引線242與第一電極觸點241連接，另一端通過第二電極引線244第二電極觸點245連接，通過改變第一電極觸點241、第二電極觸點245和彎曲表面等離激元波導(dǎo)243電路回路中電壓值，調(diào)節(jié)彎曲表面等離激元波導(dǎo)243中第五金屬芯層204c及其周圍包層的溫度，對第二耦合器234耦合性能進行調(diào)諧，調(diào)制器28為熱光調(diào)制器時包括第一調(diào)制器25a和第二調(diào)制器26a，第一調(diào)制器25a的第一金屬芯層255a—端通過第三電極引線253a與第三電極觸點251a連接，另一端通過第四電極引線254與第四電極觸點252連接，第二調(diào)制器26a的第二金屬芯層265a—端通過第五電極引線263a與第五電極觸點261a連接，另一端通過第六電極引線264與第六電極觸點262連接，第一調(diào)制器25a中第一金屬芯層255a和第二調(diào)制器26a中第二金屬芯層265a同時為傳光的波導(dǎo)芯層和調(diào)制電極，熱光調(diào)制器中的第一上包層203a和第一下包層202a為熱光材料，當(dāng)調(diào)制器28為電光調(diào)制器時包括第三調(diào)制器25b和第四調(diào)制器26b，第三調(diào)制器25b中的第三金屬芯層255b—端通過第十電極引線253b與第十電極觸點251b連接，第四調(diào)制器26b中的第四金屬芯層265b—端通過第九電極引線263b與第九電極觸點261b連接，第三金屬芯層255b正上方設(shè)有第七電極315，第四金屬芯層265b正上方設(shè)有第八電極326，第七電極315通過第七電極引線316與第七電極觸點313連接，第八電極326通過第八電極引線325與第八電極觸點324連接，第三調(diào)制器25b中第三金屬芯層255b和第四調(diào)制器26b中第四金屬芯層265b同時為傳光的波導(dǎo)芯層和調(diào)制電極，電光調(diào)制器中第二上包層203b和第二下包層202b為電光材料。
【主權(quán)項】
1.一種基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，包括栗浦光源(I)、基有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片(2)、輸出光纖(3)和光電探測器(4)，所述基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的陀螺芯片(2)包括有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)、可調(diào)諧耦合輸出端(24)、調(diào)制器(28)和Y分支(27)，所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)包括第一諧振腔(22)、第二諧振腔(23)和增益介質(zhì)(205)，所述栗浦光源(I)設(shè)于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)正上方，所述第一諧振腔(22)和第二諧振腔(23)水平方向連接或靠近區(qū)域處為第一耦合器(223)，所述第二諧振腔(23)和可調(diào)諧耦合輸出端(24)水平方向連接或靠近區(qū)域處為第二耦合器(234)，所述可調(diào)諧耦合輸出端(24)、調(diào)制器(28)及Y分支(27)之間設(shè)有狹縫，所述Y分支(27)輸出端口經(jīng)輸出光纖(3)與光電探測器(4)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)、可調(diào)諧耦合輸出端(24)、第一調(diào)制器(25a)、第二調(diào)制器(26a)、第三調(diào)制器(25b)、第四調(diào)制器(26b)和Y分支(27)均由表面等離激元波導(dǎo)構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述表面等離激元波導(dǎo)包括襯底(201)、金屬芯層(204)、上包層(203)和下包層(202)，所述下包層(202)設(shè)于上包層(203)和襯底(201)之間，所述上包層(203)和下包層(202)之間設(shè)有金屬芯層(204)，所述下包層(202)和上包層(203)為具有相同折射率的同種材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)的上包層(203)和下包層(202)摻雜有增益介質(zhì)(205)，且有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)中的第一諧振腔(22)和第二諧振腔(23)均為尺寸不同的環(huán)形腔。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)輸出的單模激光通過第二耦合器(234)耦合后進入可調(diào)諧耦合輸出端(24)的彎曲表面等離激元波導(dǎo)(243)，所述彎曲表面等離激元波導(dǎo)(243)中的第五金屬芯層(204c)—端通過第一電極引線(242)與第一電極觸點(241)連接，另一端通過第二電極引線(244)第二電極觸點(245)連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:通過改變所述第一電極觸點(241)、第二電極觸點(245)和彎曲表面等離激元波導(dǎo)(243)電路回路中電壓值，調(diào)節(jié)彎曲表面等離激元波導(dǎo)(243)中第五金屬芯層(204c)及其周圍包層的溫度，對第二耦合器(234)耦合性能進行調(diào)諧。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述調(diào)制器(28)為熱光調(diào)制器或電光調(diào)制器。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述熱光調(diào)制器包括第一調(diào)制器(25a)和第二調(diào)制器(26a)，所述第一調(diào)制器(25a)的第一金屬芯層(255a)—端通過第三電極引線(253a)與第三電極觸點(251a)連接，另一端通過第四電極引線(254)與第四電極觸點(252)連接，所述第二調(diào)制器(26a)的第二金屬芯層(265a)—端通過第五電極引線(263a)與第五電極觸點(261a)連接，另一端通過第六電極引線(264)與第六電極觸點(262)連接，所述第一調(diào)制器(25a)中第一金屬芯層(255a)和第二調(diào)制器(26a)中第二金屬芯層(265a)同時為傳光的波導(dǎo)芯層和傳電調(diào)制電極，所述熱光調(diào)制器中的第一上包層(203a)和第一下包層(202a)為熱光材料。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺，其特征在于:所述電光調(diào)制器包括第三調(diào)制器(25b)和第四調(diào)制器(26b)，所述第三調(diào)制器(25b)中的第三金屬芯層(255b)—端通過第十電極引線(253b)與第十電極觸點(251b)連接，第四調(diào)制器(26b)中的第四金屬芯層(265b)—端通過第九電極引線(263b)與第九電極觸點(261b)連接，所述第三金屬芯層(255b)正上方設(shè)有第七電極(315)，第四金屬芯層(265b)正上方設(shè)有第八電極(326)，所述第七電極(315)通過第七電極引線(316)與第七電極觸點(313)連接，第八電極(326)通過第八電極引線(325)與第八電極觸點(324)連接，所述第三調(diào)制器(25b)中第三金屬芯層(255b)和第四調(diào)制器(26b)中第四金屬芯層(265b)同時為傳光的波導(dǎo)芯層和傳電的調(diào)制電極，所述電光調(diào)制器中第二上包層(203b)和第二下包層(202b)為電光材料。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔的激光陀螺的控制方法，其特征在于:所述栗浦光源(I)垂直照射有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)，激勵所述有源級聯(lián)表面等離激元諧振腔(21)中的增益介質(zhì)(205)形成單偏振激光，所述單偏振激光經(jīng)過第二耦合器(234)沿可調(diào)諧耦合輸出端(24)的第五金屬芯層(204c)輸出兩束激光，所述兩束激光分別進入第一調(diào)制器(25a)和第二調(diào)制器(26a)或第三調(diào)制器(25b)和第四調(diào)制器(26b)，再通過Y分支(27)耦合輸出后經(jīng)過輸出光纖(3)進入光電探測器(4)。
【文檔編號】G01C19/58GK105841686SQ201610161316
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】張彤, 錢廣, 張曉陽, 唐杰, 萬峰華
【申請人】東南大學(xué)