CN105547276A - 空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺 - Google Patents

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张�荣
陈晨
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Abstract

空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺属于光学陀螺技术领域。现有集成光学陀螺由于受制于实心波导环形谐振腔中的背向散射、偏振串扰、光学Kerr效应等误差源的影响，其传感精度和稳定性还远未达到实用化的程度。在本发明之空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺中，光源由光纤连接到分束器的输入端；分束器的两个输出端由光纤分别连接到波导条两端；在衬底上波导条与环形谐振腔靠近；每个耦合器都由光纤与各自的光电探测器连接；其特征在于，所述环形谐振腔的环形波导为空气隙槽波导，所述波导条的条形波导为实心波导或者空气隙槽波导；所述空气隙槽波导的槽宽为30～100nm，槽深为150～350nm；所述空气隙槽波导的槽区为空气，槽区两侧为高折射率介质。

Description

空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺
技术领域
本发明涉及一种空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺，属于光学陀螺技术领域。
背景技术
在集成光学陀螺中，如图1所示，光源1由光纤连接到分束器2的输入端；分束器2的两个输出端由光纤分别连接到波导条3两端；在衬底4上波导条3与环形谐振腔5靠近，能够将光从两个方向耦合进环形谐振腔5；每个耦合器6都由光纤与各自的光电探测器7连接，用来将环形谐振腔5的输出光导入光电探测器7。其中，环形谐振腔5为旋转角速度的敏感器件，环形谐振腔5的环形波导为实心波导，如图2所示，实心波导的波导材料为非晶态二氧化硅、磷化铟或者氮化硅等。光源1发出的光由分束器2分为两路，通过波导条3从两个相反方向注入环形谐振腔5，环形谐振腔5的两个方向的输出光经两个耦合器6分别耦合输出到两个光电探测器7中。由于Sagnac效应，当所述集成光学陀螺旋转时，环形谐振腔5中的相向传输的光的谐振频率不同，且谐振频率差正比于集成光学陀螺的旋转角速度，通过测量谐振频率差即可实现旋转角速度的测量。相比于激光陀螺和光纤陀螺，这种谐振式集成光学陀螺在体积、重量、成本和功耗上都大幅减小，在约10°/h的较低传感精度水平上具有较强的竞争力。然而，现有集成光学陀螺由于受制于实心波导环形谐振腔5中的背向散射、偏振串扰、光学Kerr效应等误差源的影响，其传感精度和稳定性还远未达到实用化的程度。
发明内容
为了降低集成光学陀螺环形谐振腔中的背向散射、偏振串扰、光学Kerr效应等误差源的影响，提高其传感精度和稳定性，我们发明了一种空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺。
在本发明之空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺中，光源1由光纤连接到分束器2的输入端；分束器2的两个输出端由光纤分别连接到波导条3两端；在衬底4上波导条3与环形谐振腔5靠近；每个耦合器6都由光纤与各自的光电探测器7连接；其特征在于，所述环形谐振腔5的环形波导为空气隙槽波导8，如图3～5所示，所述波导条3的条形波导为实心波导或者空气隙槽波导8；所述空气隙槽波导8的槽宽为30～100nm，槽深为150～350nm；所述空气隙槽波导8的槽区为空气，槽区两侧为高折射率介质。
本发明其技术效果如下所述。相比于现有技术中的非晶态二氧化硅波导材料，空气的Kerr系数要低三个数量级，并且，空气的散射和折射率温度系数也可以忽略。因此，当环形波导为本发明之空气隙槽波导8的环形谐振腔5工作在准TE模时，该模式将具有非常低的背向散射、光学Kerr效应以及作为引起偏振串扰原因之一的热致双折射效应。所述空气隙槽波导8的高折射率介质与空气的折射率相差大，二者的有效折射率显著不同，准TE模(主电场分量垂直于硅-空气界面)的光能量主要集中在空气隙中传输，或者说空气隙槽波导8能将大部分准TE模的光能量限制在空气隙中传输，而准TM模(主电场分量平行于硅-空气界面)仍遵循全反射原理传输，能量仍集中在高折射率介质中，因此，所述空气隙槽波导8为具有极高双折射的保偏波导，甚至空气隙中光能量传输近似为单偏振模传输，这样的环形谐振腔5能够完全避免偏振串扰。
附图说明
图1是现有集成光学陀螺结构示意图。图2是在现有集成光学陀螺中衬底、波导条、环形谐振腔三者结构关系立体放大示意图。图3是本发明之空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺结构示意图。图4、图5是在本发明之空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺中衬底、波导条、环形谐振腔三者结构关系放大示意图；在图4中，波导条的条形波导为实心波导；在图5中，波导条的条形波导为空气隙槽波导，图5同时作为摘要附图。
具体实施方式
在本发明之空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺中，光源1由光纤连接到分束器2的输入端。分束器2的两个输出端由光纤分别连接到波导条3两端。在衬底4上波导条3与环形谐振腔5靠近。每个耦合器6都由光纤与各自的光电探测器7连接。所述环形谐振腔5的环形波导为空气隙槽波导8，如图3～5所示，所述波导条3的条形波导为实心波导或者空气隙槽波导8，如图4、图5所示。所述空气隙槽波导8的槽宽为30～100nm，如50nm，槽深为150～350nm，如300nm。所述空气隙槽波导8的槽区为空气，槽区两侧为高折射率介质，如硅。
所述空气隙槽波导8制作在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上的硅)上，利用电子束刻蚀或者光刻方法，在硅层刻划出空气隙槽波导8。

Claims (2)

1.一种空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺，光源(1)由光纤连接到分束器(2)的输入端；分束器(2)的两个输出端由光纤分别连接到波导条(3)两端；在衬底(4)上波导条(3)与环形谐振腔(5)靠近；每个耦合器(6)都由光纤与各自的光电探测器(7)连接；其特征在于，所述环形谐振腔(5)的环形波导为空气隙槽波导(8)，所述波导条(3)的条形波导为实心波导或者空气隙槽波导(8)；所述空气隙槽波导(8)的槽宽为30～100nm，槽深为150～350nm；所述空气隙槽波导(8)的槽区为空气，槽区两侧为高折射率介质。
2.根据权利要求1所述的空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺，其特征在于，所述槽宽为50nm，所述槽深为300nm，所述高折射率介质为硅；所述空气隙槽波导(8)制作在SOI上，利用电子束刻蚀或者光刻方法，在硅层刻划出空气隙槽波导(8)。
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