[发明专利]空气隙槽波导环形谐振腔集成光学陀螺

说明书

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。