[实用新型]端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学领域和微纳系统领域，具体为基于CPT效应的端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计。

背景技术

MEMS技术的进步，带动了微制造行业的发展，基于CPT效应的芯片磁强计由于不需要千兆赫兹量级的本地振荡器，相比于传统原子磁强计，在体积上缩小了数个数量级，功耗以及性能在很大程度上也得到了改善，并扩展了其应用范围。比如，航空勘测、空间应用，便宜的磁强计阵列可以用于井下勘测、遥感以及生物磁应用。从国外的研究成果可以看出，目前芯片磁强计的研制性能参数基本满足部分应用需求，已研制出商用芯片磁强计产品，并取得了较大进展，但基于新方案的设计理念，有望使得其精度进一步提高。

在芯片磁强计的实验装置中，因为各种噪声的影响，导致信号幅度很小，很难达到光子散弹噪声极限。其中限制灵敏度的主要因素是VCSEL激光器的幅度噪声和频率噪声。激光频率噪声通过原子共振信号转换为幅度噪声。虽然通过将VCSEL激光器锁定到原子的跃迁线上，可以大大减小光频率噪声起伏的影响，但光频率起伏噪声依然很大。其次在某些VCSEL中，不同偏振模式之间的模式竞争噪声，在探测器上会引起较大的幅度噪声。所有这些噪声都降低了芯片级磁强计的灵敏度。

频率漂移和CPT线性的不对称也会导致灵敏度的下降，引起频移的因素有：磁场、缓冲气体、温度、光频移、加速度或者射频功率的漂移。因此需要严格控制这些参数，或者找到一种探测机制来减小芯片磁强计对这些参数的频率敏感度。

发明内容

芯片级磁强计是基于CPT（相干布居囚禁效应）效应工作的，通过测量工作原子基态F=1和F=2之间的磁灵敏塞曼次能级的超精细分裂，然后减去标称超精细能级得到拉莫尔频率，并最终得到磁场强度。单光路CPT磁强计在工作时，由于共模噪声的存在，很大程度上限制了频率稳定度的提高。

为了进一步提高芯片级磁强计磁场灵敏度，有效控制光在空间传输，本实用新型目的是提出端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计方案。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计，包括激光器，所述激光器出射的光束通过端面耦合输入端耦合进入Y波导分束器，其中一束光经过相位调制单元后输出，另外一束光经调节补偿后输出，两路光束再分别经过垂直耦合光栅和垂直耦合光栅输出，分别依次经过偏振片、衰减片、波片、准直、聚焦之后进入气室，出射后，两束光经过探测单元转化为电信号后经过减法器输入集成电路芯片，所述集成电路芯片对激光器和相位调制单元进行调控。

本实用新型提出的端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计方案，原理如图1所示，纳米光波导双光路芯片级磁强计由VCSEL光源、纳米垂直耦合光栅、Y型纳米光波导、调制、偏振控制、MEMS气室、光电探测、多功能集成电路芯片组成。

利用纳米Y型光波导，获得性能完全相同的两束光，可通过抑制共模噪声有效提高磁强计灵敏度是其核心所在，并对纳米光波导功能单元采用微加工工艺，以保证两路光的最大相同。光学部分创新地采用了双光路方案，一束激光用来探测原子的CPT信号，另外一束作为参考光，探测信号相减获得原子的跃迁信号。相比于单光路的芯片级磁强计方案，该方案通过双光路共模抑制可以大大减小光功率起伏和频率起伏噪声的影响，有效提高CPT磁强计的信噪比，从而可以大大提高芯片级磁强计的灵敏度；对于由磁场、缓冲气体、温度、光频移等引起的频移，也有一定的抑制作用，从而提高芯片级磁强计的中长期稳定度。图1中示意出了电路部分，减法器将消除了共模噪声的钟信号输入集成电路芯片，集成电路芯片完成对激光器和相位调制单元进行调控。

双光路芯片级磁强计共模噪声抑制机理及双光路对等效磁场强度影响机理如下：

针对研究内容和解决的关键问题，理论上，以原子的三能级系统为模型，考虑原子系统的实际光学长度，采用旋转波近似，应用Liouville-Bloch方程，得出描述系统演化的密度矩阵方程组。数值解更能清晰地反映物理规律，且有利于对实际问题进行具体分析，因此对上述过程进行数值计算。同时精细研究双光路与铷原子的相互作用，具体分析两路激光各参量对输出信号的影响，进而定量获得激光各参量与CPT信号信噪比的关系，对双光路芯片级磁强计的共模噪声抑制特性进行理论验证，用于指导实验。