端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计的制作方法

本发明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。

技术实现要素：

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，本发明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。

本发明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。

本发明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。

如图2所示，激光器出射的光束耦合进入Y波导分束器，其中一路经过相位调制单元产生相位差恒定的相干光，另外一束经由欧姆电极调节补偿以此与调制光路一致，两路光束然后经过垂直耦合光栅输出，经过偏振片、衰减片、波片，经过准直和聚焦之后进入铷原子气室，经过调制的光束会与原子相互作用产生CPT效应，未经调制的光则携带背景噪声信号，两束光经过探测单元转化为电信号后经过减法器可以消除背景噪声，达到提高频率稳定度的目的。

根据CPT磁强计的物理机制，如图3所示，芯片级磁强计物理部分主要包括VCSEL激光器、纳米Y波导分束器、光学镜片组合、MEMS微气室、探测单元、RF线圈。自Y波导耦合输出的光束，通过偏振片、衰减片以及λ/4波片之后进入微气室。两束光经过气室同时到达两象位探测芯片，信号相减即为消除了共模噪声信号。

附图说明

图1表示纳米光波导双光路芯片级磁强计方案原理图。

图2双光路纳米光波导功能单元集成示意图。

图3表示磁强计中物理部分分解示意图。

图中：1-激光器，2-Y波导分束器，31-偏振片，32-衰减片，33-λ/4波片，4-ITO加热片，5-RF线圈，6-MEMS微气室，7-探测单元，8-调制电极，9-欧姆电极，10-端面耦合输入端，11-纳米垂直耦合光栅，12-纳米垂直耦合光栅。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种端面耦合纳米光波导双光路芯片级磁强计，如图1、3所示，包括VCSEL激光器1，所述VCSEL激光器1出射的光束通过其端面耦合输入端 10耦合进入Y波导分束器2，纳米垂直耦合光栅1实现对VCSEL激光器准直隔离激光光源的耦合输入（耦合效率优于80％），通过耦合对准技术与纳米Y型波导进行精准对接；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，例如可以对一路导波光束通过调制电极8进行3.4GHz调制从而产生频率差为6.8GHz的边带，另一路导波光束通过欧姆电极9进行微调以补偿与调制光路的一致性差异；两路光束再分别经过垂直耦合光栅 11和垂直耦合光栅 12输出，分别依次经过偏振片31、衰减片32、λ/4波片33，通过准直、聚焦之后进入气室，所述气室为铷原子气室（MEMS微气室），所述铷原子气室的上下分别设置有RF线圈5和ITO加热片4。光束出射后，两束光经过探测单元7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。

其中，如图2所示，垂直耦合光栅和垂直耦合光栅均为渐变光栅，渐变光栅将经过调制电极8携带有边带调制信号的光通过纳米垂直耦合光栅 11输入到MEMS微气室，渐变光栅将经过欧姆电极9补偿后的光通过纳米垂直耦合光栅 12输入到MEMS微气室，两束光经过气室同时到达两象位探测芯片，信号相减即为消除了共模噪声信号。

具体实施时，采用MEMS工艺实现波导、微透镜、微气室的集成。采用特种真空胶将上述各个部件集成为一体。与传统的单光路芯片级磁强计相比，纳米光波导双光路芯片磁强计在物理系统部分采用了纳米Y波导对激光器出射的光进行了分光，在对物理部分封装的过程中需要将它与各个光路部分进行紧密连接，达到减小体积、功耗的目的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。