一种基于狭缝波导和光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺的制作方法

本发明属于集成光学和传感技术领域，具体是一种基于狭缝波导和光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺。

背景技术：

陀螺作为一种惯性测量器件，是平台导航、制导、瞄准稳定等必不可少的部件。和其它陀螺相比，光纤陀螺具有许多优点：无机械旋转部件，不存在磨损问题，具有较长的使用寿命；零部件少，具有较强的耐冲击和抗加速运动的能力等。谐振式光纤陀螺相比干涉式光纤陀螺所需光纤长度很短，能够实现小型化，具有潜在的高灵敏度。空心光子晶体光纤中光在空气中传输，具有“不截止单模”和低的温度、应力敏感性，使其成为谐振式光纤陀螺敏感环的理想材料。

采用空心光子晶体光纤构成谐振腔需要将空心光子晶体光纤与分束器进行连接。当前基于空心光子晶体光纤的谐振式陀螺所采用的分束器为普通单模光纤分束器，使得光在谐振环中不完全是在空气介质中传输，限制了谐振腔的性能。狭缝波导在2004年由cornell大学lipson小组提出，他们发现，当宽度很小的硅波导靠近至纳米距离时，光场将强烈地限制在它们中间的低折射率狭缝中。狭缝波导依偏振方向的不同分为竖直狭缝和水平狭缝波导，两种结构共同的特点是仅在各自对应的偏振方向上具有优秀的局域特性，也就是说每种狭缝波导仅对横电（te）或者横磁（tm）一种偏振模式局域。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于狭缝波导和空心光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺，旨在解决现有空心光子晶体光纤谐振陀螺谐振腔不完全是空气芯导致的谐振性能下降的问题。

一种基于狭缝波导和空心光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺，包括光源、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一信号探测器、第二信号探测器、狭缝波导分束器、空芯光子晶体光纤环；光源与第一分束器连接，用于产生光波；第一分束器用于接收所述光源产生的光波，并将光波分为两束；第二分束器与所述第一分束器、第一信号探测器、狭缝波导分束器连接；第三分束器与所述第一分束器、第二信号探测器、狭缝波导分束器连接；所述第二、第三分束器分别接收所述第一分束器发出的光波，并分别输出给所述狭缝波导分束器；空芯光子晶体光纤环两端与所述狭缝波导分束器连接，形成全空气芯的谐振腔；所述狭缝波导分束器接收所述第二、第三分束器发出的光波，使光波在所述谐振腔中循环，并将所述谐振腔返回的光波分别输出给所述第二、第三分束器；所述第二分束器接收的返回光经第一信号探测器转换成电信号输出；所述第三分束器接收的返回光经第二信号探测器转换成电信号输出；

所述的狭缝波导分束器，从底向上依次包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层；所述铌酸锂薄膜层，表面刻蚀有v型槽、第一狭缝波导、第二狭缝波导；所述第一狭缝波导与第二狭缝波导中部互相平行形成耦合区；所述第一狭缝波导与第二狭缝波导两端分别与v型槽连接；所述v型槽用于与空芯光子晶体光纤或其他光纤连接；所述第二狭缝波导两端的两侧分别放置有金属调制电极，用于施加电光调制。

光波在全空气芯谐振陀螺中的传输过程如下：

光源产生的光波经过第一分束器后，被分成两束光波；其中一束光波输入第二分束器，定义其为逆时针光波；逆时针光波经过第二分束器，由狭缝波导分束器a端输入后，一部分光波由狭缝波导分束器b端输出，其余光波耦合进入第二狭缝波导，开始在全空气芯的谐振腔中传输，经过狭缝波导分束器d端，进入空心光子晶体光纤环；光波在空心光子晶体光纤环中传输，输入狭缝波导分束器c端后，一部分光波经过耦合进入第一狭缝波导，经过狭缝波导分束器b端输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；从狭缝波导分束器b端输出的光波，包括由狭缝波导分束器a端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，发生叠加，经过第三分束器，由第二信号探测器将光信号转换成电信号输出。

从第一分束器输出的另一束光波输入第三分束器，定义其为顺时针光波；顺时针光波经过第三分束器，由狭缝波导分束器b端输入后，一部分光波由狭缝波导分束器a端输出，其余光波耦合进入第二狭缝波导，开始在全空气芯的谐振腔中传输，经过狭缝波导分束器c端，进入空心光子晶体光纤环；光波在空心光子晶体光纤环中传输，输入狭缝波导分束器d端后，一部分光波经过耦合进入第一狭缝波导，经过狭缝波导分束器a端输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；从狭缝波导分束器a端输出的光波，包括由狭缝波导分束器b端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，发生叠加，经过第二分束器，由第一信号探测器将光信号转换成电信号输出。

本发明的有益之处在于：

1、所述的谐振腔采用空芯光子晶体光纤环与狭缝波导围合而成，光波在空芯光子晶体光纤环中主要在空气纤芯中传播，光波在狭缝波导中主要在空气狭缝中传播，光波在整个谐振腔的循环中，一直处于在空气中传播，减弱了光波传输过程中的各类损耗与环境影响，有利于提升谐振陀螺的性能；

2、所述的狭缝波导分束器，因狭缝波导具有在偏振方向上优秀的局域特性而能起到偏振控制作用，将偏振控制的功能集成到了狭缝波导分束器上，减少了器件的使用；

3、所述的金属调制电极，集成于狭缝波导分束器上，起到腔长电光调制的功能，增加了陀螺的集成度，对体积的减小起到了一定的作用。

附图说明

图1是基于狭缝波导和空心光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺示意图；

图2是狭缝波导分束器截面示意图；

图中：光源—1、第一分束器—2、第二分束器—3、第三分束器—4、第一信号探测器—5、第二信号探测器—6、狭缝波导分束器—7、空心光子晶体光纤环—8、v形槽—9、金属调制电极—10、第一狭缝波导—11、硅衬底—12、二氧化硅缓冲层—13、铌酸锂薄膜层—14、第二狭缝波导—15。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步描述。

如图1-2所示，一种基于狭缝波导和空心光子晶体光纤的全空气芯谐振陀螺，包括光源1、第一分束器2、第二分束器3、第三分束器4、第一信号探测器5、第二信号探测器6、狭缝波导分束器7、空芯光子晶体光纤环8；光源1与第一分束器2连接，用于产生光波；第一分束器2用于接收所述光源1产生的光波，并将光波分为两束；第二分束器3与所述第一分束器2、第一信号探测器5、狭缝波导分束器7连接；第三分束器4与所述第一分束器2、第二信号探测器6、狭缝波导分束器7连接；所述第二分束器3、第三分束器4分别接收所述第一分束器2发出的光波，并分别输出给所述狭缝波导分束器7；空芯光子晶体光纤环8两端与所述狭缝波导分束器7连接，形成全空气芯的谐振腔；所述狭缝波导分束器7接收所述第二分束器3、第三分束器4发出的光波，使光波在所述谐振腔中循环，并将所述谐振腔返回的光波分别输出给所述第二分束器3、第三分束器4；所述第二分束器3接收的返回光经第一信号探测器5转换成电信号输出；所述第三分束器4接收的返回光经第二信号探测器6转换成电信号输出；

所述的狭缝波导分束器7，从底向上依次包括硅衬底12、二氧化硅缓冲层13、铌酸锂薄膜层14；所述铌酸锂薄膜层14，表面刻蚀有v型槽9、第一狭缝波导11、第二狭缝波导15；所述第一狭缝波导11与第二狭缝波导15中部互相平行形成耦合区；所述第一狭缝波导11与第二狭缝波导15两端分别与v型槽9连接；所述v型槽9用于与空芯光子晶体光纤或其他光纤连接；所述第二狭缝波导15两端的两侧分别放置有金属调制电极10，用于施加电光调制；

光波在全空气芯谐振陀螺中的传输过程如下：

光源1产生的光波经过第一分束器2后，被分成两束光波；其中一束光波输入第二分束器3，定义其为逆时针光波；逆时针光波经过第二分束器3，由狭缝波导分束器7a端输入后，一部分光波由狭缝波导分束器7b端输出，其余光波耦合进入第二狭缝波导15，开始在全空气芯的谐振腔中传输，经过狭缝波导分束器7d端，进入空心光子晶体光纤环8；光波在空心光子晶体光纤环8中传输，输入狭缝波导分束7器c端后，一部分光波经过耦合进入第一狭缝波导11，经过狭缝波导分束器7b端输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；从狭缝波导分束器7b端输出的光波，包括由狭缝波导分束器7a端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，发生叠加，经过第三分束器4，由第二信号探测器6将光信号转换成电信号输出。

从第一分束器2输出的另一束光波输入第三分束器4，定义其为顺时针光波；顺时针光波经过第三分束器4，由狭缝波导分束器7b端输入后，一部分光波由狭缝波导分束器7a端输出，其余光波耦合进入第二狭缝波导15，开始在全空气芯的谐振腔中传输，经过狭缝波导分束器7c端，进入空心光子晶体光纤环8；光波在空心光子晶体光纤环8中传输，输入狭缝波导分束器7d端后，一部分光波经过耦合进入第一狭缝波导11，经过狭缝波导分束器7a端输出，其余光波继续在谐振腔中循环传输；从狭缝波导分束器7a端输出的光波，包括由狭缝波导分束器7b端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，发生叠加，经过第二分束器3，由第一信号探测器5将光信号转换成电信号输出。

所述的谐振腔采用空芯光子晶体光纤环8与第二狭缝波导15围合而成，光波在空芯光子晶体光纤环8中主要在空气纤芯中传播，光波在第二狭缝波导15中主要在空气狭缝中传播，光波在整个谐振腔的循环中，一直处于在空气中传播，减弱了光波传输过程中的各类损耗与环境影响，有利于提升谐振陀螺的性能；

所述的狭缝波导分束器7，因狭缝波导具有在偏振方向上优秀的局域特性而能起到偏振控制作用，将偏振控制的功能集成到了狭缝波导分束器7上，减少了器件的使用。

所述的金属调制电极10，集成于狭缝波导分束器7上，起到腔长电光调制的功能，增加了陀螺的集成度，对体积的减小起到了一定的作用。