具有多普勒致宽增益介质的芯片上环形激光陀螺仪的制作方法
【专利说明】具有多普勒致宽増益介质的芯片上环形激光陀螺仪
[0001 ]优先权/权益要求
[0002]本专利申请要求于2014年10月24日提交的、标题为“RING LASER GYROSCOPE ON ACHIP WITH DOPPLER-BROADENED GAIN MEDIUM” 的美国临时专利申请号62/068,430的权益，特此通过引用将其并入本文中。
【背景技术】
[0003]光学陀螺仪是被用来测量关于旋转轴的旋转速率的导航仪器。光在顺时针(“CW”)和逆时针(“CCW”)方向两者上穿过光学陀螺仪。当光学陀螺仪静止时，在CW方向上穿过腔的光的波束具有与在CCW方向上穿过腔的光的波束相同的频率。当光学陀螺仪在旋转时，CW波束的频率不同于CCW波束的频率。利用Sagnac效应，计算在CW方向上行进的第一波束和在CCW方向上行进的第二波束之间的频率差。这被称作谐振频率分割。光学陀螺仪的旋转速率与CW波束和CCW波束之间的频率差成比例。
【发明内容】
[0004]激光陀螺仪包括第一固体波导；增益介质互作用区，其中穿过第一固体波导的光与位于第一固体波导外部的非固体多普勒致宽增益介质分子互作用；至少一个介质激励器，其被配置成在增益介质互作用区处激励非固体多普勒致宽增益介质，其中受激励的非固体多普勒致宽增益介质诱导第一固体波导内的第一和第二激光场，其中第一激光场在第一固体波导内在顺时针方向上行进并且第二激光场在第一固体波导内在逆时针方向上行进；以及光电检测器，其通信地耦合到第一固体波导并被配置成检测第一和第二激光场的部分。
【附图说明】
[0005]应理解，附图描绘了仅示例性实施例并不因此被认为限于范围，将通过附图的使用以附加的特征和细节描述示例性实施例，在所述附图中:
[0006]图1A是描绘了芯片上的环形激光陀螺仪的示例性实施例的框图，其中光通过第一固体波导外部的隐失(evanescent)模式与多普勒致宽增益介质互作用。
[0007]图1B是描绘了芯片上的环形激光陀螺仪的另一示例性实施例的框图，其中光通过第一固体波导中的间隙与多普勒致宽增益介质互作用。
[0008]图2是描绘了利用多普勒致宽增益介质操作芯片上的环形激光陀螺仪的方法的一个实施例的流程图。
[0009]根据通常实现，各种描述的特征未按比例绘制而是被绘制成强调与示例性实施例相关的具体特征。
【具体实施方式】
[0010]在以下【具体实施方式】中，参考形成【具体实施方式】的一部分的附图，并且在所述附图中通过图示的方式示出了具体的说明性实施例。然而，应理解，可以利用其他实施例并且可以做出逻辑的、机械的和电的改变。此外，在附图和说明书中呈现的方法不被解释为限制可以执行单独的步骤的顺序。因此，以下【具体实施方式】不以限制性的意义被理解。
[0011]环形激光陀螺仪(RLG)具有某些缺点，包括重量和成本，这将它们排除于某些应用之外。如果RLG可以在芯片上微制造，则可以减少成本和重量。做到这一点的障碍是芯片尺度(scale)架构与气体光学增益介质的不兼容性。针对气体介质，由于多普勒效应，从增益分布(profile)的中心在频率上失谐的相反导向的波束与不同的原子互作用，防止了在相反导向的波束之间的不需要的非线性互作用。这对于稳定的陀螺操作而言是重要的。本公开描述了用于使用芯片上的波导而仍旧利用气体介质中的多普勒效应来防止非线性互作用制造RLG的手段。
[0012]在示例性实施例中，在芯片上的微制造的刚性波导结构内引导或在光学纤维内引导光。以环的形状制造的波导可以组成光学环形谐振器。在光学增益的存在下，环形谐振器可以成为环形激光器。然而，被配置成在波导内传播的光一般将不与波导外部的气体介质互作用。因此在传统波导结构的情况下，光学增益不能来自气体。然而，在没有气体介质的“多普勒致宽”的情况下，激光器通常不同时在两个方向上发射激光(lase)。相反，一个波束使增益介质“饱和”，减少了可用于在另一方向上传播的波束的光学增益，使得它不能发射激光。
[0013]通过以允许气体介质与由波导引导的光互作用的方式合并气体介质作为光学增益元件，本发明在没有两个相反传播的发射激光模式之间的不需要的互作用的情况下使能在两个方向上都发射激光的波导RLG。存在对在波导中实现双向发射激光的问题的至少两个可能的解决方案，其涉及将来自气体介质的增益合并到波导谐振器中。
[0014]图1A是描绘了芯片上环形激光陀螺仪100A的示例性实施例的框图，其中光通过第一固体波导外部的隐失模式与多普勒致宽增益介质互作用。一般地，第一方法使波导逐渐变细(taper)到足够小的尺寸以迫使场的能量的大部分进入隐失模式中，所述场仍然由波导引导，但其中场中的大部分实际存在于波导结构外部。该隐失场可以与环绕使能多普勒致宽增益的波导的非固体多普勒致宽增益介质中的原子互作用。因为增益超过波导中的往返行程损耗，所以使能通过耦合到自由空间的方法的具有减小的损耗和反向散射的气体介质RLG的波导实现。
[0015]图1B是描绘了芯片上环形激光陀螺仪100B的另一示例性实施例的框图，其中光通过第一固体波导中的间隙与多普勒致宽增益介质互作用。一般地，第二方法将光耦合出波导并耦合进入用于谐振器路径的某段的自由空间中，以允许它与在该段中的增益互作用并且然后在另一侧上将它耦合回到波导中。根据该方法的实施例造成若干挑战。第一，在陀螺仪谐振器内的背反射是误差的主要源，并且必须被最小化。在没有显著的背反射的情况下，实现耦合到自由空间中并退出(back out of)是非常有挑战性的。第二，如果谐振器将发射激光则往返行程光学增益必须超过损耗，并且耦合出波导并且然后耦合回到波导中而没有显著的损耗也是有挑战性的。
[0016]本文中使用的术语“谐振器”包括填充有真空、空气、其他气体或固体的闭合光学路径。可以将谐振器形成具有闭合光学路径的波导，包括沉积在衬底、实心纤维和空心纤维上的波导。谐振器可以是发射激光的有源谐振器(诸如激光腔)或不发射激光的无源谐振器。
[0017]光学陀螺仪包括光纤陀螺仪(FOG)、诸如环形激光陀螺仪(RLG)的自由空间光学陀螺仪和波导光学陀螺仪(WOG)。虽然光学纤维是波导并且因此FOG是“波导光学陀螺仪”，但词语“波导”更普遍地被用来指在刚性衬底上光刻地图案化的纤维类结构，其中引导光跨该衬底的表面。传统环形激光陀螺仪(RLG)包括具有镜之间的自由空间的中空谐振器路径。在传统RLG中，当在衬底沉积波导或纤维中时光未被引导，相反地，光通过空的空间传播并由镜环绕闭合路径导向。光纤陀螺仪在光纤内引导光。沉积在衬底上的波导通常是直接在衬底(诸如硅衬底)上制造的材料(常常是玻璃)的薄片。虽然这样的波导可以以非常低的成本大量生产并在振动鲁棒性和简化的温度控制以及用于将各种光学陀螺仪部件集成到单个芯片上的潜力方面提供某些性能优势，但因为高的光学损耗和短的总路径长度，它们直到最近才是供在光学陀螺仪中使用的差的候选者。然而，最近开发的新的制造技术已经使能在单个衬底上具有数十米的光学路径长度的低损耗(诸如小于0.05dB/m)波导。
[0018]制造集成的波导光学陀螺仪(IWOG)的某些方法包括将光纤陀螺仪架构放在芯片上的波导上或将环形激光陀螺仪(RLG)架构放在具有波导的芯片上。基于芯片的RLG的一个问题是需要使用气体介质。由于多普勒致宽的缺乏，试图制作其中增益介质不是气体的环形激光陀螺仪(RLG)是极有挑战性的。多普勒致宽是以不同的方向或以不同的速度行进的原子将不同的光学频率感测为谐振多普勒效应的结果。这意味着在陀螺仪中如果反向传播谐振模式从多普勒分布的中心失谐(例如，针对零速度组在谐振之下失谐)，则不同的原子将看到那些场通过多普勒效应被频移(shift)成正确的频率并且将实际上与它们谐振(例如，逆时针移动的原子看到关于谐振(as on resonance)顺时针传播的场，并且顺时针移动的原子看到关于谐振逆时针传播的场)。对于以相对于波束的传播的方向的正确的速度和方向移动的那些原子而言，场中的每个显现在谐振(on resonance)。因为波束正在相反方向上传播，所以那些是