专利名称：表面等离子体激元慢光陀螺及其制备方法
技术领域：
本发明提出一种波导结构的光学陀螺实现方案，特别涉及用表面等离子体激 元及其慢光特性实现高精度的光学陀螺。
背景技术：
光学陀螺是一种基于Sagnac效应的新型光电陀螺仪，Sagnac效应是相对 惯性空间转动的闭环光路中传播光的一种普遍的相关效应，即光束进入系统后分 成两束相反方向传播的光波，它们在经过相同光路，以相反方向传播后同相地返 回分束点。若绕垂直于光路所在平面的轴线，相对于惯性空间存在着转动角速度， 则正、反方向传播的光束走过的光程不同，从而产生光程差。理论上可以证明， 其光程差与旋转的角速度成正比。因而，知道光程差及与之相应的相位差信息， 即可测得相应的角速度。
光学陀螺自概念提出到如今的近30年时间里，经历了第一代"激光陀螺"和 第二代"光纤陀螺"和第三代"集成光学陀螺"的发展过程。目前"激光陀螺" 和"光纤陀螺"分别代表中等精度和高精度的惯性角速度传感器，均以实现成熟 的商业化，在汽车导航、飞机导航等各种导航领域中得到了广泛应用。 近年来，随着光电子技术的发展，集成光学和光电子器件生产技术的进步，国内 外学者提出了第三代光学陀螺，即"集成光学陀螺"。目前，国外的许多知名研 究机构，都在加大集成光学陀螺的研究力度。集成光学作为光电子学的一个新领 域，代表着先进光电子器件的发展方向。通过集成光波导传输光波信号制备光波 导陀螺，将各光电子组件高度集成在一起，利用平面工艺生产线实现批量生产， 可以大幅提高陀螺器件的产品生产率和稳定性，并降低成本和售价。 表面等离子体激元(surface plasmon polaritons-SPPs)是光波与可迁移的表 面电荷(如金属中的自由电子)之间相互作用产生的电磁模，可在特定结构的金 属和电介质材料组成的波导中实现传播。SPPs模具有大于同频率下光子的波数，其传播速度由金属和电介质的物理参数(如介电常数)、金属表面的结构共同决 定，通过适当的设计，可以有效地降低SPPs在不同区间的传播相速度，甚至实 现光信号的静止。SPPs的研究己经长达100多年的历史，由于受早期制作电子 元件的工艺水平的限制，加工不了微米、纳米尺寸的元件和回路，SPPs并未引 起科学界的广泛关注。近些年来，随着工艺技术的长足进步，制备微纳精细结构 已不成为技术限制，基于表面等离子体效应的研究重新成为热点。SPPs耦合器、 调制器、长距离传输波导结构等器件均有相关的实验报道。
发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种利用表面等离子体激元波导实现光学 陀螺及其制备方法，用表面等离子体SPPS波特有的慢光特性，实现高精度的光 学陀螺，解决现有集成光波导陀螺精度低，体积大等缺陷。
技术方案本发明的表面等离子体激元慢光陀螺，其特征在于该表面等离 子体激元SPPS光学陀螺包括干涉型波导陀螺和谐振型波导陀螺；所述光学陀螺 包括SPPs波导、SPPS耦合器、探测器、SPPs金属波导，其中，SPPs波导通过 SPPs耦合器与SPPs金属波导和探测器相连接。
所述的干涉型波导陀螺的SPPs波导为一个开环形的SPPs波导，SPPs耦合 器为一个分束器，探测器位于SPPs金属波导上。所述的谐振型波导陀螺的SPPs 波导为一个闭环的SPPs波导，SPPs耦合器的一端连接SPPs波导，另一端分别 连接两个SPPs金属波导，在每个SPPs金属波导上都设有一个探测器。SPPs金 属波导为周期性突起的金属纳米颗粒，或纳米缺陷，或一维纳米线、二维纳米薄 膜，或纳米点阵，所述的金属包括在可见光、近红外光波段呈现负介电常数的金 属，与之匹配的电介质材料包括光学透明性高的有机聚合物材料、玻璃材料、金 属氧化物材料。
采用真空蒸镀法、或旋转涂敷法、或真空溅射法制备电介质和金属纳米薄膜， 利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、或等离子刻蚀法、对金属 薄膜进行精细加工，制备具有特定结构的金属纳米缺陷、纳米颗粒、纳米线、纳 米薄膜、纳米点阵环路，形成SPPs波导、SPPs耦合器、探测器、SPPs金属波 导，制成表面等离子体激元慢光陀螺。
有益效果本发明与现有的技术相比具有以下的优点1、本发明采用SPPs波信号代替普通光信号以实现光学陀螺，实现传统集成 光波导陀螺无法达到的高灵敏度特性。以谐振式光学陀螺为例其极限灵敏度可 由以下公式表示
'1/2
"纖 2及SM
谐振峰的半高值7;。// =
丄max m
(l)
(2)，
谐振峰半高宽-
检测系统的信噪比
，，—,,2WT^ 、
2;r — 2 cos (——;-)
M2(《-1)-1
(3)
纖=
(4)
2￥"、『
jAf max
式中T为谐振环的透射系数，A为环形腔的面积，q和t。是光探测器的量子系 数和积分时间，力是普朗克常数，K为谐振环的耦合比，M为环内损耗系数。 SPPs波和同频率光波的传播速度之间有如下关系
C =C丄+」 l柳 "i i"
(5)
Sd、 Sm分别为电介质材料和金属材料的介电常数，当8-— -l时，Cspp— 0，
将公式(5)代入公式(1) - (2)可知，当通过有效地控制sd、 ^使CSPP<<C 时，陀螺的极限灵敏度将实现数量级上的提高(SQ数值的减小代表极限灵敏度 的提高)。从而实现传输光信号的光波导陀螺所无法达到的高灵敏度。
对于干涉式光学陀螺而言，其极限灵敏度同样和光速保持同比例关系，其原 理和谐振式光学陀螺相同，也可以通过传递SPPs波信号实现高灵敏度。
2、由于陀螺器件的灵敏度和谐振环的半径成正比，本发明采用SPPs波信号 代替普通光信号以实现光学陀螺，在同等灵敏度下，表面等离子体慢光陀螺谐振 环的半径将大大减小，这种波导结构，还可能实现包括光源、探测器、光波导型 陀螺以及分束器、相位和频率调制器等所有光学元器件全部集成，从而构成一个 全新意义的集成光学陀螺。因此，它可以同时实现陀螺灵敏度的提高和陀螺尺寸 的减小。
图1是干涉型表面等离子体波导结构光学陀螺示意图。 图2是谐振型表面等离子体波导结构光学陀螺示意图。 图3是金属纳米颗粒形成的SPPs波导的俯视结构示意图。 图4是沿波导传输方向，金属层纳米缺陷和金属纳米颗粒结构示意图。 图5是一维金属纳米线，二维金属纳米薄膜形成的SPPs波导的俯视结构示 意图。
图6是波导横截面方向， 一维金属纳米线，二维金属纳米薄膜的结构示意图。
图7是金属纳米点阵形成的SPPs波导的俯视结构示意图。 图8是波导横截面方向、波导斜45°传输方向金属纳米点阵的结构示意图。 以上的图中有衬底l、电介质层2、 SPPs金属波导3、金属纳米突起形成的 颗粒31、金属层纳米缺陷32、 一维金属纳米线33、 二维金属纳薄膜34、金属纳 米点阵35、开环SPPs波导41、闭环SPPs波导42、 SPPs耦合器43、 SPPs分束 器44、探测器45。
具体实施例方式
本发明的技术方案是这样实现的，从结构上而言，传统的光纤陀螺可分为干 涉型和谐振型光纤陀螺。其核心部分由开环或闭环的光纤环路组成，用以传输光 波信号，陀螺的关键技术指标——极限灵敏度由光纤环路对光信号的透射谱、光 波长、相速度等参数共同决定。同样的，表面等离子体激元慢光陀螺，其传输波 导由微米结构的金属和电介质材料混合组成，传输信号为相速度远小于同频率光 波信号的SPPs波，也可以利用和光纤陀螺相同的检测原理，对顺、逆时针的SPPs 波信号进行探测，实现干涉型或谐振型光学陀螺。
本发明的表面等离子体激元慢光陀螺，针对可见光、近红外波段的光波信号， 选取适当的低损耗金属材料薄层(如金、银、铜等)，配合适当的电介质材料(如 二氧化硅、有机聚合物等)，通过优化设计金属薄层的表面结构、调节电介质材 料的介电常数，实现低损耗，长距离传输的SPPs波信号传输，同时降低其相速 度，从而实现了具有高灵敏度的表面等离子体激元慢光陀螺，该表面等离子体激 元慢光陀螺包括干涉型和谐振型慢光陀螺;干涉型表面等离子体波导结构光学陀螺为一个开环波导构成，谐振型表面等离子体波导结构光学陀螺为一个闭环波导 谐振腔和一个SPPs耦合器构成，其中SPPs耦合器位于谐振腔的一侧，对SPPs 波进行分束，用于调节进入谐振腔内SPPs波信号的强度。所述的SPPs波导包 括各种在光波段呈现负介电常数特性的金属材料和与之相匹配的具有正介电常 数的电介质材料组成的具有不同结构和几何特性的金属纳米缺陷、纳米颗粒、 纳米点阵，或一维纳米线、二维纳米薄膜结构。
本发明的表面等离子体激元慢光陀螺的制备方法，采用在电介质薄膜上制备 周期性特定结构的金属纳米缺陷，或纳米颗粒，或纳米线，或纳米薄膜，或纳米 点阵形成环路，可利用发展非常成熟的微电子制造工艺在硅片或玻璃衬底上制 作。即利用真空蒸镀法、或旋转涂敷法、或真空溅射法等方法制备电介质和金属 纳米薄膜，利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、或等离子刻蚀 法、制备具有特定结构的金属纳米线环路，制成表面等离子体激元慢光陀螺。
制备SPPS波导的制作工艺为
a、 对于干涉式表面等离子体慢光陀螺，通过制造开环的金属纳米缺陷，或 纳米颗粒，或纳米线，或纳米薄膜，或纳米点阵，以形成表面等离子体激元的开 环波导传输路径，从而形成光学陀螺中的开环光通路，制成用表面等离子体波导 制备的光学陀螺；
b、 对于谐振式表面等离子体慢光陀螺，通过制造闭环的金属纳米缺陷，或 纳米颗粒，或纳米线，或纳米薄膜，或纳米点阵，以形成表面等离子体激元的谐 振环路，从而形成光学陀螺中的闭环光回路，制成用表面等离子体波导制备的光 学陀螺。
以下是采用表面等离子体激元慢光陀螺的方式。
干涉型与谐振型光学陀螺的工作原理都基于Sagnac效应，使得光束在环 型金属波导中沿相反方向在环型结构的SPPs波导中传播。
用表面等离子体激元波导制备的光学陀螺采用在衬底1的电介质薄层2上的 金属纳米颗粒31，或金属层纳米缺陷32，或一维金属纳米线33，或二维金属纳 米薄膜34，或金属纳米点阵35制成能够导引低损耗、低相速度的SPPs金属波 导3，从而实现了表面等离子体激元慢光陀螺，包括干涉型和谐振型表面等离子 体激元慢光陀螺；干涉型SPPs波导结构光学陀螺为一个开环SPPs波导41、SPPs 分束器44、探测器45构成，谐振型SPPs波导结构光学陀螺为一个闭环SPPs波导42、 一个SPPs耦合器43、两个探测器45构成，其中SPPs耦合器43位于闭 环光波导42的一侧，两个探测器45分别连接于两输出波导3。
用于降低SPPs波相速度的实施方法是通过设计金属纳米线、纳米薄膜的截 面尺寸，或引入周期性纳米点阵结构，针对入射光波，选择适当介电常数的电介 质薄层与之匹配，同时实现SPPs波的低损耗长距离传输和慢光传输特性。
SPPs耦合器和SPPs分束器的具体实施方法是将具有特定周期性结构的金属 纳米颗粒或金属光栅结构和SPPs波导整合在一起，通过温度或外加电场对电介 质的介电常数进行调节，实现符合设计需要的耦合比和分光比。
采用在电介质薄膜表面增加金属纳米线的方法制备SPPs波导和相关器件， 即真空蒸镀法、或旋转涂敷法、或真空溅射法等方法制备电介质和金属纳米薄膜， 利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、或等离子刻蚀法、对金属 薄膜进行精细加工，制备具有特定结构的金属纳米缺陷，或纳米颗粒，或纳米点 阵，或纳米线，或纳米薄膜，形成环路，制备表面等离子体激元慢光陀螺。
例如，利用旋转涂敷法在玻璃衬底材料上制成表面均匀、光学透明性好的聚 丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，利用真空蒸镀法在PMMA薄膜表面制成纳米厚度的银 层，通过等离子刻蚀法，对银层进行加工，制成特定结构的一维银纳米线，形成 导引SPPs波传输的环形金属波导结构。
又例如，利用旋转涂敷法在硅衬底材料上制成表面均匀、光学透明性好的 聚碳酸酯(PC)薄膜，利用真空蒸镀法在PC薄膜表面制成纳米厚度的金层， 利用激光全息光刻技术，在金层上刻写出具有周期性阵列结构的金属纳米缺陷， 形成导引SPPs波传输的环形金属波导结构。
干涉型、谐振型表面等离子体激元慢光陀螺的制作工艺为
1、 对衬底材料进行清洗、抛光处理，表面粗糙度为io纳米数量级。
2、 利用旋转涂敷法，制备一层电介质薄膜，通过反应离子刻蚀法对薄膜 表面进行处理，使电介质薄膜的厚度符合设计需要的指标。通过
高温加热的方法，达到电介质材料的玻璃化温度，用于降低薄膜表面的 粗糙度。
3、 利用可控真空蒸镀法，在加工好的电介质薄层上蒸镀一层厚度均匀金 属薄膜。
4、 覆盖具有SPPs波导结构的掩模版，对样品进行激光光刻，制成金属纳5、米点阵波导结构，形成具有开环结构的干涉型表面等离子体激元慢光 陀螺或具有闭环结构的谐振型表面等离子体激元慢光陀螺。或利用 SPPs波导结构的掩模版，对样品进行等离子刻蚀，制成金属纳米线波 导结构，形成具有开环结构的干涉型表面等离子体激元慢光陀螺或具 有闭环结构的谐振型表面等离子体激元慢光陀螺。
权利要求
1. 一种表面等离子体激元慢光陀螺，其特征在于该表面等离子体激元SPPs光学陀螺包括干涉型波导陀螺和谐振型波导陀螺；所述光学陀螺包括SPPs波导(41)、SPPs耦合器(44)、探测器(45)、SPPs金属波导(3)，其中，SPPs波导(41)通过SPPs耦合器(44)与SPPs金属波导(3)和探测器(45)相连接。
2、 据权利要求l所述的表面等离子体激元慢光陀螺，其特征在于所述的干 涉型波导陀螺的SPPs波导(41)为一个开环形的SPPs波导，SPPs耦合器(44) 为一个分束器，探测器(45)位于SPPs金属波导(3)上。
3、 据权利要求1所述的表面等离子体激元慢光陀螺，其特征在于所述的谐 振型波导陀螺的SPPs波导(41)为一个闭环的SPPs波导，SPPs耦合器(43) 的一端连接SPPs波导(41)，另一端分别连接两个SPPs金属波导(3)，在每个 SPPs金属波导(3)上都设有一个探测器(45)。
4、 据权利要求1或2或3所述的表面等离子体激元慢光陀螺，其特征在于 SPPs金属波导(3)为周期性突起的金属纳米颗粒(31)，或纳米缺陷(32)，或 一维纳米线(33)、 二维纳米薄膜(34)，或纳米点阵(35)，所述的金属包括在 可见光、近红外光波段呈现负介电常数的金属，与之匹配的电介质材料(2)包 括光学透明性高的有机聚合物材料、玻璃材料、金属氧化物材料。
5、 一种用于权利要求1所述的表面等离子体激元慢光陀螺的制备方法，其 特征在于采用真空蒸镀法、或旋转涂敷法、或真空溅射法制备电介质和金属纳米 薄膜，利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、或等离子刻蚀法、 对金属薄膜进行精细加工，制备具有特定结构的金属纳米缺陷、纳米颗粒、纳米 线、纳米薄膜、纳米点阵环路，形成SPPs波导(41)、 SPPs耦合器(44)、探 测器(45)、 SPPs金属波导(3)，制成表面等离子体激元慢光陀螺。
全文摘要
一种表面等离子体激元慢光陀螺及其制备方法，采用表面等离子激元波导传递信号，从而实现高灵敏度的慢光陀螺，包括干涉型和谐振型表面等离子激元波导光学陀螺；干涉型波导结构陀螺为一个开环波导构成，谐振型波导结构陀螺为一个闭环波导构成。其特征在于利用表面等离子波取代光波信号，利用金属纳米缺陷，或纳米颗粒，或纳米线，或纳米薄膜，或纳米点阵结构的表面等离子体激元波导环路取代光波导环路。其制作工艺为a.对于干涉式表面等离子体慢光陀螺，通过引入开环金属纳米线，以形成表面等离子体激元波导结构，从而形成光学陀螺中的信号通路。b.对于谐振式表面等离子体慢光陀螺，通过引入闭环金属纳米线，以形成表面等离子体激元波导结构，从而形成光学陀螺中的信号通路。
文档编号G02B6/10GK101294806SQ20081002532
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者彤 张, 张晓阳 申请人:东南大学