[发明专利]表面等离子体激元慢光陀螺及其制备方法

说明书

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的研究已经长达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：