端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計的製作方法

2023-07-13 16:48:37

本發明涉及光學領域和微納系統領域，具體為基於CPT效應的端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計。

背景技術：

MEMS技術的進步，帶動了微製造行業的發展，基於CPT效應的晶片磁強計由於不需要千兆赫茲量級的本地振蕩器，相比於傳統原子磁強計，在體積上縮小了數個數量級，功耗以及性能在很大程度上也得到了改善，並擴展了其應用範圍。比如，航空勘測、空間應用，便宜的磁強計陣列可以用於井下勘測、遙感以及生物磁應用。從國外的研究成果可以看出，目前晶片磁強計的研製性能參數基本滿足部分應用需求，已研製出商用晶片磁強計產品，並取得了較大進展，但基於新方案的設計理念，有望使得其精度進一步提高。

在晶片磁強計的實驗裝置中，因為各種噪聲的影響，導致信號幅度很小，很難達到光子散彈噪聲極限。其中限制靈敏度的主要因素是VCSEL雷射器的幅度噪聲和頻率噪聲。雷射頻率噪聲通過原子共振信號轉換為幅度噪聲。雖然通過將VCSEL雷射器鎖定到原子的躍遷線上，可以大大減小光頻率噪聲起伏的影響，但光頻率起伏噪聲依然很大。其次在某些VCSEL中，不同偏振模式之間的模式競爭噪聲，在探測器上會引起較大的幅度噪聲。所有這些噪聲都降低了晶片級磁強計的靈敏度。

頻率漂移和CPT線性的不對稱也會導致靈敏度的下降，引起頻移的因素有：磁場、緩衝氣體、溫度、光頻移、加速度或者射頻功率的漂移。因此需要嚴格控制這些參數，或者找到一種探測機制來減小晶片磁強計對這些參數的頻率敏感度。

技術實現要素：

晶片級磁強計是基於CPT（相干布居囚禁效應）效應工作的，通過測量工作原子基態F=1和F=2之間的磁靈敏塞曼次能級的超精細分裂，然後減去標稱超精細能級得到拉莫爾頻率，並最終得到磁場強度。單光路CPT磁強計在工作時，由於共模噪聲的存在，很大程度上限制了頻率穩定度的提高。

為了進一步提高晶片級磁強計磁場靈敏度，有效控制光在空間傳輸，本發明目的是提出端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計方案。

本發明是採用如下技術方案實現的：

一種端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計，包括雷射器，所述雷射器出射的光束通過端面耦合輸入端耦合進入Y波導分束器，其中一束光經過相位調製單元後輸出，另外一束光經調節補償後輸出，兩路光束再分別經過垂直耦合光柵和垂直耦合光柵輸出，分別依次經過偏振片、衰減片、波片、準直、聚焦之後進入氣室，出射後，兩束光經過探測單元轉化為電信號後經過減法器輸入集成電路晶片，所述集成電路晶片對雷射器和相位調製單元進行調控。

本發明提出的端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計方案，原理如圖1所示，納米光波導雙光路晶片級磁強計由VCSEL光源、納米垂直耦合光柵、Y型納米光波導、調製、偏振控制、MEMS氣室、光電探測、多功能集成電路晶片組成。

利用納米Y型光波導，獲得性能完全相同的兩束光，可通過抑制共模噪聲有效提高磁強計靈敏度是其核心所在，並對納米光波導功能單元採用微加工工藝，以保證兩路光的最大相同。光學部分創新地採用了雙光路方案，一束雷射用來探測原子的CPT信號，另外一束作為參考光，探測信號相減獲得原子的躍遷信號。相比於單光路的晶片級磁強計方案，該方案通過雙光路共模抑制可以大大減小光功率起伏和頻率起伏噪聲的影響，有效提高CPT磁強計的信噪比，從而可以大大提高晶片級磁強計的靈敏度；對於由磁場、緩衝氣體、溫度、光頻移等引起的頻移，也有一定的抑制作用，從而提高晶片級磁強計的中長期穩定度。圖1中示意出了電路部分，減法器將消除了共模噪聲的鐘信號輸入集成電路晶片，集成電路晶片完成對雷射器和相位調製單元進行調控。

雙光路晶片級磁強計共模噪聲抑制機理及雙光路對等效磁場強度影響機理如下：

針對研究內容和解決的關鍵問題，理論上，以原子的三能級系統為模型，考慮原子系統的實際光學長度，採用旋轉波近似，應用Liouville-Bloch方程，得出描述系統演化的密度矩陣方程組。數值解更能清晰地反映物理規律，且有利於對實際問題進行具體分析，因此對上述過程進行數值計算。同時精細研究雙光路與銣原子的相互作用，具體分析兩路雷射各參量對輸出信號的影響，進而定量獲得雷射各參量與CPT信號信噪比的關係，對雙光路晶片級磁強計的共模噪聲抑制特性進行理論驗證，用於指導實驗。

如圖2所示，雷射器出射的光束耦合進入Y波導分束器，其中一路經過相位調製單元產生相位差恆定的相干光，另外一束經由歐姆電極調節補償以此與調製光路一致，兩路光束然後經過垂直耦合光柵輸出，經過偏振片、衰減片、波片，經過準直和聚焦之後進入銣原子氣室，經過調製的光束會與原子相互作用產生CPT效應，未經調製的光則攜帶背景噪聲信號，兩束光經過探測單元轉化為電信號後經過減法器可以消除背景噪聲，達到提高頻率穩定度的目的。

根據CPT磁強計的物理機制，如圖3所示，晶片級磁強計物理部分主要包括VCSEL雷射器、納米Y波導分束器、光學鏡片組合、MEMS微氣室、探測單元、RF線圈。自Y波導耦合輸出的光束，通過偏振片、衰減片以及λ/4波片之後進入微氣室。兩束光經過氣室同時到達兩象位探測晶片，信號相減即為消除了共模噪聲信號。

附圖說明

圖1表示納米光波導雙光路晶片級磁強計方案原理圖。

圖2雙光路納米光波導功能單元集成示意圖。

圖3表示磁強計中物理部分分解示意圖。

圖中：1-雷射器，2-Y波導分束器，31-偏振片，32-衰減片，33-λ/4波片，4-ITO加熱片，5-RF線圈，6-MEMS微氣室，7-探測單元，8-調製電極，9-歐姆電極，10-端面耦合輸入端，11-納米垂直耦合光柵，12-納米垂直耦合光柵。

具體實施方式

下面對本發明的具體實施例進行詳細說明。

一種端面耦合納米光波導雙光路晶片級磁強計，如圖1、3所示，包括VCSEL雷射器1，所述VCSEL雷射器1出射的光束通過其端面耦合輸入端 10耦合進入Y波導分束器2，納米垂直耦合光柵1實現對VCSEL雷射器準直隔離雷射光源的耦合輸入（耦合效率優於80％），通過耦合對準技術與納米Y型波導進行精準對接；其中一束光經過相位調製單元後輸出，另外一束光經調節補償後輸出，例如可以對一路導波光束通過調製電極8進行3.4GHz調製從而產生頻率差為6.8GHz的邊帶，另一路導波光束通過歐姆電極9進行微調以補償與調製光路的一致性差異；兩路光束再分別經過垂直耦合光柵 11和垂直耦合光柵 12輸出，分別依次經過偏振片31、衰減片32、λ/4波片33，通過準直、聚焦之後進入氣室，所述氣室為銣原子氣室（MEMS微氣室），所述銣原子氣室的上下分別設置有RF線圈5和ITO加熱片4。光束出射後，兩束光經過探測單元7轉化為電信號後經過減法器輸入集成電路晶片，所述集成電路晶片對雷射器和相位調製單元進行調控。

其中，如圖2所示，垂直耦合光柵和垂直耦合光柵均為漸變光柵，漸變光柵將經過調製電極8攜帶有邊帶調製信號的光通過納米垂直耦合光柵 11輸入到MEMS微氣室，漸變光柵將經過歐姆電極9補償後的光通過納米垂直耦合光柵 12輸入到MEMS微氣室，兩束光經過氣室同時到達兩象位探測晶片，信號相減即為消除了共模噪聲信號。

具體實施時，採用MEMS工藝實現波導、微透鏡、微氣室的集成。採用特種真空膠將上述各個部件集成為一體。與傳統的單光路晶片級磁強計相比，納米光波導雙光路晶片磁強計在物理系統部分採用了納米Y波導對雷射器出射的光進行了分光，在對物理部分封裝的過程中需要將它與各個光路部分進行緊密連接，達到減小體積、功耗的目的。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照本發明實施例進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明的技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋權利要求保護範圍中。