用光子晶體製備的光學陀螺及其製備方法
2023-05-28 20:59:51
專利名稱：用光子晶體製備的光學陀螺及其製備方法
技術領域：
本發明提出一種波導結構的光學陀螺實現方案，特別涉及用光子晶體實現波導結構的光學陀螺。
背景技術：
光學陀螺是一種基於Sagnac效應的新型光電陀螺儀，Sagnac效應是相對慣性空間轉動的閉環光路中傳播光的一種普遍的相關效應，即光束進入系統後分成兩束相反方向傳播的光波，它們在經過相同光路，以相反方向傳播後同相地返回分束點。若繞垂直於光路所在平面的軸線，相對於慣性空間存在著轉動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，從而產生光程差。理論上可以證明，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而，知道光程差及與之相應的相位差信息，即可測得相應的角速度。光學陀螺自概念提出到如今的20多年時間裡，經歷了第一代「雷射陀螺」和第二代「光纖陀螺」的發展過程。與雷射陀螺相比，光纖陀螺以其精度高，壽命長，啟動快，信號穩定，結構簡單等諸多優勢很快的在汽車導航、飛機導航等各種導航領域中得到了廣泛應用。近年來，隨著光電子技術的發展，集成光學和光電子器件生產技術的進步，國內外學者提出了第三代光學陀螺，即「集成光學陀螺」。目前，國外的許多知名研究機構，都在加大集成光學陀螺的研究力度。集成光學作為光電子學的一個新領域，代表著先進光電子器件的發展方向。集成光學對於光電子器件的高度集成，必將引起光電子器件的一場新的革命。
光子晶體是具有光子帶隙的周期性電介質結構，它能夠控制和操縱電磁波的傳播，形成電磁波的導帶和禁帶。頻率處在光子帶隙中的電磁波將不能傳播。1994年由R.D.Meade等人首先提出光子晶體波導的概念，即如果在光子帶隙內引入缺陷，則頻率在光子帶隙內的光將被限制在這一缺陷內傳播，從而可以將存在缺陷的光子晶體設計為光波導。光子晶體中由缺陷所形成的波導，其彎曲的角度可達120度以上，也不至於有太多的光損失，具有體積小、可偏折角度大、損耗小的特點。
發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種用光子晶體製備的光學陀螺及其製備方法，用光子晶體波導來替代傳統光波導結構的光學陀螺，解決現有技術存在的器件體積大，不易集成，光傳輸損耗大等缺點。
技術方案本發明的技術方案是這樣實現的，從結構上而言，傳統的光纖陀螺可分為幹涉型和諧振型光纖陀螺。其關鍵的部件分別由螺旋狀光纖環繞制或者由單一的光纖環構成。同樣的，光子晶體光學陀螺，也可以通過光子晶體波導，實現幹涉型或諧振型光學陀螺。
本發明的用光子晶體製備的光學陀螺，採用在基底的光子晶體上的缺陷製成損耗很低的光波導，從而實現了光子晶體光學陀螺，該光子晶體光學陀螺包括幹涉型和諧振型光子晶體光波導陀螺；幹涉型光波導結構光學陀螺為一個開環光波導構成，諧振型光波導結構光學陀螺為一個閉環光波導和光子晶體上的缺陷製成的條型波導構成，其中條型波導有一條或兩條，位於閉環光波導的側面。所述的光子晶體包括一維光子晶體、二維光子晶體以及三維光子晶體。
本發明的用光子晶體製備的光學陀螺的製備方法，採用在光子晶體中引入缺陷來製備光子晶體波導，即利用機械法、或電化學蝕刻法、或雷射全息光刻技術、或層疊法、或膠體溶液自組織生長法、或薄膜製備技術，製備介電係數發生空間周期變化的結構，然後在上述周期中製備缺陷，或直接製備帶有缺陷的光子晶體製成用光子晶體製備的光學陀螺。
製備光子晶體波導的製作工藝為a、對於幹涉式光子晶體陀螺，通過製造開環的缺陷，以形成光子晶體的開環光波導結構，從而形成光學陀螺中的開環光通路，製成用光子晶體製備的光學陀螺；b、對於諧振式光子晶體陀螺，通過製造閉環的缺陷，以形成光子晶體的閉環光波導諧振腔結構，從而形成光學陀螺中的閉環光迴路，製成用光子晶體製備的光學陀螺。
有益效果本發明與現有的技術相比具有以下的優點
本發明採用光子晶體波導代替普通光波導以實現光學陀螺，解決了由於採用光纖繞制的光纖環，使得整個光學陀螺不能完全集成化的問題，同時解決了由於傳統光波導傳輸損耗大，尤其是在拐角處彎曲、散射損耗大的問題。這種波導結構，還可能實現包括光源、探測器、光波導型陀螺以及分束器、相位和頻率調製器等所有光學元器件全部集成，從而構成一個全新意義的集成光學陀螺。因此，它可以減小陀螺尺寸和提高陀螺精度。
圖1是採用二維光子晶體波導結構的幹涉型光學陀螺示意圖。
圖2是採用二維光子晶體波導結構的諧振型光學陀螺示意圖。
以上的圖中有基底1、光子晶體2、缺陷3、開環光波導41、閉環光波導42、條型波導421、波導耦合器422。
具體實施例方式
以下是採用光子晶體波導結構實現光學陀螺的具體實施方式
。
幹涉型與諧振型光學陀螺的工作原理都基於Sagnac效應，使得光束在環型波導中沿相反方向在螺旋型或是單一環結構的光波導中傳播。
用光子晶體製備的光學陀螺採用在基底1的光子晶體2上的缺陷3製成損耗很低的光波導，從而實現了光子晶體光學陀螺，包括幹涉型和諧振型光子晶體光波導陀螺；幹涉型光波導結構光學陀螺為一個開環光波導41構成，諧振型光波導結構光學陀螺為一個閉環光波導42和光子晶體2上的缺陷3製成的條型波導421構成，其中條型波導421有一條或兩條，位於閉環光波導42的側面。所述的光子晶體2包括一維光子晶體、二維光子晶體以及三維光子晶體。
用光子晶體製備的光學陀螺的製備方法是採用在光子晶體中引入缺陷來製備光子晶體波導，即利用機械法、或電化學蝕刻法、或雷射全息光刻技術、或層疊法、或膠體溶液自組織生長法、或薄膜製備技術，製備介電係數發生空間周期變化的結構，然後在上述周期中製備缺陷，或直接製備帶有缺陷的光子晶體製成用光子晶體製備的光學陀螺。例如，利用電化學刻蝕方法在n型Si基材料上形成圓柱空氣孔製備二維光子晶體.再如，利用微機械加工技術在Al2O3中鑽出球形孔製作三維光子晶體。
製作工藝為
a、對於幹涉式光子晶體陀螺，通過製造開環的缺陷，以形成光子晶體2的開環光波導41波導結構，從而形成光學陀螺中的開環光通路，製成用光子晶體製備的光學陀螺；b、對於諧振式光子晶體陀螺，通過製造閉環的缺陷，以形成光子晶體2的閉環光波導42波導諧振腔結構，從而形成光學陀螺中的閉環光迴路，製成用光子晶體製備的光學陀螺。
例如利用介質圓柱棒排列成陣列或應用機械鑽孔的方法在均勻介質中形成周期排列的圓形或柱形空氣孔洞。這樣就形成了二維光子晶體。對於機械鑽孔方法形成的光子晶體，可以按需要使用原基底材料填補特定的孔洞以形成缺陷，或在製備孔洞時故意留下特定區域(即是波導區域)不實施鑽孔，一次性形成具有缺陷的光子晶體。設計成具有開環或閉環形狀的缺陷，即可形成光子晶體波導，從而製備成光子晶體波導陀螺。
權利要求
1.一種用光子晶體製備的光學陀螺，其特徵在於採用在基底(1)的光子晶體(2)上的缺陷(3)製成損耗很低的光波導，從而實現了光子晶體光學陀螺，該光子晶體光學陀螺包括幹涉型和諧振型光子晶體光波導陀螺；幹涉型光波導結構光學陀螺為一個開環光波導(41)構成，諧振型光波導結構光學陀螺為一個閉環光波導(42)和光子晶體(2)上的缺陷(3)製成的條型波導(421)構成，其中條型波導(421)有一條或兩條，位於閉環光波導(42)的側面。
2.據權利要求1所述的用光子晶體實現的光學陀螺，其特徵在於所述的光子晶體(2)包括一維光子晶體、二維光子晶體以及三維光子晶體。
3.一種用於權利要求1所述的用光子晶體製備的光學陀螺的製備方法，其特徵在於採用在光子晶體中引入缺陷來製備光子晶體波導，即利用機械法、或電化學蝕刻法、或雷射全息光刻技術、或層疊法、或膠體溶液自組織生長法、或薄膜製備技術，製備介電係數發生空間周期變化的結構，然後在上述周期結構中製備缺陷，或直接製備帶有缺陷的光子晶體，製成用光子晶體製備的光學陀螺。
4.根據權利要求3所述的用光子晶體製備的光學陀螺的製備方法，其特徵在於採用在光子晶體中引入缺陷來製備光子晶體波導的製作工藝為a、對於幹涉式光子晶體陀螺，通過製造開環的缺陷，以形成光子晶體(2)的開環光波導(41)結構，從而形成光學陀螺中的開環光通路，製成用光子晶體製備的光學陀螺；b、對於諧振式光子晶體陀螺，通過製造閉環的缺陷，以形成光子晶體(2)的閉環光波導(42)諧振腔結構，從而形成光學陀螺中的閉環光迴路，製成用光子晶體製備的光學陀螺。
全文摘要
用光子晶體實現的波導結構光學陀螺及其製備方法，採用光子晶體製成損耗很低的光波導，從而實現了光子晶體光學陀螺，包括幹涉型和諧振型光子晶體光波導陀螺；幹涉型光波導結構光學陀螺為一個開環光波導構成，諧振型光波導結構光學陀螺為一個閉環光波導構成。其特徵在於採用在光子晶體中引入缺陷來製備光子晶體波導，其製作工藝為a.對於幹涉式光子晶體陀螺，通過引入開環的缺陷，以形成光子晶體波導結構，從而形成光學陀螺中的光通路。b.對於諧振式光子晶體陀螺，通過引入閉環的缺陷，以形成光子晶體波導諧振腔，從而形成光學陀螺中的光迴路。
文檔編號G01C19/02GK1670481SQ20051003872
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月7日 優先權日2005年4月7日
發明者張彤, 崔一平 申請人:東南大學