基于二氧化硅波导偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺

1.本技术涉及集成光学和惯性传感技术领域，具体涉及一种基于二氧化硅波导偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺。


背景技术：

2.谐振式光纤陀螺(resonator fiber optic gyro,rfog)通过检测光纤谐振环中顺逆两个方向的谐振频率差来测量角速度。在同等精度下，rfog所需光纤长度相较于干涉式光纤陀螺可以缩短1-2个数量级。在集成化、小型化、高精度等方面具有优势，是陀螺未来发展的重要方向。
3.光纤谐振腔是rfog的主要敏感组件，其性能直接影响陀螺精度提升。目前谐振腔多采用传统的实芯光纤绕制，环境温度适应性差，寄生噪声较大，限制了rfog的精度。相比之下，空芯光子晶体光纤(hollow core photonic crystal fiber,hcpcf)具有更优良的性能，hcpcf利用周期性结构使得传播光束95％以上的能量位于中央空气中，可大大降低克尔效应、背向散射、温度效应等寄生误差，并且其弯曲损耗小，有利于小型化。但由于缺少成熟的空芯光子晶体光纤耦合器，限制了rfog中hcpcf的应用。目前已有研究人员对该问题提出了相应的解决方法，如专利(cn202010662325.1)中提出使用硅基耦合组件，利用空间光耦合的形式进行hcpcf谐振腔的搭建，但由于其耦合组件由多个分立部件组成，后续的装配工艺较为复杂。此外，有研究者将hcpcf与现有的光纤耦合器尾纤熔接得到的光纤谐振腔不仅损耗大，且无法避免熔接点引入的噪声误差。
4.集成光学的概念是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作成光波导元器件，与集成电子学一样，它能提供批量生产过程中将几种功能集成到同一光路上的潜力，从而实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化、高性能化的目的。因此采用多功能集成光学器件很早就被认为是研制光学陀螺的一种有效技术途径。在集成光学领域，二氧化硅平面光波导器件被设计开发以来，以其低传输损耗，高工艺容差，以及与cmos工艺兼容和与单模光纤耦合损耗低等优点，在光通信系统、光互连网络以及微波光子信号处理系统等方面得到了广泛的应用。但是商用的二氧化硅光波导器件的偏振相关损耗较低，这个特点在光纤陀螺中却将导致偏振噪声等误差的产生，从而限制了商用的二氧化硅光波导器件在光纤陀螺中的应用。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是针对现有谐振式光纤陀螺的难点，基于二氧化硅光波导低传输损耗、与光纤耦合损耗低、工艺兼容性强等特点，采用成熟的二氧化硅平面光波导工艺提供一种基于高双折射二氧化硅波导偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺方案，以解决现有技术中系统集成程度低、耦合损耗大、偏振噪声强的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.基于二氧化硅波导偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于，包括：激光
光源、y波导、第一环形器、第二环形器、第一探测器、第二探测器、高双折射二氧化硅波导偏振分束器、空芯光子晶体光纤环；所述的激光光源与y波导连接，用于产生光波；所述的y波导用于接收所述激光光源产生的光波，并将光波分为两束，并对光波施加相位调制；所述的第一环形器分别与所述y波导、第一探测器、高双折射二氧化硅波导偏振分束器连接；所述的第二环形器分别与y波导、第二探测器、高双折射二氧化硅波导偏振分束器连接；所述的第一环形器和第二环形器分别接收所述y波导输出的光波，并分别输入到所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器两端；所述空芯光子晶体光纤环两端与所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器两端连接，形成空芯光子晶体光纤谐振腔；所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器接收所述第一环形器、第二环形器发出的光波，使光波在所述谐振腔中循环，并将所述谐振腔中返回的光波分别输出给所述第一环形器、第二环形器；所述第一环形器接收所述谐振腔中返回光，并经第一探测器转换成电信号输出；所述第二环形器接收所述谐振腔中返回光，并经第二探测器转换成电信号输出。
8.进一步地，所述的高双折射二氧化硅波导偏振分束器，从底向上依次包括二氧化硅下包层、二氧化硅上包层；所述的二氧化硅下包层中制备有下应力条；所述的二氧化硅上包层中制备有直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导，衰减二氧化硅波导、上应力条；所述上应力条与下应力条分别位于直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导垂直方向上下侧，用于在直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导中引入应力双折射；所述直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导中部相互平行形成耦合区；所述直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导的四个端口分别布置了衰减二氧化硅波导。
9.进一步地，所述的下应力条和上应力条宽度和长度与直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导一致，所用材料为掺硼二氧化硅。
10.进一步地，所述的下应力条和上应力条利用不同掺杂材料热膨胀系数不同的特性，在直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导区域引入应力双折射效应，从而增大了传输光波的双折射系数。
11.进一步地，所述衰减二氧化硅波导由直波导部分与尾端衰减部分组成；所述直波导部分的宽度大于直通二氧化硅波导、耦合二氧化硅波导，与二者相互平行构成非对称耦合区，用于将谐振腔内传输光波的两个偏振模式分离开；所述尾端衰减部分由宽度逐渐变窄的弯曲波导构成，用于将在衰减二氧化硅波导中传输的偏振模式衰减掉，从而保证谐振腔内光波单偏振传输。
12.进一步地，光波在空芯光子晶体光纤陀螺中的传输过程如下：激光光源输出的光波经y波导后，被分为两束光波，并施加相位调制；其中输入第一环形器，定义其为顺时针光波；顺时针光波由高双折射二氧化硅波导偏振分束器a端输入，并在直通二氧化硅波导中传输，由于受到衰减二氧化硅波导的影响，传输光波的其中一个偏振模式将会被耦合出直通二氧化硅波导，并在衰减二氧化硅波导中损失掉；此后单偏振传输的顺时针光波一部分由高双折射二氧化硅波导偏振分束器b端输出，其余光波耦合进入耦合二氧化硅波导，开始在谐振腔中传输，经过高双折射二氧化硅波导偏振分束器d端，进入空芯光子晶体光纤环；光波在空芯光子晶体光纤环中传输，一部分光波通过耦合作用经直通二氧化硅波导输出谐振腔，其余光波继续在谐振腔内循环传输；从高双折射二氧化硅波导偏振分束器b端输出的光波，包括由高双折射二氧化硅波导偏振分束器a端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循
环后输出的光波，二者发生叠加，经第二环形器输出，由第二探测器接收并转换为电信号；
13.其中输入第二环形器，定义其为逆时针光波；逆时针光波由高双折射二氧化硅波导偏振分束器b端输入，并在直通二氧化硅波导中传输，由于受到衰减二氧化硅波导的影响，传输光波的其中一个偏振模式将会被耦合出直通二氧化硅波导，并在衰减二氧化硅波导中损失掉；此后单偏振传输的逆时针光波一部分由高双折射二氧化硅波导偏振分束器a端输出，其余光波耦合进入耦合二氧化硅波导，开始在谐振腔中传输，经过高双折射二氧化硅波导偏振分束器c端，进入空芯光子晶体光纤环；光波在空芯光子晶体光纤环中传输，一部分光波通过耦合作用经直通二氧化硅波导输出谐振腔，其余光波继续在谐振腔内循环传输；从高双折射二氧化硅波导偏振分束器a端输出的光波，包括由高双折射二氧化硅波导偏振分束器b端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，二者发生叠加，经第一环形器输出，由第一探测器接收并转换为电信号；第一探测器与第二探测器检测的顺、逆时针光频差即为陀螺角速率信号输出。
14.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
15.由上述实施例可知，本技术采用成熟的二氧化硅平面光波导工艺制备了低传输损耗，低耦合损耗，小体积二氧化硅波导偏振分束器，实现了空芯光子晶体光纤谐振腔的高性能集成封装，减小了系统体积，提升了陀螺的极限灵敏度和稳定性；利用二氧化硅平面光波导工艺兼容性强的优势，在二氧化硅光波导区域上下方添加两个不同掺杂的应力条，增大了传输光波的双折射系数，从而有一定偏振稳定的作用；基于应力双折射效应，芯区传输光波的双折射系数增大，因此可以在在传输波导输入/输出端口制备非对称耦合器，通过合理选择参数将传输光波的其中一个模式滤除，实现谐振腔内光波单偏振运行，从而减小了偏振噪声的干扰。
16.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
18.图1是本发明实施例提供的基于二氧化硅偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺整体示意图。
19.图2是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器的结构示意图。
20.图3是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器的侧视图。
21.图4是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器中芯层波导的俯视图。
22.图5是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器中应力条热膨胀对芯层波导产生的应力双折射效应图。
23.图6是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器中te模传播时的光场分布图。
24.图7是本发明实施例提供的高双折射二氧化硅偏振分束器中tm模传播时的光场分布图。
具体实施方式
25.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
26.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
27.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
28.参考图1，本发明实施例提供一种基于二氧化硅波导偏振分束器的空芯光子晶体光纤陀螺，包括：激光光源1、y波导2、第一环形器3、第二环形器4、第一探测器5、第二探测器6、高双折射二氧化硅波导偏振分束器7、空芯光子晶体光纤环8；所述的激光光源1与y波导2连接，用于产生光波；所述的y波导2，用于接收所述激光光源1产生的光波，并将光波分为两束，并对光波施加相位调制；所述的第一环形器3分别与所述y波导2、第一探测器5、高双折射二氧化硅波导偏振分束器7连接；所述的第二环形器4分别与y波导2、第二探测器6、高双折射二氧化硅波导偏振分束器7连接；所述的第一环形器3和第二环形器4分别接收所述y波导2输出的光波，并分别输入到所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器7两端；所述空芯光子晶体光纤环8两端与所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器7两端连接，形成空芯光子晶体光纤谐振腔；所述高双折射二氧化硅波导偏振分束器7接收所述第一环形器3、第二环形器4发出的光波，使光波在所述谐振腔中循环，并将所述谐振腔中返回的光波分别输出给所述第一环形器3、第二环形器4；所述第一环形器3接收所述谐振腔中返回光，并经第一探测器5转换成电信号输出；所述第二环形器4接收所述谐振腔中返回光，并经第二探测器6转换成电信号输出。
29.根据以上技术方案，本发明采用本发明采用成熟的二氧化硅平面光波导工艺制备了低传输损耗，低耦合损耗，小体积二氧化硅波导偏振分束器，实现了空芯光子晶体光纤谐振腔的高性能集成封装，减小了系统体积，保证了腔内传输光波的单偏振运行，有利于提升谐振式光纤陀螺的稳定性和灵敏度。
30.为了实现空芯光子晶体光纤谐振腔的高性能搭建，本技术采用二氧化硅波导偏振分束器与空芯光子晶体光纤直接对接的方案，实现了空芯光子晶体光纤谐振腔的低损耗集成封装，减小了系统体积，提升了陀螺的极限灵敏度和稳定性；通过在在二氧化硅光波导区域上下方添加不同掺杂的应力条，增大了传输光波的双折射系数，从而有一定偏振稳定的作用；此外，基于应力双折射效应，芯区传输光波的双折射系数增大，因此可以在传输波导输入/输出端口制备非对称耦合器，通过合理选择参数将传输光波的其中一个模式滤除，从而实现谐振腔内光波单偏振运行，减小偏振噪声的干扰。
31.参考图2和图3，本实施例中，所述的高双折射二氧化硅波导偏振分束器7，从底向上依次包括二氧化硅下包层71、二氧化硅上包层72；所述的二氧化硅下包层71中制备有下应力条73；所述的二氧化硅上包层72中制备有直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75，衰减二氧化硅波导76、上应力条77；所述上应力条77与下应力条73分别位于直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75垂直方向上下侧，用于在直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75中引入应力双折射；所述直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75中部相互平行形成耦合区；所述直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75的四个端口分别布置了衰减二氧化硅波导76，参考图4所示，基于该光波导结构设计，可以实现将特定比例的输入光耦合进入谐振腔，从而完成谐振腔的闭环运行，此外，衰减二氧化硅波导76可以将其中一个偏振模式衰减，从而保证谐振腔内光波单一偏振运行。
32.参考图2和图3，本实施例中，为简化工艺操作和保证后续应力分布的均匀性，所述的下应力条73和上应力条77宽度和长度与直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75一致，所用材料为掺硼二氧化硅。
33.参考图5，本实施例中，制作波导的上下包层材料选用石英(sio2)，在制作波导芯区时，采用掺杂磷(p)或锗(ge),以此保证掺杂后芯区部分的折射率有所提升，从而保证传输光波的全反射条件。而所述的下应力条73和上应力条77，是在石英的基础上掺杂三氧化二硼(b2o3),由于三氧化二硼的热膨胀系数高于石英，因此掺杂后热膨胀系数就高于包层和芯区波导，故在波导制备过程中会产生残留的热应力，从而在直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75区域引入应力双折射效应，最终增大了传输光波的双折射系数。
34.参考图2、图3和图4，本实施例中，所述衰减二氧化硅波导76由直波导部分761与尾端衰减部分762组成；所述直波导部分761的宽度大于直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75，与二者相互平行构成非对称耦合区，用于将谐振腔内传输光波的两个偏振模式分离开；所述尾端衰减部分762由宽度逐渐变窄的弯曲波导构成，用于将在衰减二氧化硅波导76中传输的偏振模式衰减掉，从而保证谐振腔内光波单偏振传输。
35.参考图1，本实施例中，光波在空芯光子晶体光纤陀螺中的传输过程如下：激光光源1输出的光波经y波导2后，被分为两束光波，并施加相位调制；其中输入第一环形器3，定义其为顺时针光波；顺时针光波由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7a端输入，并在直通二氧化硅波导74中传输，由于受到衰减二氧化硅波导76的影响，传输光波的其中一个偏振模式将会被耦合出直通二氧化硅波导74，并在衰减二氧化硅波导76中损失掉；此后单偏振传输的顺时针光波一部分由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7b端输出，其余光波耦合进入耦合二氧化硅波导75，开始在谐振腔中传输，经过高双折射二氧化硅波导偏振分束器7d端，进入空芯光子晶体光纤环8；光波在空芯光子晶体光纤环8中传输，一部分光波通过耦合作用经直通二氧化硅波导74输出谐振腔，其余光波继续在谐振腔内循环传输；从高双折射二氧化硅波导偏振分束器7b端输出的光波，包括由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7a端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，二者发生叠加，经第二环形器4输出，由第二探测器6接收并转换为电信号；
36.其中输入第二环形器4，定义其为逆时针光波；逆时针光波由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7b端输入，并在直通二氧化硅波导74中传输，由于受到衰减二氧化硅波导76的影响，传输光波的其中一个偏振模式将会被耦合出直通二氧化硅波导74，并在衰减二氧
化硅波导76中损失掉；此后单偏振传输的逆时针光波一部分由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7a端输出，其余光波耦合进入耦合二氧化硅波导75，开始在谐振腔中传输，经过高双折射二氧化硅波导偏振分束器7c端，进入空芯光子晶体光纤环8；光波在空芯光子晶体光纤环8中传输，一部分光波通过耦合作用经直通二氧化硅波导74输出谐振腔，其余光波继续在谐振腔内循环传输；从高双折射二氧化硅波导偏振分束器7a端输出的光波，包括由高双折射二氧化硅波导偏振分束器7b端输入后直接输出的光波，和经过谐振腔循环后输出的光波，二者发生叠加，经第一环形器3输出，由第一探测器5接收并转换为电信号；第一探测器5与第二探测器6检测的顺、逆时针光频差即为陀螺角速率信号输出。
37.下面描述本发明高双折射二氧化硅波导偏振分束器的制备方法，主要包括以下步骤：
38.1)为避免其他衬底材料带来不均匀热应力，同时降低工艺难度，精简工艺步骤，因此直接选择二氧化硅材料作为衬底；
39.2)通过等离子增强化学气相沉积(pecvd)技术在二氧化硅衬底上制备硼掺杂的二氧化硅应力层；
40.3)按照晶圆尺寸及图案设计要求制作第一块掩膜版，通过第一块掩膜板进行光刻、刻蚀在上硼掺杂的二氧化硅应力层制备下应力条73；
41.4)采用pecvd技术在下应力条73上方沉积一层二氧化硅作为与芯区的缓冲层，称其为下缓冲层，二氧化硅衬底与下缓冲层共同形成下包层71；
42.5)按照芯层波导偏振分束器的尺寸及图形设计要求制作第二块掩膜版，采用pecvd、光刻与刻蚀工艺在下包层71上制作直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75和衰减二氧化硅波导76；
43.6)采用pecvd工艺在波导层上方沉积一层二氧化硅缓冲层，称其为上缓冲层，其厚度与下缓冲层厚度一致；
44.7)使用第一块掩模版，采用pecvd、光刻与刻蚀工艺在上缓冲层上方制备上应力条77；
45.8)采用pecvd技术在上应力条77上方沉积一层二氧化硅，该二氧化硅层与上缓冲层共同形成上包层72；
46.9)最后采用退火方法来获得性能稳定的光学器件。
47.下面再通过具体的实例来进一步说明：
48.本发明实施例提供一种高双折射二氧化硅偏振分束器具体的参数，如下所示：
49.1)下包层71厚度1mm，上包层72厚度30μm；
50.2)直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75：材料选用掺锗二氧化硅，折射率差为0.7％，宽度6μm，高度6μm，长度2cm，耦合间距3.5μm；
51.3)衰减二氧化硅波导76：材料选用掺锗二氧化硅，折射率差为0.7％，宽度13μm，高度6μm，长度1300μm，耦合间距为2μm；
52.4)下应力条73、上应力条77：材料选用掺硼二氧化硅，硼掺杂浓度25mol％，宽度6μm，高度10μm，长度2cm，与芯层波导缓冲间距为2μm；
53.所述下应力条73和上应力条77由于与直通二氧化硅波导74、耦合二氧化硅波导75掺杂材料不同，在经过高温退火(约1000℃)工艺后，下应力条73和上应力条77与直通二氧
化硅波导74、耦合二氧化硅波导75之间的热膨胀不匹配导致结构在工作温度(通常为室温20℃)下产生热致应力，根据光弹效应，热应力最终将导致波导的有效折射率发生改变，即产生应力双折射效应，参考附图5，可以看出此时热膨胀导致的应力双折射系数可以高达7
×
10-4
。
54.参考附图4和图6，所述衰减二氧化硅波导76分别布置在耦合器的四个端口，通过合理选择参数，可以实现te模式与衰减二氧化硅波导76中直波导部分761传输的模式相位匹配，从而由原先的直通二氧化硅波导74或耦合二氧化硅波导75中耦合进入衰减二氧化硅波导76中，最终在衰减部分尾端衰减部分762中损失掉。
55.参考附图7，由于应力双折射的影响，对于直通二氧化硅波导74或耦合二氧化硅波导75中传输的另一个模式tm模，其与衰减二氧化硅波导76中直波导部分761的传输模式相位并不匹配，从而仍在直通二氧化硅波导74或耦合二氧化硅波导75中传输，从而实现了空芯光纤谐振腔内单偏振传输的目的，有效的减小了偏振噪声的影响。
56.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由权利要求指出。
57.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。