[發明專利]表面等離子體激元慢光陀螺及其制備方法

有效

• 申請號: 200810025327.9
• 申請日: 2008-04-25
• 公開（公告）號: CN101294806A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發明（設計）人: 張彤;張曉陽
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/64
• 分類號: G01C19/64;G02B6/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明提出一種波導結構的光學陀螺實現方案，特別涉及用表面等離子體激元及其慢光特性實現高精度的光學陀螺。

背景技術

光學陀螺是一種基于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，即光束進入系統后分成兩束相反方向傳播的光波，它們在經過相同光路，以相反方向傳播后同相地返回分束點。若繞垂直于光路所在平面的軸線，相對于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近30年時間里，經歷了第一代“激光陀螺”和第二代“光纖陀螺”和第三代“集成光學陀螺”的發展過程。目前“激光陀螺”和“光纖陀螺”分別代表中等精度和高精度的慣性角速度傳感器，均以實現成熟的商業化，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。通過集成光波導傳輸光波信號制備光波導陀螺，將各光電子組件高度集成在一起，利用平面工藝生產線實現批量生產，可以大幅提高陀螺器件的產品生產率和穩定性，并降低成本和售價。

表面等離子體激元(surface?plasmon?polaritons-SPPs)是光波與可遷移的表面電荷(如金屬中的自由電子)之間相互作用產生的電磁模，可在特定結構的金屬和電介質材料組成的波導中實現傳播。SPPs模具有大于同頻率下光子的波數，其傳播速度由金屬和電介質的物理參數(如介電常數)、金屬表面的結構共同決定，通過適當的設計，可以有效地降低SPPs在不同區間的傳播相速度，甚至實現光信號的靜止。SPPs的研究已經長達100多年的歷史，由于受早期制作電子元件的工藝水平的限制，加工不了微米、納米尺寸的元件和回路，SPPs并未引起科學界的廣泛關注。近些年來，隨著工藝技術的長足進步，制備微納精細結構已不成為技術限制，基于表面等離子體效應的研究重新成為熱點。SPPs耦合器、調制器、長距離傳輸波導結構等器件均有相關的實驗報道。

發明內容

技術問題：本發明的目的是提出一種利用表面等離子體激元波導實現光學陀螺及其制備方法，用表面等離子體SPPs波特有的慢光特性，實現高精度的光學陀螺，解決現有集成光波導陀螺精度低，體積大等缺陷。

技術方案：本發明的表面等離子體激元慢光陀螺，其特征在于該表面等離子體激元SPPs光學陀螺包括干涉型波導陀螺和諧振型波導陀螺；所述光學陀螺包括SPPs波導、SPPs耦合器、探測器、SPPs金屬波導，其中，SPPs波導通過SPPs耦合器與SPPs金屬波導和探測器相連接。

所述的干涉型波導陀螺的SPPs波導為一個開環形的SPPs波導，SPPs耦合器為一個分束器，探測器位于SPPs金屬波導上。所述的諧振型波導陀螺的SPPs波導為一個閉環的SPPs波導，SPPs耦合器的一端連接SPPs波導，另一端分別連接兩個SPPs金屬波導，在每個SPPs金屬波導上都設有一個探測器。SPPs金屬波導為周期性突起的金屬納米顆粒，或納米缺陷，或一維納米線、二維納米薄膜，或納米點陣，所述的金屬包括在可見光、近紅外光波段呈現負介電常數的金屬，與之匹配的電介質材料包括光學透明性高的有機聚合物材料、玻璃材料、金屬氧化物材料。

采用真空蒸鍍法、或旋轉涂敷法、或真空濺射法制備電介質和金屬納米薄膜，利用機械法、或電化學蝕刻法、或激光全息光刻技術、或等離子刻蝕法、對金屬薄膜進行精細加工，制備具有特定結構的金屬納米缺陷、納米顆粒、納米線、納米薄膜、納米點陣環路，形成SPPs波導、SPPs耦合器、探測器、SPPs金屬波導，制成表面等離子體激元慢光陀螺。

有益效果：本發明與現有的技術相比具有以下的優點：

1、本發明采用SPPs波信號代替普通光信號以實現光學陀螺，實現傳統集成光波導陀螺無法達到的高靈敏度特性。以諧振式光學陀螺為例：其極限靈敏度可由以下公式表示：