用光子晶体制备的光学陀螺及其制备方法

1.一种用光子晶体制备的光学陀螺，其特征在于采用在基底(1)的光子 晶体(2)上的缺陷(3)制成损耗很低的光波导，从而实现了光子晶体光学陀 螺，该光子晶体光学陀螺包括干涉型和谐振型光子晶体光波导陀螺；干涉型光 波导结构光学陀螺为一个开环光波导(41)构成，谐振型光波导结构光学陀螺 为一个闭环光波导(42)和光子晶体(2)上的缺陷(3)制成的条型波导(421) 构成，其中条型波导(421)有一条或两条，位于闭环光波导(42)的侧面。
2.据权利要求1所述的用光子晶体实现的光学陀螺，其特征在于所述的 光子晶体(2)包括一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体。
3.一种用于权利要求1所述的用光子晶体制备的光学陀螺的制备方法， 其特征在于利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、或层叠法、 或胶体溶液自组织生长法、或薄膜制备技术，制备介电系数发生空间周期变化 的结构，然后在上述周期结构中制备缺陷，或直接采用在光子晶体中引入缺陷 来制备光子晶体，制成用光子晶体制备的光学陀螺。
4.根据权利要求3所述的用光子晶体制备的光学陀螺的制备方法，其特 征在于采用在光子晶体中引入缺陷来制备光子晶体的制作工艺为：
a、对于干涉式光子晶体陀螺，通过制造开环的缺陷，以形成光子晶体(2) 的开环光波导(41)结构，从而形成光学陀螺中的开环光通路，制成用光子晶 体制备的光学陀螺；
b、对于谐振式光子晶体陀螺，通过制造闭环的缺陷，以形成光子晶体(2) 的闭环光波导(42)谐振腔结构，从而形成光学陀螺中的闭环光回路，制成用 光子晶体制备的光学陀螺。

技术领域\n本发明提出一种波导结构的光学陀螺实现方案，特别涉及用光子晶体实现 波导结构的光学陀螺。\n背景技术\n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20多年 时间里，经历了第一代“激光陀螺”和第二代“光纤陀螺”的发展过程。与激 光陀螺相比，光纤陀螺以其精度高，寿命长，启动快，信号稳定，结构简单等 诸多优势很快的在汽车导航、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。集成光学对于光电子器件的高 度集成，必将引起光电子器件的一场新的革命。\n光子晶体是具有光子带隙的周期性电介质结构，它能够控制和操纵电磁波 的传播，形成电磁波的导带和禁带。频率处在光子带隙中的电磁波将不能传播。 1994年由R.D.Meade等人首先提出光子晶体波导的概念，即如果在光子带隙内 引入缺陷，则频率在光子带隙内的光将被限制在这一缺陷内传播，从而可以将 存在缺陷的光子晶体设计为光波导。光子晶体中由缺陷所形成的波导，其弯曲 的角度可达120度以上，也不至于有太多的光损失，具有体积小、可偏折角度 大、损耗小的特点。\n发明内容\n技术问题：本发明的目的是提出一种用光子晶体制备的光学陀螺及其制备 方法，用光子晶体波导来替代传统光波导结构的光学陀螺，解决现有技术存在 的器件体积大，不易集成，光传输损耗大等缺点。\n技术方案：本发明的技术方案是这样实现的，从结构上而言，传统的光纤 陀螺可分为干涉型和谐振型光纤陀螺。其关键的部件分别由螺旋状光纤环绕制 或者由单一的光纤环构成。同样的，光子晶体光学陀螺，也可以通过光子晶体 波导，实现干涉型或谐振型光学陀螺。\n本发明的用光子晶体制备的光学陀螺，采用在基底的光子晶体上的缺陷制 成损耗很低的光波导，从而实现了光子晶体光学陀螺，该光子晶体光学陀螺包 括干涉型和谐振型光子晶体光波导陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个开 环光波导构成，谐振型光波导结构光学陀螺为一个闭环光波导和光子晶体上的 缺陷制成的条型波导构成，其中条型波导有一条或两条，位于闭环光波导的侧 面。所述的光子晶体包括一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体。\n本发明的用光子晶体制备的光学陀螺的制备方法，采用在光子晶体中引入 缺陷来制备光子晶体波导，即利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻 技术、或层叠法、或胶体溶液自组织生长法、或薄膜制备技术，制备介电系数 发生空间周期变化的结构，然后在上述周期中制备缺陷，或直接制备带有缺陷 的光子晶体制成用光子晶体制备的光学陀螺。\n制备光子晶体波导的制作工艺为：\na、对于干涉式光子晶体陀螺，通过制造开环的缺陷，以形成光子晶体的 开环光波导结构，从而形成光学陀螺中的开环光通路，制成用光子晶体制备的 光学陀螺；\nb、对于谐振式光子晶体陀螺，通过制造闭环的缺陷，以形成光子晶体的 闭环光波导谐振腔结构，从而形成光学陀螺中的闭环光回路，制成用光子晶体 制备的光学陀螺。\n有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：\n本发明采用光子晶体波导代替普通光波导以实现光学陀螺，解决了由于采 用光纤绕制的光纤环，使得整个光学陀螺不能完全集成化的问题，同时解决了 由于传统光波导传输损耗大，尤其是在拐角处弯曲、散射损耗大的问题。这种 波导结构，还可能实现包括光源、探测器、光波导型陀螺以及分束器、相位和 频率调制器等所有光学元器件全部集成，从而构成一个全新意义的集成光学陀 螺。因此，它可以减小陀螺尺寸和提高陀螺精度。\n附图说明\n图1是采用二维光子晶体波导结构的干涉型光学陀螺示意图。\n图2是采用二维光子晶体波导结构的谐振型光学陀螺示意图。\n以上的图中有基底1、光子晶体2、缺陷3、开环光波导41、闭环光波导 42、条型波导421、波导耦合器422。\n具体实施方式\n以下是采用光子晶体波导结构实现光学陀螺的具体实施方式。\n干涉型与谐振型光学陀螺的工作原理都基于Sagnac效应，使得光束在环 型波导中沿相反方向在螺旋型或是单一环结构的光波导中传播。\n用光子晶体制备的光学陀螺采用在基底1的光子晶体2上的缺陷3制成损 耗很低的光波导，从而实现了光子晶体光学陀螺，包括干涉型和谐振型光子晶 体光波导陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个开环光波导41构成，谐振 型光波导结构光学陀螺为一个闭环光波导42和光子晶体2上的缺陷3制成的 条型波导421构成，其中条型波导421有一条或两条，位于闭环光波导42的 侧面。所述的光子晶体2包括一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体。\n用光子晶体制备的光学陀螺的制备方法是采用在光子晶体中引入缺陷来 制备光子晶体波导，即利用机械法、或电化学蚀刻法、或激光全息光刻技术、 或层叠法、或胶体溶液自组织生长法、或薄膜制备技术，制备介电系数发生空 间周期变化的结构，然后在上述周期中制备缺陷，或直接制备带有缺陷的光子 晶体制成用光子晶体制备的光学陀螺。例如，利用电化学刻蚀方法在n型Si 基材料上形成圆柱空气孔制备二维光子晶体.再如，利用微机械加工技术在 Al2O3中钻出球形孔制作三维光子晶体。\n制作工艺为：\na、对于干涉式光子晶体陀螺，通过制造开环的缺陷，以形成光子晶体2 的开环光波导41波导结构，从而形成光学陀螺中的开环光通路，制成用光子 晶体制备的光学陀螺；\nb、对于谐振式光子晶体陀螺，通过制造闭环的缺陷，以形成光子晶体2 的闭环光波导42波导谐振腔结构，从而形成光学陀螺中的闭环光回路，制成 用光子晶体制备的光学陀螺。\n例如利用介质圆柱棒排列成阵列或应用机械钻孔的方法在均匀介质中形 成周期排列的圆形或柱形空气孔洞。这样就形成了二维光子晶体。对于机械钻 孔方法形成的光子晶体，可以按需要使用原基底材料填补特定的孔洞以形成缺 陷，或在制备孔洞时故意留下特定区域(即是波导区域)不实施钻孔，一次性 形成具有缺陷的光子晶体。设计成具有开环或闭环形状的缺陷，即可形成光子 晶体波导，从而制备成光子晶体波导陀螺。