专利名称：用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺及其制备方法
技术领域：
本发明提出一种波导结构的光学陀螺实现方案，特别涉及用有机聚合物材料实现光波导结构的光学陀螺。
背景技术：
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。与第二代的“光纤陀螺”相比，它的优势在于，第一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。其二1980年以来，全球卫星定位系统(以下简称GPS)得到了广泛应用，GPS与惯性导航系统的组合，改变了光学陀螺的发展方向。光学陀螺最初的发展方向只是将高精度作为一个主要的目标，但由于GPS技术的日趋完善，使得对光学陀螺的研究重点由高精度转为微型化。而集成光学陀螺与普通光纤陀螺相比，其最大优势就是微型化。其三集成光学型陀螺可在平面工艺线上批量生产，必将能大幅度降低成本和售价。同时它还具备重量轻、性能稳定、机动性好等优点。显然，光学陀螺的集成化符合现代光电子学工艺的发展趋势，是光学陀螺的发展方向。
目前国际上基于光学陀螺方面的研究工作，除了全光纤型陀螺之外，也有部分使用集成光学器件的陀螺。它除了光源、探测器和光纤环之外，将光信息处理所需的分束器、偏振器、偏置器、相位和频率调制器等光学元器件全部或部分集成在单一铌酸锂晶体芯片上，以构成集成光路组件。现在已有3个、5个、8个、13个光学元器件集成的集成光路组件应用于光纤陀螺。从某种意义上说，它不是全集成光学陀螺，它最核心的部分-光纤环仍然由传统光纤制成。对于使用环境恶劣和需要一定批量的实际应用来说，光学陀螺就应当是小型、坚固、可靠的。因此传统的光纤环结构并不能很好的满足集成光学的发展要求，从发展的角度讲，要求设计全集成光学型陀螺，也就是要求用波导结构来取代光纤环的功能。
发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺及其制备方法，解决现有技术存在的只能采用由传统光纤绕制的光纤环来制作光学陀螺，从而造成器件体积大，不适宜平面工艺线批量生产的问题，即用有机聚合物材料的光波导来替代传统的光纤环制作波导结构的光学陀螺。
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，有机聚合物光波导结构的光学陀螺，也可以通过光波导的制备工艺，实现螺旋状光波导环，从而实现干涉型波导结构光学陀螺；或者制备出单一光波导环，从而实现谐振型光学陀螺。即采用有机聚合物光波导结构构成的光学陀螺来替代传统的光纤材料的陀螺。
本发明的用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺，采用有机聚合物材料代替传统的光导纤维制成波导结构光学陀螺，波导结构光学陀螺包括干涉型和谐振型光波导结构光学陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个多层或单层多圈的螺旋状光波导环构成，谐振型光波导结构光学陀螺为一个单一光波导环构成。所述的有机聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、过氟环丁烷(PFCB)、氘化-氟化甲基丙烯酸脂(D-PFMA)、氘化聚硅氧烷(D-polysiloxane)、丙稀盐酸(Acrylate)、聚硅树脂(Silicone Resin)、交叉链硅树脂(Cross-linked-silicone)、环氧树脂(Expoxy)、聚苯基喹噁啉(PPQ)、全氟聚醚(PFAE)中的一种，或以上两种、两种以上材料的混合物。
本发明的制备方法是采用有机聚合物光波导制备工艺实现，其制作工艺步骤为a、采用旋转涂覆的方法把有机聚合物材料溶液旋涂在衬底上，从而制备单层或多层有机聚合物薄膜；b、按照预先设计所需要的环形波导形状，用金属材料制作掩模板；c、用激光光刻方法或紫外漂白方法制备环状波导，即以掩模板作为掩模，激光或紫外光经过透光区域作用于机聚合物薄膜表面，从而改变曝光区的膜厚，使未被照射的薄膜形成波导芯层，从而形成波导。
有益效果本发明与现有的技术相比具有以下的优点本发明采用有机聚合物材料的光波导环结构代替光纤环实现光学陀螺，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。在有机聚合物波导结构中入射光可以直接从激光器耦合进波导中，从而降低耦合损耗，提高性能，同时能够增加传感器的简洁性和可靠性。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。
有机聚合物材料是目前在国际上得到广泛关注的一类新型光电功能材料。由聚合物材料制成的光波导及器件在光电子学领域有着重要的应用潜力和前景。和传统无机材料相比，聚合物种类很多，目前用于制作光波导的聚合物材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、过氟环丁烷(PFCB)、氘化-氟化甲基丙烯酸脂(D-PFMA)、氘化聚硅氧烷(D-polysiloxane)、丙稀盐酸(Acrylate)、聚硅树脂(Silicone Resin)、交叉链硅树脂(Cross-linked-silicone)、环氧树脂(Expoxy)、聚苯基喹噁啉(PPQ)、全氟聚醚(PFAE)等等，因此选择范围很大，相应的折射率的选择范围也很大。聚合物材料不仅可以在任何材料的衬底上大面积旋涂成型，不需要高温处理，制备工艺简单。而且聚合物材料成本低，对于大批量生产尤其具有不可比拟的优势。同时由于传统的光纤材料本身对环境温度的敏感性一直影响着光纤陀螺的温度漂移特性，从而影响测量精度，而聚合物材料光波导的热稳定性则是其非常重要的特性。而且采用不同的衬底与聚合物的芯层和包层材料还可以得到较大的双折射系数，从而方便的制作保偏光波导，提高器件的偏振特性。这些都是SiO2/Si基材料光波导，以及光纤材料所不具备的优点，因此采用聚合物材料制作光学陀螺不但可以降低成本，减小光学陀螺尺寸，而且还可以大大的提高光学陀螺的精度。
图1是采用有机聚合物材料的螺旋状波导结构的干涉型光学陀螺示意图。
图2是采用有机聚合物材料的单一环波导结构的谐振型光学陀螺示意图。
具体实施例方式
以下是采用有机聚合物材料波导结构实现光学陀螺的具体实施方式
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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。
本发明用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺，采用有机聚合物材料代替传统的光导纤维制成波导结构光学陀螺，波导结构光学陀螺包括干涉型和谐振型光波导结构光学陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个多层或单层多圈的螺旋状光波导环构成，谐振型光波导结构光学陀螺为一个单一光波导环构成。所述的有机聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、过氟环丁烷、氘化-氟化甲基丙烯酸脂、氘化聚硅氧烷、丙稀盐酸、聚硅树脂、交叉链硅树脂、环氧树脂、聚苯基喹噁啉、全氟聚醚中的一种，或以上两种、两种以上材料的混合物。
本发明可以采用有机聚合物光波导制备工艺实现，其制作工艺步骤为a、利用甩胶机，采用旋转涂覆的方法把有机聚合物材料溶液旋涂在衬底上，从而制备单层或多层有机聚合物薄膜，膜厚主要通过调整甩胶机转速和改变溶液浓度来控制；b、按照预先设计所需要的环形波导形状，利用金属材料制作掩模板；c、利用激光光刻方法或紫外漂白方法制备环状波导，以掩模板作为掩模，激光或紫外光经过透光区域作用于机聚合物薄膜表面，从而改变曝光区的膜厚或折射率，使未被照射的薄膜形成波导芯层，从而形成波导结构陀螺。
上述方案的理论分析与计算，可采用光束传输法(BPM)进行模拟来进行光耦合、传输模式与损耗分析，系统的结构设计及优化等。
权利要求
1.一种用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺，其特征在于采用有机聚合物材料代替传统的光导纤维制成波导结构光学陀螺，波导结构光学陀螺包括干涉型和谐振型光波导结构光学陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个多层或单层多圈的螺旋状光波导环构成，谐振型光波导结构光学陀螺为一个单一光波导环构成。
2.据权利要求1所述的用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺，其特征在于所述的有机聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、过氟环丁烷、氘化-氟化甲基丙烯酸脂、氘化聚硅氧烷、丙稀盐酸、聚硅树脂、交叉链硅树脂、环氧树脂、聚苯基喹噁啉、全氟聚醚中的一种，或以上两种、两种以上材料的混合物。
3.一种用于权利要求1所述的用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺的制备方法，其特征在于采用有机聚合物光波导制备工艺实现，其制作工艺步骤为a、采用旋转涂覆的方法把有机聚合物材料溶液旋涂在衬底上，从而制备单层或多层有机聚合物薄膜；b、按照预先设计所需要的环形波导形状，用金属材料制作掩模板；c、用激光光刻方法或紫外漂白方法制备环状波导，即以掩模板作为掩模，激光或紫外光经过透光区域作用于机聚合物薄膜表面，从而改变曝光区的膜厚或折射率，使未被照射的薄膜形成波导芯层，从而形成波导结构陀螺。
全文摘要
用有机聚合物材料实现的波导结构光学陀螺及其制备方法，采用有机聚合物材料代替传统的光导纤维制成波导结构光学陀螺，波导结构光学陀螺包括干涉型和谐振型光波导结构光学陀螺；干涉型光波导结构光学陀螺为一个多层或单层多圈的螺旋状光波导环构成，谐振型光波导结构光学陀螺为一个单一光波导环构成。其制作工艺步骤为a.采用旋转涂覆的方法把有机聚合物材料溶液旋涂在衬底上，从而制备单层或多层有机聚合物薄膜；b.按照预先设计所需要的环形波导形状，用金属材料制作掩模板；c.用激光光刻方法或紫外漂白方法制备环状波导，从而构成波导结构陀螺。
文档编号G01C19/64GK1595064SQ20041004102
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月18日 优先权日2004年6月18日
发明者张彤, 崔一平, 庞叔鸣, 凌云 申请人:东南大学