本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為基于CPT效應(yīng)的垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)。

背景技術(shù)：

MEMS技術(shù)的進(jìn)步，帶動了微制造行業(yè)的發(fā)展，基于CPT效應(yīng)的芯片磁強(qiáng)計(jì)由于不需要千兆赫茲量級的本地振蕩器，相比于傳統(tǒng)原子磁強(qiáng)計(jì)，在體積上縮小了數(shù)個數(shù)量級，功耗以及性能在很大程度上也得到了改善，并擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。比如，航空勘測、空間應(yīng)用，便宜的磁強(qiáng)計(jì)陣列可以用于井下勘測、遙感以及生物磁應(yīng)用。從國外的研究成果可以看出，目前芯片磁強(qiáng)計(jì)的研制性能參數(shù)基本滿足部分應(yīng)用需求，已研制出商用芯片磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)品，并取得了較大進(jìn)展，但基于新方案的設(shè)計(jì)理念，有望使得其精度進(jìn)一步提高。

在芯片磁強(qiáng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中，因?yàn)楦鞣N噪聲的影響，導(dǎo)致信號幅度很小，很難達(dá)到光子散彈噪聲極限。其中限制靈敏度的主要因素是VCSEL激光器的幅度噪聲和頻率噪聲。激光頻率噪聲通過原子共振信號轉(zhuǎn)換為幅度噪聲。雖然通過將VCSEL激光器鎖定到原子的躍遷線上，可以大大減小光頻率噪聲起伏的影響，但光頻率起伏噪聲依然很大。其次在某些VCSEL中，不同偏振模式之間的模式競爭噪聲，在探測器上會引起較大的幅度噪聲。所有這些噪聲都降低了芯片級磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度。

頻率漂移和CPT線性的不對稱也會導(dǎo)致靈敏度的下降，引起頻移的因素有：磁場、緩沖氣體、溫度、光頻移、加速度或者射頻功率的漂移。因此需要嚴(yán)格控制這些參數(shù)，或者找到一種探測機(jī)制來減小芯片磁強(qiáng)計(jì)對這些參數(shù)的頻率敏感度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

芯片級磁強(qiáng)計(jì)是基于CPT（相干布居囚禁效應(yīng)）效應(yīng)工作的，通過測量工作原子基態(tài)F=1和F=2之間的磁靈敏塞曼次能級的超精細(xì)分裂，然后減去標(biāo)稱超精細(xì)能級得到拉莫爾頻率，并最終得到磁場強(qiáng)度。單光路CPT磁強(qiáng)計(jì)在工作時，由于共模噪聲的存在，很大程度上限制了頻率穩(wěn)定度的提高。

為了進(jìn)一步提高芯片級磁強(qiáng)計(jì)磁場靈敏度，增強(qiáng)光間互聯(lián)，有效控制光在空間傳輸，本發(fā)明目的是提出垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)方案。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)，包括激光器，所述激光器出射的光束通過垂直耦合光柵耦合進(jìn)入Y波導(dǎo)分束器，其中一束光經(jīng)過相位調(diào)制單元后輸出，另外一束光經(jīng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償后輸出，兩路光束再分別經(jīng)過垂直耦合光柵和垂直耦合光柵輸出，分別依次經(jīng)過偏振片、衰減片、波片、準(zhǔn)直、聚焦之后進(jìn)入氣室，出射后，兩束光經(jīng)過探測單元轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過減法器輸入集成電路芯片，所述集成電路芯片對激光器和相位調(diào)制單元進(jìn)行調(diào)控。

本發(fā)明提出的垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)方案，原理如圖1所示，納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)由VCSEL光源、納米垂直耦合光柵、Y型納米光波導(dǎo)、調(diào)制、偏振控制、MEMS氣室、光電探測、多功能集成電路芯片組成。

利用納米Y型光波導(dǎo)，獲得性能完全相同的兩束光，可通過抑制共模噪聲有效提高磁強(qiáng)計(jì)靈敏度是其核心所在，并對納米光波導(dǎo)功能單元采用微加工工藝，以保證兩路光的最大相同。光學(xué)部分創(chuàng)新地采用了雙光路方案，一束激光用來探測原子的CPT信號，另外一束作為參考光，探測信號相減獲得原子的躍遷信號。相比于單光路的芯片級磁強(qiáng)計(jì)方案，該方案通過雙光路共模抑制可以大大減小光功率起伏和頻率起伏噪聲的影響，有效提高CPT磁強(qiáng)計(jì)的信噪比，從而可以大大提高芯片級磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度；對于由磁場、緩沖氣體、溫度、光頻移等引起的頻移，也有一定的抑制作用，從而提高芯片級磁強(qiáng)計(jì)的中長期穩(wěn)定度。圖1中示意出了電路部分，減法器將消除了共模噪聲的鐘信號輸入集成電路芯片，集成電路芯片完成對激光器和相位調(diào)制單元進(jìn)行調(diào)控。

雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)共模噪聲抑制機(jī)理及雙光路對等效磁場強(qiáng)度影響機(jī)理如下：

針對研究內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題，理論上，以原子的三能級系統(tǒng)為模型，考慮原子系統(tǒng)的實(shí)際光學(xué)長度，采用旋轉(zhuǎn)波近似，應(yīng)用Liouville-Bloch方程，得出描述系統(tǒng)演化的密度矩陣方程組。數(shù)值解更能清晰地反映物理規(guī)律，且有利于對實(shí)際問題進(jìn)行具體分析，因此對上述過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。同時精細(xì)研究雙光路與銣原子的相互作用，具體分析兩路激光各參量對輸出信號的影響，進(jìn)而定量獲得激光各參量與CPT信號信噪比的關(guān)系，對雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)的共模噪聲抑制特性進(jìn)行理論驗(yàn)證，用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。

如圖2所示，激光器出射的光束耦合進(jìn)入Y波導(dǎo)分束器，其中一路經(jīng)過相位調(diào)制單元產(chǎn)生相位差恒定的相干光，另外一束經(jīng)由歐姆電極調(diào)節(jié)補(bǔ)償以此與調(diào)制光路一致，兩路光束然后經(jīng)過垂直耦合光柵輸出，經(jīng)過偏振片、衰減片、波片，經(jīng)過準(zhǔn)直和聚焦之后進(jìn)入銣原子氣室，經(jīng)過調(diào)制的光束會與原子相互作用產(chǎn)生CPT效應(yīng)，未經(jīng)調(diào)制的光則攜帶背景噪聲信號，兩束光經(jīng)過探測單元轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過減法器可以消除背景噪聲，達(dá)到提高頻率穩(wěn)定度的目的。

根據(jù)CPT磁強(qiáng)計(jì)的物理機(jī)制，如圖3所示，芯片級磁強(qiáng)計(jì)物理部分主要包括VCSEL激光器、納米Y波導(dǎo)分束器、光學(xué)鏡片組合、MEMS微氣室、探測單元、RF線圈。自Y波導(dǎo)耦合輸出的光束，通過偏振片、衰減片以及λ/4波片之后進(jìn)入微氣室。兩束光經(jīng)過氣室同時到達(dá)兩象位探測芯片，信號相減即為消除了共模噪聲信號。

附圖說明

圖1表示納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)方案原理圖。

圖2雙光路納米光波導(dǎo)功能單元集成示意圖。

圖3表示磁強(qiáng)計(jì)中物理部分分解示意圖。

圖中，1-激光器，2-Y波導(dǎo)分束器，31-偏振片，32-衰減片，33-λ/4波片，4-ITO加熱片，5-RF線圈，6-MEMS微氣室，7-探測單元，8-調(diào)制電極，9-歐姆電極，10-納米垂直耦合光柵，11-納米垂直耦合光柵，12-納米垂直耦合光柵。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)，如圖1、3所示，包括VCSEL激光器1，所述VCSEL激光器1出射的光束通過垂直耦合光柵 10耦合進(jìn)入Y波導(dǎo)分束器2，納米垂直耦合光柵1實(shí)現(xiàn)對VCSEL激光器準(zhǔn)直隔離激光光源的耦合輸入（耦合效率優(yōu)于80％），通過耦合對準(zhǔn)技術(shù)與納米Y型波導(dǎo)進(jìn)行精準(zhǔn)對接；其中一束光經(jīng)過相位調(diào)制單元后輸出，另外一束光經(jīng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償后輸出，例如可以對一路導(dǎo)波光束通過調(diào)制電極8進(jìn)行3.4GHz調(diào)制從而產(chǎn)生頻率差為6.8GHz的邊帶，另一路導(dǎo)波光束通過歐姆電極9進(jìn)行微調(diào)以補(bǔ)償與調(diào)制光路的一致性差異；兩路光束再分別經(jīng)過垂直耦合光柵 11和垂直耦合光柵 12輸出，分別依次經(jīng)過偏振片31、衰減片32、λ/4波片33，通過準(zhǔn)直、聚焦之后進(jìn)入氣室，所述氣室為銣原子氣室（MEMS微氣室），所述銣原子氣室的上下分別設(shè)置有RF線圈5和ITO加熱片4。光束出射后，兩束光經(jīng)過探測單元7轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過減法器輸入集成電路芯片，所述集成電路芯片對激光器和相位調(diào)制單元進(jìn)行調(diào)控。

其中，如圖2所示，垂直耦合光柵和垂直耦合光柵均為漸變光柵，漸變光柵將經(jīng)過調(diào)制電極8攜帶有邊帶調(diào)制信號的光通過納米垂直耦合光柵 11輸入到MEMS微氣室，漸變光柵將經(jīng)過歐姆電極9補(bǔ)償后的光通過納米垂直耦合光柵 12輸入到MEMS微氣室，兩束光經(jīng)過氣室同時到達(dá)兩象位探測芯片，信號相減即為消除了共模噪聲信號。

具體實(shí)施時，采用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)、微透鏡、微氣室的集成。采用特種真空膠將上述各個部件集成為一體。與傳統(tǒng)的單光路芯片級磁強(qiáng)計(jì)相比，納米光波導(dǎo)雙光路芯片磁強(qiáng)計(jì)在物理系統(tǒng)部分采用了納米Y波導(dǎo)對激光器出射的光進(jìn)行了分光，在對物理部分封裝的過程中需要將它與各個光路部分進(jìn)行緊密連接，達(dá)到減小體積、功耗的目的。

最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋權(quán)利要求保護(hù)范圍中。