CN101477227A - 应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺。属于光学探测领域。硅衬底，在硅衬底上设有缓冲层和二氧化硅层，二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导，掺磷二氧化硅的环形波导上设有三个光耦合器，在掺磷二氧化硅环形波导上面涂覆补偿该环形波导应力的应力补偿层。这种结构的应力自补偿波导谐振腔，通过涂覆的应力补偿层可以很好的抵消二氧化硅层中的掺磷二氧化硅环形波导受环境温度变化产生的应力，从而避免因环境温度变化产生应力，对波导谐振腔的传播光的影响，达到提高使用该波导谐振腔的集成光学陀螺测量精度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测设备领域，尤其涉及一种应力自补偿波导谐振式集成光学陀螺及其制作方法。
背景技术
集成光学陀螺的基本原理是光学萨格纳克(Sagnac)效应，当外界存在旋转角速度时，会引起谐振腔中顺、逆时针方向传输的光的频率差，此频率差与承载谐振腔转动的载体的角速度成正比例关系，通过频率差即可以间接测量载体的角速度。集成光学陀螺与其它类型的陀螺相比相应的优势：如与光纤陀螺相比，体积小、成本低；与MEMS陀螺相比，抗冲击能力强、耐震动、环境不敏感、抗电磁能力强、工作寿命长；与环形激光陀螺相比，无高压电源驱动、无机械抖动、成本低；与微镜式MOEMS陀螺相比，加工工艺简单、光路易调节、抗震动、性能更加稳定。基于上述的各种优势，集成光学陀螺成为目前惯性领域研究的热点之一。
由于波导结构谐振腔自身特性的优势，集成光学陀螺中的关键部件也采用硅基二氧化硅材料的波导谐振腔，硅基二氧化硅材料的优势主要集中在材料损耗比较低，材料加工的一致性比较好，模场匹配度高等方面，但由于硅基二氧化硅材料的温度的敏感性，导致波导谐振腔受环境温度影响较大，易因环境温度变化产生的应力对波导结构谐振腔内的硅基波导通道造成不利影响，降低使用波导结构谐振腔的集成光学陀螺的测量精度。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式的目的是提供一种应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺，解决传统的集成光学陀螺受环境温度影响大，制约其极限精度的问题
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种应力自补偿波导谐振腔，该谐振腔包括：
硅衬底，在硅衬底上设有缓冲层和二氧化硅层，二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导，掺磷二氧化硅环形波导上设有三个光耦合器，在掺磷二氧化硅环形波导上面涂覆补偿该环形波导应力的应力补偿层。
所述涂覆的应力补偿层为涂覆具有负热膨胀系数的材料形成的应力补偿层。
所述负热膨胀系数的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS材料。
所述应力补偿层的面积与掺磷二氧化硅环形波导的面积相同。
所述二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导具体是由若干直波导与若干弯曲波导连接后构成的跑道形波导谐振腔。
所述三个耦合器均为由直波导和弯曲波导组成的腔外耦合器。
本发明实施方式还提供一种基于上述中任一项所述的应力自补偿波导谐振腔的集成光学陀螺，包括：
检测与控制模块和光电混合模块，所述光电混合模块中设有波导谐振腔，所述波导谐振腔采用上述权利要求1-6任一项中所述的应力自补偿波导谐振腔；
其中，所述检测与控制模块，与所述光电混合模块连接，用于检测光电混合模块输出的信号作为反馈信号，并根据反馈信号控制光电混合模块中的光源，并对其输出的光进行调制后，使进入波导谐振腔中顺、逆传播的光均产生谐振；
所述光电混合模块的探测器输出端分别与所述检测与控制模块的信号输入处理端连接，用于将光电混合模块的波导谐振腔输出的信号反馈至检测与控制模块。
所述光电混合模块具体包括：
光源、集成光学调制器、应力自补偿波导谐振腔和两个探测器；
光源的输出端与所述集成光学调制器连接，集成光学调制器的两中输出与所述应力自补偿波导谐振腔输入端连接，所述应力自补偿波导谐振腔的两路输出分别与一个探测器连接。
所述光源为窄谱激光光源。
所述检测与控制模块具体包括：
信号处理电路、两路输入信号处理电路、两路次反馈环路和主反馈环路；
其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模数转换器A/D顺次连接而成；
两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对光源输出光的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟缓冲放大器连接而成；
主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部光源，调节光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式中通过在波导谐振腔内硅衬底上二氧化硅层内的掺磷二氧化硅环形波导上，涂覆补偿温度变化影响造成掺磷二氧化硅环形波导应力的应力补偿层，通过该应力补偿层可以很好的抵消掺磷二氧化硅环形波导受环境温度变化产生的应力，从而避免因环境温度变化产生应力，对波导谐振腔的传播光的影响，达到提高使用该波导谐振腔的集成光学陀螺测量精度的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的应力自补偿波导谐振腔的外观结构示意图；
图2为本发明实施例的应力自补偿波导谐振腔的结构示意图；
图3为本发明实施例的应力自补偿波导谐振腔的截面结构示意图；
图4为本发明实施例的应力自补偿波导谐振腔的生产工艺示意图；
图5为本发明实施例的基于应力自补偿波导谐振腔的集成光学陀螺的电路框图；
图6为本发明实施例的集成光学陀螺中光电混合模块的光路示意图；
图7为本发明实施例的集成光学陀螺中检测与控制电路模块的电路框图。
具体实施方式
本发明实施方式提供一种应力自补偿波导谐振腔及谐振式集成光学陀螺，该应力自补偿波导谐振腔具体包括：硅衬底，在硅衬底上设有缓冲层和二氧化硅层，二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导，掺磷二氧化硅环形波导上设有三个光耦合器，在掺磷二氧化硅环形波导上面涂覆补偿该环形波导应力的应力补偿层。通过增设的应力补偿层可以很好的抵消掺磷二氧化硅环形波导受环境温度变化产生的应力，从而避免因环境温度变化产生应力对波导谐振腔的传播光的影响，达到提高使用该波导谐振腔的集成光学陀螺测量精度的效果。
为便于对本发明实施方式的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种应力自补偿波导谐振腔，可用在集成光学陀螺中，如图1-3所示，该谐振腔具体包括：
硅衬底1，在硅衬底1上形成有缓冲层2和二氧化硅层3，二氧化硅层3中形成有用于光传播的掺磷二氧化硅环形波导4，环形波导4具体是由若干段直波导通过若干段弯曲波导连接构成跑道形波导通道，环形波导上设有三个光耦合器C1、C2和C3，在二氧化硅层3上涂覆补偿掺磷二氧化硅环形波导4应力的应力补偿层5，所述涂覆的应力补偿层5的材料为负热膨胀系数的材料(因为掺磷二氧化硅环形波导具有正热膨胀系数，两者受温度产生的应力可以相互抵消，达到应力补偿的作用)，负热膨胀系数材料可以采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料，也可以是其它具有负热膨胀系数材料，只要可以补偿由掺磷二氧化硅材料制成的环形波导的应力即可，应力补偿层5的面积与掺磷二氧化硅环形波导的面积相同，应力补偿层5的厚度可以根据使用的具体材料来确定，达到有效补偿环形波导的应力即可；图2中的I1、I2为波导通道的输入端，01、02为波导通道的输出端。
参照图4所示，结合制作的过程，对上述应力自补偿波导谐振腔作进一步说明，首先说明的是图中的201为硅基底，202为缓冲层，203为二氧化硅层，204为光刻胶，205为掺磷二氧化硅环形波导，206为掩模板，207为应力补偿层，制作过程具体按下述步骤进行：
步骤21，硅衬底作为基底；
步骤22、23，在硅衬底上生长缓冲层和二氧化硅层；
步骤24，在二氧化硅波导层上涂光刻胶；
步骤25，利用光刻工艺形成环形波导图形；
步骤26，利用腐蚀工艺去除环形波导图形上的光刻胶；
步骤27，根据环形波导图形，采用质子交换工艺将磷离子交换形成掺磷二氧化硅环形波导结构；
步骤28，利用腐蚀工艺去除掺磷二氧化硅环形波导区外的光刻胶；
步骤29，在掺磷二氧化硅环形波导上涂覆聚二甲基硅氧烷PDMS材料形成应力补偿层。
通过上述步骤处理后，即得到双层结构的应力自补偿波导谐振腔。
本发明实施例中的波导谐振腔，由于增设应力补偿层，通过该应力补偿层可以很好的抵消掺磷二氧化硅环形波导受环境温度变化产生的应力，从而避免因环境温度变化产生应力对波导谐振腔的传播光的影响，达到提高使用该波导谐振腔的集成光学陀螺测量精度的效果。
实施例二
本实施例提供一种集成光学陀螺，是基于上述实施例一中的应力自补偿波导谐振腔的集成光学陀螺，如图5所示，该集成光学陀螺具体包括：
检测与控制模块和光电混合模块，光电混合模块中集成有波导谐振腔，波导谐振腔采用实施例一中所述的应力自补偿波导谐振腔；
在该集成光学陀螺中，检测与控制模块与光电混合模块连接，用于检测光电混合模块输出的信号作为反馈信号，并根据反馈信号控制光电混合模块中的光源，并对光源输出的光进行调制后，进入波导谐振腔进行传播产生萨格纳克Sagnac效应；具体是从光电混合模块输出的信号中提取出能反映载体旋转角速率的物理量，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光频率变化的PZT电压和集成光学调制器的调制电压，实现对光路的反馈，最终达到使在谐振腔中顺逆时针传播的光路都谐振的目的；
所述光电混合模块的探测器输出端分别与所述检测与控制模块的信号输入处理端连接，用于将光电混合模块的波导谐振腔输出的信号反馈至检测与控制模块。
上述集成光学陀螺中，光电混合模块的具体结构如图6所示，包括：光源、集成光学调制器、应力自补偿波导谐振腔和两个探测器；
其中，光源的输出端与所述集成光学调制器连接，集成光学调制器的两中输出与所述应力自补偿波导谐振腔输入端连接，所述应力自补偿波导谐振腔的两路输出分别与一个探测器连接。
实际中，光电混合模块的各部件集成为一体结构，是一种集成式的芯片，它的光源可以采用窄谱激光LD光源，集成光学调制器可以采用铌酸锂(LiNiO3)材料的Y型波导，可以实现50％:50％的精确分光和推挽式电压调制。应力自补偿波导谐振腔采用低损耗(0.01dB/cm)的硅基二氧化硅材料制作，其内部的波导结构采用对称性设计，主要由两层结构组成：一层为硅基二氧化波导层，即为导光层，硅波导层上的第二层为聚二甲基硅氧烷PDMS涂敷层，即应力补偿层，在硅波导层的波导通道上的三个耦合器C1、C2、C3中，C1、C2为腔外耦合器其分光比可以设计为50％:50％分光，C3的光比设计为85％:15％分光；该应力自补偿波导谐振腔的光路如图6所示，光源发出的光经集成光学调制器分成两束光后，进入应力自补偿波导谐振腔传播，传播过程中在顺、逆时针两个方向均产生谐振，当外界存在旋转角速度时，会引起波导谐振腔中顺、逆时针方向传输的光的频率差，此频率差与外界角速度成正比例关系，间接的测量载体的角速度。而应力自补偿式集成光学陀螺采用增设应力补偿层的方式形成双层结构可以抵消外界环境温度的影响。
上述集成光学陀螺中的检测与控制模块如图7所示，具体包括：信号处理电路、两路输入信号处理电路、两路次反馈环路和主反馈环路；
其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模数转换器A/D顺次连接而成；
两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对光源输出光的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟缓冲放大器连接而成；
主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部光源，调节光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
本发明实施例的应力自补偿波导谐振腔作为集成光学陀螺的核心敏感元件，结合图2可知，当逆时针传输的光经由图2中的波导谐振腔的输入端I1输入端进入谐振腔中进行传播，一小部分光从硅基二氧化硅谐振腔中耦合射出，大部分光继续在硅基二氧化硅谐振腔中传播。顺时针传输的光经由I2输入端进入谐振腔中进行传播，一小部分光从硅基二氧化硅谐振腔中耦合射出，大部分光继续在硅基二氧化硅谐振腔中传播。其中硅基二氧化硅波导耦合器C3的分光比为95％:5％，以达到最佳的谐振深度和谐振清晰度，其余两个耦合器C1，C2的分光比为50％:50％。
检测与控制模块对光电混合模块的光信号进行调制，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光频率变化的PZT电压和集成光学调制器的调制电压，实现对光路的反馈，使得能够从光电混合模块的探测器输出的信号中提取出能反映载体旋转角速率的物理量，最终实现陀螺角速度检测的目的。
综上所述，本发明实施例中通过在谐振腔的波导层上涂敷应力补偿层形成双层结构，由于两层结构具有正负相反的热膨胀系数，可以进行应力自补偿，可以实现对外界温度变化引起结构形变进行自补偿，有效的减小了外界温度的影响，具有结构简单、加工方便，可行性强的特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1、一种应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，该谐振腔包括：
硅衬底，在硅衬底上设有缓冲层和二氧化硅层，二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导，掺磷二氧化硅环形波导上设有三个光耦合器，在掺磷二氧化硅环形波导上面涂覆补偿该环形波导应力的应力补偿层。
2、根据权利要求1所述的应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，所述涂覆的应力补偿层为涂覆具有负热膨胀系数的材料形成的应力补偿层。
3、根据权利要求2所述的应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，所述负热膨胀系数的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS材料。
4、根据权利要求1或2所述的应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，所述应力补偿层的面积与掺磷二氧化硅环形波导的面积相同。
5、根据权利要求1所述的应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，所述二氧化硅层中设有掺磷二氧化硅环形波导具体是由若干直波导与若干弯曲波导连接后构成的跑道形波导谐振腔。
6、根据权利要求1所述的应力自补偿波导谐振腔，其特征在于，所述三
个耦合器均为由直波导和弯曲波导组成的腔外耦合器。
7、一种基于上述权利要求1-6中任一项所述的应力自补偿波导谐振腔的集成光学陀螺，其特征在于，包括：
检测与控制模块和光电混合模块，所述光电混合模块中设有波导谐振腔，所述波导谐振腔采用上述权利要求1-6任一项中所述的应力自补偿波导谐振腔；
其中，所述检测与控制模块，与所述光电混合模块连接，用于检测光电混合模块输出的信号作为反馈信号，并根据反馈信号控制光电混合模块中的光源，并对其输出的光进行调制后，使进入波导谐振腔中顺、逆传播的光均产生谐振；
所述光电混合模块的探测器输出端分别与所述检测与控制模块的信号输入处理端连接，用于将光电混合模块的波导谐振腔输出的信号反馈至检测与控制模块。
8、根据权利要求7所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述光电混合模块具体包括：
光源、集成光学调制器、应力自补偿波导谐振腔和两个探测器；
光源的输出端与所述集成光学调制器连接，集成光学调制器的两中输出与所述应力自补偿波导谐振腔输入端连接，所述应力自补偿波导谐振腔的两路输出分别与一个探测器连接。
9、根据权利要求8所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述光源为窄谱激光光源。
10、根据权利要求7所述的集成光学陀螺，其特征在于，所述检测与控制模块具体包括：
信号处理电路、两路输入信号处理电路、两路次反馈环路和主反馈环路；
其中，两路输入信号处理电路分别与信号处理电路连接，用于分别与外部的两个探测器连接，引入两个探测器将两个光学波导谐振腔输出的光信号转化后的电信号；任一路输入信号处理电路均由前置放大电路、滤波器和模数转换器A/D顺次连接而成；
两路次反馈环路分别与信号处理电路的两路控制输出端连接，用于分别连接外部的两个相位调制器，控制两个相位调制器对光源输出光的相位进行模拟调制；任一路次反馈环路均由数模转换器D/A、模拟缓冲放大器连接而成；
主反馈环路与信号处理电路的光源控制输出端连接，用于连接外部光源，调节光源出射光产生移频；主反馈环路由数模转换器D/A、电压变换电路和PZT频率调节电路顺次连接而成。
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