CN101482575A - 一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计 - Google Patents

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Abstract

一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，由输入波导、不对称结构的马赫-曾德尔干涉器、微机械振动悬臂梁、弯曲波导、输出波导构成，其特征在于所有光波导结构和悬臂梁结构均利用集成光学微细加工技术，采用温度不敏感的有机聚合物光波导结构和有机聚合物衬底制备，可实现器件的单片集成，其检测灵敏度、动态范围等关键技术指标可实现大范围的调整。通过检测光学回路的谐振频率光强变化，测量加速度引起的光信号相位差，实现高灵敏度的加速度检测，并且具有不受环境温度扰动、不受波导双折射影响的优点。器件体积小、质量轻、稳定性高，制备工艺简单，并可实现批量生产，显著降低器件成本。

Description

一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计
技术领域
本发明属于集成光学和传感技术领域，特别涉及一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，更确切的说是一种单片集成的高灵敏度的加速度计。
背景技术
加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测试元件。无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计敏感这一特性来测试载体的运动加速度。目前，加速度计以已广泛应用于航空、航海、宇航、地震检测、精确制导和控制。加速度计的种类众多，包括摆式加速度计、挠性加速度计、电磁加速度计、微机电(MEMS)加速度计、光学加速度计等。
光学加速度计具有抗电磁干扰，高灵敏度和高信噪比，稳定性高等众多优点，是近年来加速度计研究领域的主要研究方向之一。光学加速度计的检测原理如下：由于敏感元件(质量块)中的光信号受到被测加速度的调制，经光学回路的透射、反射或干涉后，光探测器接收到的光信号所对应的光学性质如光强、相位或谐振频率发生变化，再送入光电探测器，通过相应的解调技术以获得被测物理量。目前研究较多的光学加速度计主要包括相位调制型和频率(波长)调制型。相位调制型光学加速度计是传感光学元件，如光纤等受惯性力的作用导致传输光相位变化，通过相位变化量检测加速度值。这类加速度计一般采用迈克尔逊、马赫—曾德尔或法罗布—珀罗腔等光学结构，通过检测信号光和参考光干涉后的光强变化检测加速度。其主要的缺点是当两束光信号之间的相位差较小时，光强变化不明显，因此其检测灵敏度不高。频率调制型光学加速度计是在相位调制型的基础上发展而来的，采用具有周期性频率选择功能的特殊器件结构，如光栅、光纤光栅、谐振环等，利用谐振频率和惯性力之间的关系检测加速度，当被测敏感元件由于加速运动而产生惯性力或位移时，引起光路系统谐振频率的位移变化，通过检测谐振频率的水平位移量得到加速度值。由于信号光相位差的微小变化经多光束干涉增强进一步被放大，因此其检测灵敏度更高。但由于环境温度扰动和波导双折射等因素的影响导致的谐振谱线水平位移和不对称分布，会导致器件检测灵敏度明显下降。
从元器件的系统构成来看，目前的光学加速度计的光学敏感器件和传输光路的系统构成主要由光纤、光栅、光纤光栅、反射镜等分立器件组成，器件体积较大，工艺制备成本高，系统稳定性较差。此外，光纤器件对温度变化敏感，光纤器件之间的接头损耗、偏振效应等均会对加速度计的稳定性和检测灵敏度造成明显的影响。
集成光学器件技术的发展为光学传感器提供了新的发展方向，通过微纳精细加工技术，将各种光学元器件集成在同一衬底之上，通过光波导连接各分立的功能器件，即可实现光学传感系统体积的进一步减小。此外，集成光学器件还具有高稳定性、高可靠性、制备工艺简化、可选材料更丰富等众多优点，符合研制高精度光学加速度传感器件的技术需要。最近几年，由有机聚合物材料作为衬底、包层、芯层的全聚合物光波导器件称为热门的研究方向，这种结构的光波导具有温度不敏感的特性，同时，由于器件的衬底为有机聚合物材料，和传统的硅片、石英衬底相比较，有机聚合物材料具有弹性模量更小，对应力、应变的敏感度更高，韧性更强，不易断裂等优点，可应用于研制高精度的力学传感器。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，采用有机聚合物光波导构成悬臂梁结构，并利用一种全新的波导结构和检测原理，实现一种高精度的单片集成光学加速度计芯片，具有检测精度高、器件体积小、制备工艺简单、易实现批量生产等优点。
技术方案：本发明的技术方案是这样实现的：从结构上看，本发明所提出的加速度计是由输入波导、不对称结构的马赫—曾德尔干涉器、微机械振动悬臂梁、短弯曲波导、输出波导构成，其特征在于：输入波导、不对称结构的马赫—曾德尔干涉器、微机械振动悬臂梁、短弯曲波导、输出波导均由有机聚合物衬底、有机聚合物波导芯层、有机聚合物波导包层组成；第一2×2端口方向耦合器的内端分别接第一短波导和弯曲波导的一端，第二2×2端口方向耦合器的内端分别接第二短波导和弯曲波导的另一端，在第一短波导与第二短波导之间连接有相位调制器，组成不对称结构的马赫—曾德尔干涉器；输入波导、短弯曲波导、输出波导、第一2×2端口方向耦合器、第一短波导、相位调制器、第二短波导和第二2×2端口方向耦合器均固定在基座上；第一2×2端口方向耦合器的外端分别接输入波导和长弯曲波导的一端，第二2×2端口方向耦合器的外端分别接输出波导和长弯曲波导的另一端，长弯曲波导集成于微机械振动悬臂梁之上；微机械振动悬臂梁为双梁结构，由两根平行且对称分布的微悬臂梁与质量块连接构成，微悬臂梁的一端固定在基座上，另一端连接质量块，质量块自由悬空，有机聚合物波导芯层所在平面位于微悬臂梁的中性面上方。
本发明所提出的加速度计的微悬臂梁由有机聚合物衬底、有机聚合物波导芯层、有机聚合物波导包层组成，其中有机聚合物波导芯层为矩形结构，厚度和宽度均为数微米量级，有机聚合物波导包层和有机聚合物衬底宽度相等，均在20至1000微米之间，有机聚合物波导包层厚度在10至20微米之间，有机聚合物衬底厚度在20微米至1000微米之间。
本发明所提出的加速度计的检测原理如下：光信号由输入波导进入由不对称结构的马赫—曾德尔干涉器和短弯曲波导构成的闭合光学回路，并形成多光束干涉，干涉后的光信号由输出波导输出到光探测器和外围检测电路，对光信号进行解调，通过检测谐振频率光强变化，测量加速度引起的光信号相位差，实现加速度的检测。
有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：
1、本发明所提出的加速度计利用集成光学器件加工技术，采用温度不敏感的有机聚合物光波导结构制备光波导器件、衬底和微机械振动悬臂梁等全部传感结构，可实现器件的单片集成。和传统的光纤传感器、无机集成光学传感器等相比较，其弹性系数、检测灵敏度、动态范围等关键技术指标可实现大范围的调整，器件体积小、质量轻、稳定性高，制备工艺简单，并可实现批量生产，显著降低器件成本。
2、在检测原理上，和目前现有的相位调制型、频率调制型光学加速度计相比较，本发明提出的加速度计通过检测谐振频率光强变化，测量加速度引起的光信号相位差，实现加速度的检测，测试过程中信号光始中处于谐振频率，大幅提高了检测灵敏度，并且具有不受环境温度扰动、不受波导双折射影响的优点。
附图说明
图1是悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计的结构俯视图。
图2微机械振动悬臂梁的结构示意图。
图3是微悬臂梁的结构示意图。
图4是微悬臂梁垂直于波导传输方向截面的结构示意图。
图5是微悬臂梁平行于波导传输方向截面的结构示意图。
图6是由加速度导致不同相位差所对应输出光谱曲线示意图。
图7是加速度计的检测灵敏度对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明所提出的悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计的结构如图1所示。构成光信号的通道包括：输入波导1、不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2、短弯曲波导4、输出波导5，不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2和短弯曲波导4，其中不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2由第一2×2端口方向耦合器6、短波导71、相位调制器9、短波导72、长弯曲波导8和第二2×2端口方向耦合器10组成。加速度计芯片中的输入波导1、短弯曲波导4、输出波导5、第一2×2端口方向耦合器6、短波导71、相位调制器9、短波导72和第二2×2端口方向耦合器10均固定在基座11上。
利用微细加工技术对长弯曲波导8所在衬底区域进行处理，去除部分有机聚合物衬底和包层，制成微悬臂梁16和质量块17，共同构成加速度计的敏感元件——微机械振动悬臂梁3。微机械振动悬臂梁3的结构如图2所示：微机械振动悬臂梁3为双梁结构，由两根平行且对称分布的微悬臂梁16和质量块17构成，微机械振动悬臂梁3的一端固定在基座11上，另一端自由悬空。其中微悬臂梁16的结构如图3、图4所示，由有机聚合物衬底12、有机聚合物波导芯层13、有机聚合物波导包层14组成，有机聚合物波导芯层13为矩形结构，厚度和宽度均为数微米量级，有机聚合物波导包层14和有机聚合物衬底12宽度相等，均在20至1000微米之间，有机聚合物波导包层14厚度在10至20微米之间，有机聚合物衬底12厚度在20微米至1000微米之间。长弯曲波导8的波导芯层13所在平面位于微悬臂梁16的中性面15上方，如图5所示。
光信号在加速度计芯片中的传输路径为：输入光信号为单偏振态的激光信号，经过输入波导1进入不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2，经过第一2×2端口方向耦合器6分为两束功率不同的光信号，分别进入短波导71和长弯曲波导8，两束光信号在第二2×2端口方向耦合器10输出端输出，再次分成两束光信号，分别进入短弯曲波导4和输出波导5。进入短弯曲波导4的光信号在由不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2和短弯曲波导4所组成的闭合光学谐振腔内形成多光束干涉，最终形成稳定的输出光信号，输出光信号经过输出波导5，进入光探测器，经过光电转换电路(图中未标出)对信号进行解调，转变为电信号，用于检测加速度。
输出波导5输出信号的相对光强由公式(1)表示：
Figure A200910024475D00071
A＝(1-K)(1-r0)exp(-2αL)      (2)
Figure A200910024475D00072
式中，
Figure A200910024475D00073
为不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2两臂之间的光学相位差，k是第一2×2端口方向耦合器6、第二2×2端口方向耦合器10的耦合比，r0是不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2的插入损耗，α是谐振腔波导传输损耗，L是谐振腔长度。图6是不同相位差
Figure A200910024475D00074
对应的芯片输出光谱曲线。
当系统加速度为零时，光信号通过长弯曲波导8时，具有稳定的初始相位。当系统存在加速度时，质量块17产生的惯性力均匀施加在微悬臂梁16上，微悬臂梁16会产生一定程度的弹性弯曲，引起内应力和应变，导致光波导的有效折射率发生变化，引起长弯曲波导8内传输相位变化，从而导致相位差
Figure A200910024475D0007105404QIETU
变化，由公式(1)-(3)可知，在动态范围内加速度引起的相位差
Figure A200910024475D0007105404QIETU
与谐振频率的输出光强呈线性关系。
本发明提出的加速度计在结构参数上的设计是这样实现的：由于有机聚合物材料具有负热光系数，正热膨胀系数，因此可通过选择匹配的有机聚合物材料和波导结构，实现温度不敏感的光波导，其原理为本领域中的公知技术，在此不予重复。利用温度不敏感的光波导，利用该技术制备光波导器件和微机械振动悬臂梁3，可以消除环境温度波动引起的检测噪声。第一2×2端口方向耦合器6、第二2×2端口方向耦合器10的耦合比k参数设计为0.1，确保加速度引起相位差
Figure A200910024475D00081
变化时，可以忽略谐振腔的谐振频率漂移。通过对微机械振动悬臂梁3的结构参数，包括波导宽度、厚度，衬底宽度、厚度的设计，可以使加速度计的检测灵敏度和动态范围在大范围内调整，满足不同的测试需求。
本发明提出的加速度计的检测方法是这样实现的：测试时，首先将输入光信号的频率调制到谐振频率，并调节相位调制器9，令不对称结构的马赫—曾德尔干涉器2两臂之间的初始相位差位于检测零点(如图7所示)，当输出端相对光强为0.5时，即为检测零点，此时加速度检测灵敏度最高。长弯曲波导8芯层位于悬臂梁中性面15的上方，当加速度导致微机械振动悬臂梁3受到惯性力产生向下弯曲形变时，光波导拉伸，反之收缩，相位差
Figure A200910024475D00082
在之间波动，因此该加速度计可同时测试加速度大小和方向。
从检测原理上与现有技术，包括相位调制型光学加速度计、频率调制型光学加速度相比较：
1.在材料弹性模量、悬臂梁由于加速度导致相位差相同的情况下，本发明所提出的加速度计的检测灵敏度比传统的相位调制型光学加速度计(马赫—曾德尔结构)提高了数倍(见图7)。
2.传统的频率调制型光学加速度，通过检测谐振频率的水平位移量得到加速度值，光信号并非始终处于谐振频率，因此要求谐振谱线完全对称以保证精度。但由于环境温度扰动和波导双折射等因素导致的谐振谱线水平位移和不对称分布，会导致器件检测灵敏度明显下降。本发明提出的加速度计在检测时，光信号始终处于谐振频率，谐振频率处检测噪声最低，并且不受环境温度扰动和波导双折射影响，始终保持高灵敏度和高稳定性。

Claims (3)

1.一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，该加速度计包括输入波导(1)、不对称结构的马赫—曾德尔干涉器(2)、微机械振动悬臂梁(3)、短弯曲波导(4)、输出波导(5)，其特征在于：输入波导(1)、不对称结构的马赫—曾德尔干涉器(2)、微机械振动悬臂梁(3)、短弯曲波导(4)、输出波导(5)均包括有机聚合物衬底(12)、有机聚合物波导芯层(13)、有机聚合物波导包层(14)；第一2×2端口方向耦合器(6)的内端分别接第一短波导(71)和弯曲波导(4)的一端，第二2×2端口方向耦合器(10)的内端分别接第二短波导(72)和弯曲波导(4)的另一端，在第一短波导(71)与第二短波导(72)之间连接有相位调制器(9)，组成不对称结构的马赫—曾德尔干涉器(2)；输入波导(1)、短弯曲波导(4)、输出波导(5)、第一2×2端口方向耦合器(6)、第一短波导(71)、相位调制器(9)、第二短波导(72)和第二2×2端口方向耦合器(10)均固定在基座(11)上；第一2×2端口方向耦合器(6)的外端分别接输入波导(1)和长弯曲波导(8)的一端，第二2×2端口方向耦合器(10)的外端分别接输出波导(5)和长弯曲波导(8)的另一端，长弯曲波导(8)集成于微机械振动悬臂梁(3)之上；微机械振动悬臂梁(3)为双梁结构，由两根平行且对称分布的微悬臂梁(16)与质量块(17)连接构成，微悬臂梁(16)的一端固定在基座(11)上，另一端连接质量块(17)，质量块(17)自由悬空。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，其特征在于微悬臂梁(16)中，有机聚合物波导包层(14)位于有机聚合物衬底(12)上，有机聚合物波导芯层(13)位于有机聚合物波导包层(14)中，其中有机聚合物波导芯层(13)为矩形结构，厚度和宽度均为数微米量级，有机聚合物波导包层(14)和有机聚合物衬底(12)宽度相等，均在20至1000微米之间，有机聚合物波导包层(14)厚度在10至20微米之间，有机聚合物衬底(12)厚度在20微米至1000微米之间。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，其特征在于光信号由输入波导(1)进入由不对称结构的马赫—曾德尔干涉器(2)和短弯曲波导(4)构成的闭合光学回路，并形成多光束干涉，干涉后的光信号由输出波导(5)输出到光探测器和外围检测电路，外围检测电路对光信号进行解调，通过检测谐振频率光强变化，测量加速度引起的光信号相位差，实现对加速度的检测。
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