CN101858745B - 基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，包括垂直腔面发射激光器、共振腔增强型探测器、输入光栅、输出光栅、环形谐振腔、输入和输出光波导、分光隔离器；所述垂直腔面发射激光器集成在SOI材料顶层硅层，利用硅基与III-V族化合物半导体基芯片间的键合技术形成；所述共振腔增强型探测器集成在SOI材料上硅层，应用键合技术键合到InGaAs等探测物质的有源区上；其特点是所述环形谐振腔为圆环形形状，所述输入光栅，通过分光隔离器，输入和输出光波导与环形谐振腔，输出光栅集成一体。本发明基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺主要应用在外部角速度的测量，可应用于小卫星甚至微型卫星中。

Description

基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺

技术领域

本发明属于微光机电系统技术领域，主要涉及一种微光机电陀螺，特别是涉及一种基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺。

背景技术

随着全球卫星定位系统的广泛应用和高新技术的快速发展，现代惯性导航系统发展要求惯性器件须在保证高精度的同时，要具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点。陀螺惯性器件作为惯导系统中的核心部件，在国土防空、舰船、潜艇的惯性导航系统、导弹轨道控制、飞行器自主导航等陆、海、空、天制导、导航及控制技术领域以及卫星姿态控制、摄像机稳瞄稳像、大地测量、资源勘测、机器人、电子消费品等行业有着广泛的应用。

陀螺惯性器件主要有传统机械陀螺、光学陀螺（光纤陀螺、激光陀螺）、微机械（MEMS）陀螺等类型。传统的机械式陀螺仪适用于大载体高精度的惯性导航，但普遍存在体积大、启动时间长、存在可动部件等问题，无法满足深空探测、构建深空探测网络等应用领域对器件性能稳定、功耗低、体积小等要求，以及微型化、隐身化武器装备作战使用要求，难以实现“灵便型”测量系统。微机械惯性器件随着器件的微小化，其质量和动量也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测极限状态。光学陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，自上世纪八十年代以来取得迅猛发展，如今发展较为成熟的光纤陀螺仪，在很多的领域已经完全取代了传统机械式陀螺仪，成为现代导航仪器中不可或缺的关键部分。但光纤陀螺仪需要较为复杂的光电信号处理，成本较高，受温度等环境条件变化影响大，且不易集成。

发明内容

本发明的目的是在克服上述微陀螺缺点和不足的基础上，而设计和提供一种结构简单，集成度高，可靠性高，体积小、质量轻、耐振动、精度高、低成本，低功耗，抗电磁干扰能力强，与CMOS工艺兼容，适用范围更广的基于环形谐振腔全固态微光机电陀螺。

为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：

基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，包括硅基底、垂直腔面发射激光器1、共振腔增强型探测器2、输入光栅4、输出光栅9、环形谐振腔5、输入光波导6、输出光波导7与分光隔离器8；所述垂直腔面发射激光器集成在SOI材料顶层硅层；所述共振腔增强型探测器集成在SOI材料上硅层；该全固态微光机电陀螺由上而下有三层结构，三层结构依次由光刻技术刻蚀形成；其特征在于：所述环形谐振腔为圆环形形状，并在输入光波导与输出光波导之间，所述垂直腔面发射激光器、共振腔增强型探测器与二氧化硅层设有距离；所述输入光栅通过分光隔离器分别与输入光波导、输出光波导、及输出光栅连接和导通，并与环形谐振腔集成为一体。该全固态微光机电陀螺的三层结构为：

第一层结构是所述垂直腔面发射激光器与共振腔增强型探测器所在硅层，利用各向异性的硅体刻蚀技术掏空，形成“凸”字形；

第二层结构是所述输入光栅、输出光栅、环形谐振腔、输入光波导、输出光波导与分光隔离器；利用悬空刻蚀技术与基底硅分开，形成二氧化硅支柱，并支持二氧化硅层结构；

第三层结构为硅基底，作为生长二氧化硅层和支持二氧化硅层的基底。

所述环形谐振腔至少为一个，至少有一级偶合。

所述输入光波导与输出光波导的宽度为500nm-550nm, 在环形谐振腔两侧输入光波导与输出光波导的输入、输出端的宽度550nm-600nm,环形谐振腔的半径20μm-500μm。

所述输入光栅与输出光栅的光栅常数为620nm,光栅刻蚀深度为50nm-60nm，光栅宽度与所连接的输入纳米光波导与输出纳米光波导的宽度比大于1/3。

本发明的基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺是利用现代MEMS加工技术制成的。

本发明由于采取以上技术方案，可实现激光发射，电光调制、光波导传输以及光电探测器件的一体化集成，具有以下实质性特点和显著地有益效果：

1、采用垂直腔面发射激光器，共振腔增强型探测器与环形谐振腔集成一起的结构，彻底改变了以往激光陀螺需要通过外部激光发射，光探测的分立结构，无可动部件，实现了全固化一体结构，便于小型化和大规模制造。

2、采用的光学环形谐振腔为二氧化硅材料，圆环形形状，利用悬空刻蚀技术与基底硅分开，形成柱状结构，支持整个结构，并且保证光高效的束缚在腔内，减少基底光泄露和光损耗，提高环形谐振腔的品质因数从而提高了角速度测量精度。

3、环形谐振腔光学输入与输出端采用了光栅结构，利用垂直耦合方式，改变了以往光源与光波导直接对接的耦合方式，克服了耦合效率低，模式匹配难的缺点。

4、本环形谐振腔和直波导耦合结构简单，可以根据实际测量要求将耦合结构拓展为三级耦合和四级耦合结构。

5、由于采用环形谐振腔传输光路，可以克服现有技术的微陀螺应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等要求非常严格的环境中。

6、由于利用光透射谱线共振峰中心频率的显著变化测量外部角速度，因而达到的精度较高。

本发明基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺主要应用在外部角速度的测量，不仅可应用于小卫星甚至微型卫星，为构建卫星群和卫星网络提供技术支撑，而且与GPS 相结合可以实现“精确”制导，可用于战术导弹的精确制导、单兵导航和定位及战车导航等方面，并且为集成光路、全光网络、光通讯以及光子芯片技术发展奠定基础。

附图说明

图1是本发明的结构侧视图；

图2是本发明的结构主视图；

图3是本发明的工作原理图；

图4是本发明的拓展级联耦合结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

本发明基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺的结构：

如图1和图2所示，基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺。它包括垂直腔面发射激光器1，共振腔增强型探测器2，输入光栅3，输出光栅9，环形谐振腔5，输入光波导6、输出光波导7和分光隔离器8；所述垂直腔面发射激光器集成在SOI材料上硅层，利用硅基与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体基芯片间的键合技术形成；所述共振腔增强型探测器集成在SOI材料上硅层，利用键合技术键合到InGaAs等探测物质的有源区上；所述环形谐振腔为圆环形形状，所述输入光栅通过分光隔离器分别与输入光波导、输出光波导、及输出光栅连接和导通，并与环形谐振腔集成为一体。所述环形谐振腔可有多个，有多级偶合。如图4所示，环形谐振腔有四个，有四级偶合。

基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺由三层结构构成，第一层结构是利用光刻技术和键合技术形成的垂直腔面发射激光器1，共振腔增强型探测器2；第二层结构是利用光刻技术和悬空刻蚀技术形成的输入光栅4，输出光栅9，环形谐振腔5，输入光波导6、输出光波导7和分光隔离器8；第三层结构是通过MEMS技术形成硅基底。微光机电陀螺通过生长，键合，刻蚀后，垂直腔面发射激光器1，共振腔增强型探测器2，3形成在上硅层，并再次通过刻蚀技术将输入光栅4，输出光栅9，环形谐振腔5，输入光波导6，输出光波导7和分光隔离器8集成在二氧化硅层，并且通过悬空刻蚀在二氧化硅层与基底硅层形成二氧化硅支柱，减少硅层光泄露，本发明可实现激光发射，光传输，光探测的全固态一体化集成。

实例：本发明整体采用SOI材料，所采用顶层结构为硅材料，氧化层为二氧化硅,衬底层为硅。其中：

（1）垂直腔面发射激光器：采用分子束外延或者等离子体增强化学气相淀积(PECVD) 方法制备的非晶硅(或非晶氮化硅)/二氧化硅交替生长的多层薄膜结构为分布式Bragg 反射器(DBR) , 以夹在上下两个Bragg 反射器之间的非晶碳化硅薄膜为中间发光层。该激光器发射光照射到输入光栅，并实现激光光源与环形谐振腔之间的光互连。

（2）共振腔增强型探测器：首先应用PECVD系统将高反射率的SiO2/Si反射镜生长在硅片上,然后应用键合技术键合到InGaAs等探测物质的有源区上。环形谐振腔的输出光信号通过输出光栅实现光与探测器的互连。

（3）环形谐振腔：通过悬空刻蚀技术在二氧化硅层与基底硅层间形成二氧化硅支柱，减少硅层光泄露，保证光高效的局域在环形谐振腔内。输入光波导与输出光波导宽度为500nm-550nm, 集成输入输出端的光学谐振腔两侧平行的输入光波导与输出光波的宽度550nm-600nm,(比光学输入端与光学输出端波导宽度宽50nm)，环形谐振腔半径20μm-500μm。

（4）输入光栅、输出光栅与环形谐振腔，材料相同，利用电子束刻蚀或者纳米压印技术形成。光栅常数620nm,光栅刻蚀深度50nm-60nm，光栅宽度与所连接的波导宽度比大于1/3，可以利用级联式渐变波导宽度。

（5）基底：材料为SOI材料衬底硅，作为整体结构的支撑。

上述实例中，垂直腔面发射激光器与共振腔增强型探测器通过键合技术形成在顶层硅上，并且利用刻蚀技术将这两者所在的硅层与二氧化硅层形成侧视“凸”字形，便于光传输和接收。

本发明基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺的工作原理：

如图3所示，本发明采用垂直腔面发射激光器1发出的激光作为光源。激光发射后，照射在输入光栅4。由于光的衍射现象，光大部分经过衍射，水平经过分光隔离器8，进行光分束，并且隔离返回的光信号，进入纳米光波导6与7，由于倏逝波效应，耦合进入环形谐振腔5，并在环形谐振腔5中发生共振，再通过输入光波导6和输出光波导7，水平进入输出光栅9，同样由于衍射现象，在输出光栅9垂直方向利用共振腔增强型探测器2，可以接收到传出的光。其中：

垂直腔面发射激光器发出的光经垂直光栅耦合，通过输入光栅，由分光隔离器分为两束光A，B，分别耦合进入输入光波导6、输出光波导7和环形谐振腔5，在腔内两束光分别按顺时针与逆时针方向传播，并在腔内形成多光束干涉。当两束相向传输的光满足谐振条件时，分别经输出光栅，垂直输出到光电探测器。当外部载体静止时，两束相向传输光A，B所经光程差相同，输出光的光频率相等；当载体以一定角速度Ω旋转时，两束相向传输光A，B的等效光程差发生变化，输出的光频率不再相等，其频差取决于载体的角速度Ω。因此，通过共振腔增强型探测器1号探测端Port1与探测器探测2号端Port2的两路光信号的频差，即能检测提取出载体的旋转角速度。

例如对某外界载体角速度进行测试：

使用本发明的基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺测量某外界载体角速度时，垂直腔面发射激光器1发出的激光，通过垂直耦合进入输入光栅4，水平经过分光隔离器8，分成两束相向传输光A，B，进入输入光波导6和输出光波导7，并与环形谐振腔5进行耦合，发生共振，随后通过输入光波导6和输出光波导7，进入输出光栅9，再次通过垂直耦合进入共振腔增强型探测器2，探测光信号。当载体处于静止状态时，A，B两束光所经光程差相同，输出光的光频率相等；当外界载体以一定角速度Ω旋转时，两束相向传输光A，B的等效光程差发生变化，输出的光频率不再相等，其频差取决于载体的角速度Ω。因此，通过共振腔增强型探测器1号探测端Port1与探测器探测2号端Port2的两路光信号的频差，即能检测提取出载体的旋转角速度。

Claims (4)

1.一种基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，包括硅基底、垂直腔面发射激光器（1）、共振腔增强型探测器（2）、输入光栅（4）、输出光栅（9）、环形谐振腔(5)、输入光波导(6)、输出光波导(7)与分光隔离器(8)；所述垂直腔面发射激光器集成在SOI材料顶层硅层；所述共振腔增强型探测器集成在SOI材料上硅层；该全固态微光机电陀螺由上而下有三层结构；其特征在于：所述环形谐振腔为圆环形形状，并在输入光波导与输出光波导之间，所述垂直腔面发射激光器、共振腔增强型探测器与二氧化硅层设有距离；所述输入光栅（4）通过分光隔离器(8) 分别与输入光波导、输出光波导、及输出光栅（9）连接和导通，并与环形谐振腔集成为一体；所述三层结构为：

第一层结构是所述垂直腔面发射激光器与共振腔增强型探测器所在硅层，利用各向异性的硅体刻蚀技术掏空，形成“凸”字形；

第二层结构是所述输入光栅、输出光栅、环形谐振腔、输入光波导、输出光波导与分光隔离器；利用悬空刻蚀技术与基底硅分开，形成二氧化硅支柱，并支持二氧化硅层结构；

第三层结构为硅基底，作为生长二氧化硅层和支持二氧化硅层的基底。

2.如权利要求1所述的基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，其特征在于：所述环形谐振腔至少为一个，至少有一级偶合。

3.如权利要求1所述的基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，其特征在于：所述输入光波导与输出光波导的宽度为500nm-550nm, 在环形谐振腔两侧输入光波导与输出光波导的输入、输出端的宽度550nm-600nm,环形谐振腔的半径20μm-500μm。

4.如权利要求1所述的基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺，其特征在于：所述输入光栅与输出光栅的光栅常数为620nm,光栅刻蚀深度为50nm-60nm，光栅宽度与所连接的输入光波导与输出光波导的宽度比大于1/3。

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