CN109633204B - 一种低温漂的混合表面等离激元加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低温漂的混合表面等离激元加速度计，包括可调谐等离激元定向耦合器、柔性表面等离激元波导和位于柔性表面等离激元波导表面的加速度质量块，可调谐等离激元定向耦合器包括上支等离激元波导、用于输入输出光学信号的下支等离激元波导、以及设置于下支等离激元波导上的调制电极，上支等离激元波导两端与弯曲后的柔性表面等离激元波导两端分别连接、构成表面等离激元波导环形谐振腔，该表面等离激元波导环形谐振腔与可调谐等离激元定向耦合器所在平面垂直。利用二氧化硅基可调谐表面等离激元定向耦合器和柔性表面等离激元波导相反的热光特性可有效抑制谐振腔谐振频率的温度波动性，且在最佳匹配条件下，有望实现谐振频率的零温漂。

Description

一种低温漂的混合表面等离激元加速度计
技术领域
本发明涉及一种低温漂的混合表面等离激元加速度计，属于集成光学传感、光学加速度计技术领域。
背景技术
加速度计利用加速度计敏感特性来测试载体的运动加速度。作为一类非常重要的惯性传感器，是新一代惯性传感系统的重要组成部分，在导航、制导以及控制检测领域扮演着非常重要的角色，在多个方向已经得到广泛应用，如：航海、地震检测、航空、宇航、精确制导和控制等。在实际应用中的加速度计的种类有许多，如：电磁加速度计、摆式加速度计、微机电加速度计、挠性加速度计、光学加速度计等。其中，光学加速度计又分为光纤加速度计、干涉式光学加速度计、谐振式光学加速度计等。
使用谐振腔来构造光学加速度计，需要克服偏振噪声和温度噪声，这两者的存在制约了光学加速度计的检测精度。为了消除偏振噪声，通常需要在谐振腔输入信号前端外置偏振控制器，但这大大增加了加速度计的体积，违背了集成光学微型化发展宗旨。同时这些方案也不能消除环境温度噪声对谐振腔的影响。即便是具有低温度依赖性的空心光子晶体光纤谐振腔也不能完全消除温度噪声的影响。因此，为了解决谐振腔的这些技术问题，研究无偏振噪声、温度不敏感特性且成本低廉的新型谐振腔具有极大的必要性和价值。
表面等离激元是外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的电磁振荡，将电磁波束缚在纳米尺度传播，能突破光学衍射极限，且具有很强的局域场增强特性，可实现纳米尺度的光信息传输与处理，为实现众多高性能集成光子器件和光传感器件提供了崭新的技术途径。利用麦克斯韦方程组求解表面等离激元波导的模式，发现该波导仅支持TM模式的偏振光传输，能实现信号传输过程中的单一偏振态，以其构成的加速度谐振腔具有良好的单偏振特性；同时可利用表面等离激元波导金属芯层的光电复用特性直接对光信号进行调制，进而实现谐振腔的高效调谐。
目前利用表面等离激元波导构成的谐振腔虽然可实现单偏振特性，但仍存在一些技术瓶颈：一方面温度波动引起芯层和包层的折射率发生变化，使得表面等离激元波导谐振环出现温度噪声，导致谐振腔谐振特性随外界温度变化而漂移；另一方面通过平面光波导工艺制成的表面等离激元谐振腔芯层金属厚度通常在十几纳米量级，平面弯曲时波导对传输模式的横向束缚作用很弱，模式光会发生明显的泄露，导致谐振腔的弯曲损耗过大。
发明内容
发明目的：针对现有的表面等离激元波导谐振腔谐振特性随外界温度变化而漂移、且弯曲损耗过大等问题，本发明提出一种低温漂的混合表面等离激元加速度计。
技术方案：本发明所述的一种低温漂的混合表面等离激元加速度计，包括可调谐等离激元定向耦合器、柔性表面等离激元波导和位于柔性表面等离激元波导表面的加速度质量块，该加速度质量块用于感应竖直方向上的加速度、增加加速度计的检测精度；可调谐等离激元定向耦合器包括上支等离激元波导、用于输入输出光学信号的下支等离激元波导、以及设置于下支等离激元波导上用于调节定向耦合器耦合系数的调制电极，上支等离激元波导两端与弯曲后的柔性表面等离激元波导两端分别连接、构成表面等离激元波导环形谐振腔，该表面等离激元波导环形谐振腔与可调谐等离激元定向耦合器所在平面垂直。
通过柔性表面等离激元波导构成的环形波导来组成加速度计器件的谐振腔，这种结构的加速度计具有低温漂的特性，同时对应力和应变的敏感度更高，韧性较好不易断裂，对于测定方向上的加速度具有高精度特性。
其中，可调谐等离激元定向耦合器为平面波导，其波导截面自下而上依次为第一衬底、第一下包层、第一芯层和第一上包层，其中，第一芯层的材质为金属材料，第一上包层、第一下包层的材质为二氧化硅，第一衬底为硅片或石英。
优选的，第一芯层的厚度为6～50nm，宽度为2～20μm。进一步的，第一上包层、第一下包层的厚度为5～50μm。
第一芯层的结构可为条载形、矩形、脊形或倒脊形结构。第一芯层可选用金、银、铜、铝等高电导率的金属材料。
上述柔性表面等离激元波导的波导截面自下而上依次为第二衬底、第二下包层、第二芯层和第二上包层，其中，第二芯层的材质为金属材料，第二上包层、第二下包层的材质为柔性有机聚合物材料，第二衬底为柔性聚合物基底。其中，第二芯层的厚度优选为6～50nm，宽度优选为2～20μm。进一步的，第二上包层、第二下包层的厚度可为5～50μm。
工作原理：外部光信号经下支等离激元波导输入定向耦合器，一部分光通过定向耦合器耦合进入谐振腔沿谐振腔环形光路传输，另一部分从下支等离激元波导输出，谐振腔由柔性光波导构成，当垂直于耦合器方向加速度发生变化时，谐振腔发生形变，谐振腔的波导芯层和包层的折射率改变，导致谐振腔耦合进入下支等离激元波导的光的谐振峰发生漂移，与输入光发生多光束干涉，进而导致耦合器的输出光强发生变化，检测到的加速度值也随之改变。可调谐表面等离激元定向耦合器的下支等离激元波导上制备有调制电极，根据温度波动引起的输出光强的变化，通过调制电极对耦合器施加电信号对调谐耦合系数，对光强进行补偿，进而实现温度不敏感的加速度计。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的低温漂的混合表面等离激元加速度计谐振腔，利用表面等离激元波导仅支持TM模式传输的优势，可实现具有单偏振特性的加速度谐振腔，有效抑制加速度计谐振腔的偏振噪声；(2)利用二氧化硅基可调谐表面等离激元定向耦合器和柔性聚合物表面等离激元波导相反的热光特性可有效抑制谐振腔谐振频率的温度波动性，且在最佳匹配条件下，有望实现谐振频率的零温漂，消除温度对加速度性能的影响；(3)柔性聚合物表面等离激元波导作为该加速度计谐振腔中核心组成部分，可有效降低弯曲损耗，提高谐振腔的清晰度；与平面弯曲的波导相比，本发明的低温漂的混合表面等离激元加速度计谐振腔侧向弯曲时，光会被紧密束缚在金属与介质界面处，可有效降低弯曲引起的光辐射损耗；(4)利用表面等离激元光电复用的特性，在可调谐表面等离激元定向耦合器的芯层金属上制备调制电极，通过向调制电极施加电信号调节耦合器的耦合系数，实现对谐振腔谐振特性的调谐；(5)依靠柔性聚合物表面等离激元波导的柔性特点且垂直于表面等离激元定向耦合器能够测量出垂直于耦合器方向的加速度值；这种新型的加速度计检测结构具有更高的检测灵敏度。
附图说明
图1为低温漂混合表面等离激元加速度计的三维立体示意图。
图2为可调谐表面等离激元定向耦合器的波导结构示意图。
图3为柔性聚合物表面等离激元波导的波导结构示意图。
图4为谐振腔所在平面内加速度发生变化时波导结构变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种低温漂的混合表面等离激元加速度计包括可调谐等离激元定向耦合器2、柔性表面等离激元波导3和加速度质量块9。
如图2，可调谐表面等离激元定向耦合器2为平面波导，其波导截面由下至上依次为第一衬底21、第一下包层22、第一芯层23、第一上包层24，其中，第一芯层23为条载形、矩形、脊形或倒脊形结构，选用金、银、铜或铝等高电导率的金属材料，厚度在6纳米至50纳米之间，宽度在2微米至20微米之间；第一下包层21和第一上包层24均采用二氧化硅，厚度在5微米至50微米之间；第一衬底21采用硅片或石英。
可调谐等离激元定向耦合器2由下支等离激元波导4和上支等离激元波导5构成。
下支等离激元波导4构成可调谐等离激元定向耦合器2的外部接口，作为光学信号的输入输出口，其左右两端部分别为外部光学信号输入端6和光学信号输出端7，作为加速度计器件的信号输入输出端口用以连接外部光纤。下支等离激元波导4上还制备有调制电极1，用以调节表面等离激元定向耦合器的耦合系数。
柔性表面等离激元波导3采用表面等离激元材料作为波导芯层，柔性聚合物作为波导包层，如图3，其波导截面由下至上依次为第二衬底31、第二下包层32、第二芯层33、第二上包层34；其中，第二芯层33也可为条载形、矩形、脊形或倒脊形结构，选用金、银、铜或铝等高电导率的金属材料，厚度在6纳米至50纳米之间，宽度在2微米至20微米之间；第二下包层32和第二上包层34均为柔性有机聚合物材料，厚度在5微米至50微米之间；第二衬底31为柔性衬底，具体为柔性聚合物基底。
加速度质量块9制备在柔性聚合物表面等离激元波导3的外包层上部，主要用于感应竖直方向上的加速度，增加加速度计的检测精度。
柔性表面等离激元波导3经弯曲后，两端分别与上支表面等离激元波导5的两端相连、构成表面等离激元波导环形谐振腔8；且连接到上支表面等离激元波导5上的聚合物表面等离激元波导3与可调谐表面等离激元定向耦合器2保持垂直。
光信号在本发明的表面等离激元加速度计中的运行轨迹为：输入光信号为单偏振态的激光信号，经过下支等离激元波导4，由调制电极1调节可调谐表面等离激元定向耦合器的耦合系数，下支等离激元波导4中的部分光耦合进入上支等离激元波导5中，进入表面等离激元环形谐振腔8，另一部分光从下支等离激元波导4的信号输出端口7输出。耦合进入表面等离激元环形谐振腔8的光沿环路传输，每传输一圈均有一部分光经定向耦合器2耦合进入下支等离激元波导4，并与之前输出的光进行多光束干涉叠加，干涉叠加后由下支等离激元波导4中输出。当垂直于定向耦合器2方向的加速度改变时，由柔性表面等离激元波导3构成的环形谐振腔8在惯性作用下产生形变，导致环形谐振腔8的芯层和包层的折射率发生变化，进而影响谐振腔的传输特性，使加速度计谐振腔的输出光强变化，最终影响测得的加速度值。
在传统光学谐振腔中，通常存在两个本征偏振态，且容易受温度、机械应力等外界因素影响，导致谐振腔中不同偏振态的光之间产生串扰，从而产生信号偏振误差。该误差一般用以下公式估算。
Figure GDA0002599723940000051
Figure GDA0002599723940000052
式(1)和式(2)中，c、λ、D、k、αc、αt、Δf和τ0分别为真空光速、输入光源波长、谐振腔的直径、耦合器的功率耦合系数、耦合器的损耗、谐振腔传输损耗、光源的谱宽和积分时间。
式1中的
Figure GDA0002599723940000053
部分由输入光偏振态
Figure GDA0002599723940000054
与谐振腔中传输光的偏振态
Figure GDA0002599723940000055
的不匹配造成。通常，将两者之间的不匹配用Δθ＝θ-θ’和
Figure GDA0002599723940000056
定义。因此，两个偏振态的不匹配严重限制了谐振式光学陀螺的灵敏度。
本发明的一种低温漂的混合表面等离激元加速度计的谐振腔为可简单、有效实现单偏振的谐振腔。利用表面等离激元优良的单偏振传输特性，使得加速度计的谐振腔中始终只有一个TM偏振态，不存在两个偏振态串扰及不匹配的现象，可完全消除谐振式光学加速度计中的偏振误差。
加速度计谐振腔的谐振特性容易受到环境温度波动的影响而产生温度噪声，影响光学加速度计的灵敏度。假设，可调谐表面等离激元定向耦合器中表面等离激元波导的长度为L1，模式有效折射率的实部为Neff1、柔性表面等离激元波导的长度为L2，模式有效折射率的实部为Neff2，则混合谐振腔的谐振波长遵从以下规则：
mλ0＝Neff1L1+Neff2L2(m＝1,2,3...) (3)
式3中，λ0表示谐振波长。
由式(3)可得，该混合谐振腔的谐振波长与温度T之间满足以下关系：
Figure GDA0002599723940000061
式4中，α1为可调谐表面等离激元定向耦合器中二氧化硅包层的热膨胀系数，α2为柔性表面等离激元波导中聚合物包层材料的热膨胀系数。
本发明的低温漂的混合表面等离激元加速度计抑制温度噪声的具体方式如下：
表面等离激元波导的芯层以银为例，柔性表面等离激元波导的包层材料以聚合物材料为例，其热光系数为dnp/dT，且dnp/dT在-1.0×10-4/℃至-4.5×10-4/℃之间，其热膨胀系数α2在4×10-5/℃至20×10-5/℃之间；可调谐表面等离激元定向耦合器的包层材料以二氧化硅为例，其热光系数dns/dT＝6.3×10-6/℃，其热膨胀系数α1＝5.5×10-7/℃。
银在1550nm波长的折射率表示为：NAg(T)＝Nr(T)+iNi(T)，其中Nr(T)＝0.059+1.55×10-3T，Ni(T)＝10.93-3.37×10-4T-3.34×10-7T2。基于银材料折射率的温度特性，利用二维有限元算法计算可得出可调谐表面等离激元定向耦合器中表面等离激元波导的热光系数dNeff1/dT≈dns/dT>0，柔性聚合物表面等离激元波导的热光系数dNeff2/dT≈dnp/dT<0，该数值与表面等离激元波导包层材料的热光系数近似。这说明混合谐振腔中表面等离激元波导的热光系数主要决定于波导包层材料的热光特性。
因此在该混合谐振腔中，有如下关系：
Figure GDA0002599723940000062
Figure GDA0002599723940000063
通过优化L1与L2，可实现
Figure GDA0002599723940000064
即
Figure GDA0002599723940000071
式8表明，混合谐振腔的谐振波长的温度波动性可降至0，即：谐振腔的谐振波长不受温度影响。通过改变可调谐表面等离激元定向耦合器的长度和柔性表面等离激元波导的长度比例，即可有效抑制温度噪声。
当加速度计芯片的加速度不变时，光信号在谐振腔中处于谐振状态，当芯片加速度发生改变时，加速度质量块9产生的加速度使得柔性聚合物波导构成的谐振环产生形变，如图4，从而导致波导的模式有效折射率发生变化，由定向耦合器的输出光相位发生变化，使得光信号输出端7的输出光强发生变化。相对于传统的加速度计来说，本发明的加速度计使用光在谐振腔中的谐振状态来检测系统的加速度变化，这种加速度计的灵敏度、测量精度相对更高。

Claims (9)

1.一种低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，包括可调谐等离激元定向耦合器、柔性表面等离激元波导和位于柔性表面等离激元波导表面的加速度质量块，该加速度质量块用于感应竖直方向上的加速度、增加加速度计的检测精度；所述可调谐等离激元定向耦合器包括上支等离激元波导、用于输入输出光学信号的下支等离激元波导、以及设置于下支等离激元波导上用于调节定向耦合器耦合系数的调制电极，所述上支等离激元波导两端与弯曲后的柔性表面等离激元波导两端分别连接、构成表面等离激元波导环形谐振腔，该表面等离激元波导环形谐振腔与可调谐等离激元定向耦合器所在平面垂直。
2.根据权利要求1所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述可调谐等离激元定向耦合器的波导截面自下而上依次为第一衬底、第一下包层、第一芯层和第一上包层，其中，第一芯层的材质为金属材料，第一上包层、第一下包层的材质为二氧化硅，第一衬底为硅片或石英。
3.根据权利要求2所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述第一芯层的厚度为6～50nm，宽度为2～20μm。
4.根据权利要求2所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述第一上包层、第一下包层的厚度为5～50μm。
5.根据权利要求2所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述第一芯层为条载形、矩形、脊形或倒脊形结构。
6.根据权利要求2所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述金属材料为金、银、铜或铝。
7.根据权利要求1所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述柔性表面等离激元波导的波导截面自下而上依次为第二衬底、第二下包层、第二芯层和第二上包层，其中，第二芯层的材质为金属材料，第二上包层、第二下包层的材质为柔性有机聚合物材料，第二衬底为柔性聚合物基底。
8.根据权利要求7所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述第二芯层的厚度为6～50nm，宽度为2～20μm。
9.根据权利要求7所述的低温漂的混合表面等离激元加速度计，其特征在于，所述第二上包层、第二下包层的厚度为5～50μm。
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