基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片

1.本发明属于集成光学和惯性传感技术领域的一种光学加速度计，尤其涉及了一种基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片。


背景技术：

2.近年来，随着微电子技术、集成电路技术和微加工技术的日益成熟，mems加速度计以其体积小、成本低、可靠性高、适合批量生产等优点受到了广泛关注并得到了快速发展，在航空航天、地震监测、姿态辨识、畜牧养殖、智能医疗等多个领域中得到了广泛应用。但mems加速度计由于其有限的分辨率和动态范围，无法应用于高精度惯性导航与制导领域，在研制新型加速度计的迫切愿景下催生了moems加速度计。
3.moems加速度计相比于mems加速度计，采用光学检测的方法，能够实现更高灵敏度和分辨率的检测；同时，moems加速度计的核心部件具有天然的抗电磁干扰能力，并且能够通过光纤连接，远程放置光电子线路，可以满足强电磁干扰等复杂的应用环境要求。
4.游标效应，作为一个常用的提高灵敏度的方法，被广泛应用于环形谐振器，法布里-珀罗干涉仪(fpi)等传感器件中，可以将灵敏度放大一个数量级，很大程度上提高了传感效率。
5.伴随着加速度计系统精密化和集成化的发展需求，单片集成的光学加速度计亟待发展。在微纳米技术和微加工工艺等发展推动下，制成高精度的基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片已成为可能。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片，其利用了两个环形谐振腔的游标效应，具有探测精度高、体积小、精度高、制造工艺简单、抗电磁干扰、可靠性好等优点。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明包括宽谱光源、模斑转换器、光隔离器、敏感单元、上电极、下电极、f-p腔、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导、第一1:2型y波导、第四直波导、第二1:2型y波导、第五直波导、第六直波导、2:1型y波导、第七直波导、第八直波导、第一光功率计、第二光功率计、解调反馈电路、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅氧化层和硅衬底；
9.硅衬底、二氧化硅氧化层和铌酸锂单晶薄膜层从下至上依次层叠布置，铌酸锂单晶薄膜层的上表面通过刻蚀形成第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导、第一1:2型y波导、第四直波导、第二1:2型y波导、第五直波导、第六直波导、2:1型y波导、第七直波导和第八直波导；二氧化硅氧化层和铌酸锂单晶薄膜层共同刻蚀形成敏感单元；
10.敏感单元的一端经光隔离器和模斑转换器后与宽谱光源相连，敏感单元的另一端依次经f-p腔、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导和第三直波导后与第一1:2型y波导的合束端相连，f-p腔两侧的铌酸锂单晶薄膜层的上表面分别设置有上电极和下电极；第
一1:2型y波导的第一分支端经第八直波导后与第一光功率计相连；第一1:2型y波导的第二分支端经第四直波导后与第二1:2型y波导的合束端相连，第二1:2型y波导的第一分支端经第六直波导后与2:1型y波导的第一分支端相连，第二1:2型y波导的第二分支端经第五直波导后与2:1型y波导的第二分支端相连，第六直波导和第五直波导的波导长度不同并且第六直波导和第五直波导平行布置，由第二1:2型y波导、第五直波导、第六直波导和2:1型y波导构成非对称型马赫曾德干涉仪，2:1型y波导的合束端经第七直波导后与第二光功率计相连，第一光功率计与第二光功率计均与解调反馈电路相连，解调反馈电路还分别与上电极和下电极电连接。
11.所述敏感单元包括蛇形悬臂梁、质量块、第一环形波导、第二环形波导、第一直波导和微椭圆盘；
12.铌酸锂单晶薄膜层的上表面通过刻蚀形成第一直波导，第一直波导的一端与光隔离器相连，第一直波导的另一端与f-p腔相连，第一直波导一侧的二氧化硅氧化层和铌酸锂单晶薄膜层共同刻蚀形成蛇形悬臂梁和质量块，质量块的两侧分别与对应的蛇形悬臂梁相连，蛇形悬臂梁用于支撑质量块，质量块与蛇形悬臂梁的底部悬空，质量块与第一直波导之间间隔布置，质量块中部的铌酸锂单晶薄膜层上表面刻蚀形成第一环形波导，第一环形波导的内圈设置有微椭圆盘，微椭圆盘与质量块之间的二氧化硅氧化层和铌酸锂单晶薄膜层均被腐蚀掉，使得微椭圆盘与质量块之间间隔布置，微椭圆盘的底部不悬空；第一环形波导、第二环形波导和微椭圆盘的圆心在一条直线上并且微椭圆盘的长轴在该条直线上；
13.第一直波导一侧靠近下电极一端的铌酸锂单晶薄膜层的上表面通过刻蚀形成第二环形波导，第二环形波导与第一直波导之间间隔布置，第二环形波导与最靠近下电极一端的蛇形悬臂梁间隔布置。
14.所述宽谱光源的光通过模斑转换器和光隔离器后进入第一直波导，第一直波导中满足第一环形波导发生谐振条件的光波耦合进入第一环形波导中发生谐振，之后耦合进入第一直波导；接着第一直波导中满足第二环形波导谐振条件的光波从第一直波导耦合进入第二环形波导中发生谐振，之后光波经过第一直波导进入f-p腔进行窄带滤波，光从f-p腔的输出端进入第一弯曲波导，然后依次经过第二直波导、第二弯曲波导和第三直波导后进入第一1:2型y波导的合束端；第一1:2型y波导的第一分支端通过第八直波导与第一光功率计相连，用于实时监测光功率；光从第一1:2型y波导的第二分支端经第四直波导传输至第二1:2型y波导；光从第二1:2型y波导的两个分支端分别传输至第五直波导和第六直波导，之后光进入2:1型y波导的合束端经第七直波导，用于分析光波长；第一光功率计、第二光功率计的信号传入解调反馈电路中。
15.第一环形波导的内径比第二环形波导的内径大2-4um。
16.所述微椭圆盘的圆心与第一环形波导的圆心之间距离150-220nm。
17.所述第二1:2型y波导或2:1型y波导的两个分支端不等长。
18.所述的宽谱光源采用sld光源或ase光源。
19.本发明的有益效果为：
20.本发明提出的一种基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片相较于分立元件很大程度上减小了加速度传感器的体积；精度高、制造工艺简单，抗电磁干扰、有较高的可靠性、制作成本低。
21.本发明采用干法刻蚀制得的铌酸锂脊波导实现光的传输；所有元件位置均通过电子束光刻和干法刻蚀工艺确定，因此相对位置误差极小。
22.本发明的第一光功率计探测经过f-p腔滤波后的光场强度，输入解调反馈电路，作为归一化的光功率信号，第二光功率计记录经过f-p腔滤波后再经过非对称性马赫曾德干涉仪干涉后的光强，输入解调反馈电路解调出波长。
23.本发明的解调反馈电路根据第一光功率计、第二光功率计的信号来改变电极电压，从而改变f-p腔的滤波范围，实时追踪加速度输入后的谐振波长，f-p腔的滤波范围随着谐振波长的移动而移动，从而提高加速度测量的精度、线性度和量程。
24.本发明采用基于级联谐振腔的游标效应，放大了第一环形波导谐振波长偏移量，所以探测精度高。当外界有x方向加速度输入时，敏感单元结构的质量块产生x方向平动位移，带动第一环形波导同时平动，改变了第一环形波导与微椭圆盘的间距，从而引起第一环形波导的谐振波长的偏移。致使第一光功率计和第二光功率计的信号发生变化，经过解调反馈电路的处理可以解调出第一环形波导波长偏移方向及偏移量，进而测算出加速度的方向与大小。
附图说明
25.图1是本发明的整体结构示意图；
26.图2是本发明的敏感单元结构示意图；
27.图中：1、宽谱光源，2、模斑转换器，3、光隔离器，4、敏感单元，5、上电极，6、下电极，7、f-p腔，8、第一弯曲波导，9、第二直波导，10、第二弯曲波导，11、第三直波导，12、第一1:2型y波导，13、第四直波导，14、第二1:2型y波导，15、第五直波导，16、第六直波导，17、2:1型y波导，18、第七直波导，19、第八直波导，20、第一光功率计，21、第二光功率计，22、解调反馈电路，23、铌酸锂单晶薄膜层，24、封装外壳，42、蛇形悬臂梁，43、质量块，44、第一环形波导，45、第二环形波导，46、第一直波导，47、微椭圆盘，48、二氧化硅氧化层，49、硅衬底。
具体实施方式
28.下面根据附图和实施例对本发明作进一步说明。
29.具体实施中，光学加速度计芯片被封装在封装外壳24内，其特征在于，如图1所示，本发明包括宽谱光源1、模斑转换器2、光隔离器3、敏感单元4、上电极5、下电极6、f-p腔7、第一弯曲波导8、第二直波导9、第二弯曲波导10、第三直波导11、第一1:2型y波导12、第四直波导13、第二1:2型y波导14、第五直波导15、第六直波导16、2:1型y波导17、第七直波导18、第八直波导19、第一光功率计20、第二光功率计21、解调反馈电路22、铌酸锂单晶薄膜层23、二氧化硅氧化层48和硅衬底49；
30.硅衬底49、二氧化硅氧化层48和铌酸锂单晶薄膜层23从下至上依次层叠布置，铌酸锂单晶薄膜层23的上表面通过刻蚀形成第一弯曲波导8、第二直波导9、第二弯曲波导10、第三直波导11、第一1:2型y波导12、第四直波导13、第二1:2型y波导14、第五直波导15、第六直波导16、2:1型y波导17、第七直波导18和第八直波导19；硅衬底49、二氧化硅氧化层48和铌酸锂单晶薄膜层23共同刻蚀形成敏感单元4；
31.敏感单元4的一端经光隔离器3和模斑转换器2后与宽谱光源1相连，敏感单元4的
另一端依次经f-p腔7、第一弯曲波导8、第二直波导9、第二弯曲波导10和第三直波导11后与第一1:2型y波导12的合束端相连，f-p腔7两侧的铌酸锂单晶薄膜层23的上表面分别设置有上电极5和下电极6，上电极5与下电极6关于f-p腔7对称分布；第一1:2型y波导12的第一分支端经第八直波导19后与第一光功率计20相连；第一1:2型y波导12的第二分支端经第四直波导13后与第二1:2型y波导14的合束端相连，第二1:2型y波导14的第一分支端经第六直波导16后与2:1型y波导17的第一分支端相连，第二1:2型y波导14的第二分支端经第五直波导15后与2:1型y波导17的第二分支端相连，第六直波导16和第五直波导15的波导长度不同并且第六直波导16和第五直波导15平行且间隔布置，具体地，第四直波导13和第七直波导18共线，第六直波导16和第五直波导15均平行于第四直波导13和第七直波导18所在直线，第二1:2型y波导14或2:1型y波导17的两个分支端不等长。第一1:2型y波导12与第二1:2型y波导14的分光比均为3db。由第二1:2型y波导14、第五直波导15、第六直波导16和2:1型y波导17构成非对称型马赫曾德干涉仪，2:1型y波导17的合束端经第七直波导18后与第二光功率计21相连，第一光功率计20与第二光功率计21均与解调反馈电路22相连，解调反馈电路22还与下电极6电连接。
32.f-p腔7是通过以下方式获得：铌酸锂单晶薄膜层23的上表面通过刻蚀形成f-p波导，用飞秒激光分别刻写f-p波导的两个端面，改变铌酸锂的折射率后形成两个增反膜，使得f-p波导构成f-p腔7。f-p腔7的两端分别与第一直波导46的另一端和第一弯曲波导8相连。
33.宽谱光源1、模斑转换器2、光隔离器3、第一光功率计20、第二光功率计21和解调反馈电路22均位于铌酸锂单晶薄膜层23的上表面。宽谱光源的谱宽为40nm，中心波长为1550nm。宽谱光源1采用sld光源或ase光源。
34.如图2所示，敏感单元4包括蛇形悬臂梁42、质量块43、第一环形波导44、第二环形波导45、第一直波导46和微椭圆盘47；
35.铌酸锂单晶薄膜层23的上表面通过刻蚀形成第一直波导46，第一直波导46的一端与光隔离器3相连，第一直波导46的另一端与f-p腔7相连，第一直波导46一侧的硅衬底49、二氧化硅氧化层48和铌酸锂单晶薄膜层23共同刻蚀形成蛇形悬臂梁42和质量块43，质量块43整体悬空，质量块43的两侧分别与对应的蛇形悬臂梁42相连，蛇形悬臂梁42与质量块43的中部相连，质量块43两侧的蛇形悬臂梁42对称布置，蛇形悬臂梁42用于稳定支撑质量块43，质量块43与蛇形悬臂梁42的底部悬空，具体地，质量块43与蛇形悬臂梁42在铌酸锂单晶薄膜层23，质量块43与蛇形悬臂梁42下方的二氧化硅氧化层48被腐蚀掉，使得质量块43与蛇形悬臂梁42悬空。质量块43与第一直波导46之间间隔布置，质量块43中部的铌酸锂单晶薄膜层23上表面刻蚀形成第一环形波导44，第一环形波导44的内圈设置有微椭圆盘47，微椭圆盘47与质量块43之间的二氧化硅氧化层48和铌酸锂单晶薄膜层23均被腐蚀掉，使得微椭圆盘47与质量块43之间间隔布置，微椭圆盘47的底部不悬空，即微椭圆盘47长轴的一半小于第一环形波导44的内径，微椭圆盘47下方的的二氧化硅氧化层48不被腐蚀掉。第一环形波导44、第二环形波导45和微椭圆盘47的圆心在一条直线上并且微椭圆盘47的长轴在该条直线上；第一环形波导44、第二环形波导45和微椭圆盘47的圆心所在直线作为x轴方向，y轴方向垂直于x轴方向且在芯片的平面上。微椭圆盘47的圆心与第一环形波导44的圆心之间距离150-220nm，即微椭圆盘47的圆心在x轴正或负方向上相对第一环形波导44圆心偏移
150-220nm。实施例中，圆心偏移200nm。
36.第一直波导46一侧靠近下电极6一端的铌酸锂单晶薄膜层23的上表面通过刻蚀形成第二环形波导45，蛇形悬臂梁42、质量块43、第一环形波导44、第二环形波导45、微椭圆盘47均位于第一直波导46的同一侧，第二环形波导45与第一直波导46之间间隔布置，第二环形波导45与最靠近下电极6一端的蛇形悬臂梁42间隔布置。第一环形波导44作为第一级环形谐振腔，第二环形波导45作为第二级环形谐振腔。
37.第一环形波导44的内径比第二环形波导45的内径大2-4um。具体实施中，第一环形波导44的内径比第二环形波导45的内径大3um。第一环形波导44的透射谱为等频率间隔的第一透射谷，此频率间隔为第一环形波导44的自由光谱范围fsr1，第一环形波导44的谐振频率对应第一透射谷；第二环形波导45的透射谱为等频率间隔的第二透射谷，此频率间隔为第二环形波导45的自由光谱范围fsr2，第二环形波导45的谐振频率对应第二透射谷。第一环形波导44自由光谱范围fsr1略小于第二环谐振腔的自由光谱范围，利用两谐振腔的级联效应，放大第一环形波导44谐振频率的偏移量。
38.宽谱光源1的光通过模斑转换器2和光隔离器3后进入第一直波导46，由于倏逝波的作用，第一直波导46中满足第一环形波导44发生谐振条件的频率的光波耦合进入第一环形波导44中发生谐振，之后耦合进入第一直波导46；接着第一直波导46中满足第二环形波导45谐振条件的频率的光波从第一直波导46耦合进入第二环形波导45中发生谐振，之后光波经过第一直波导46进入f-p腔7进行窄带滤波，光从f-p腔7的输出端进入第一弯曲波导8，然后依次经过第二直波导9、第二弯曲波导10和第三直波导11后进入第一1:2型y波导12的合束端；第一1:2型y波导12的第一分支端通过第八直波导19与第一光功率计20相连，用于实时监测光功率；光从第一1:2型y波导12的第二分支端经第四直波导13传输至第二1:2型y波导14；光从第二1:2型y波导14的两个分支端分别传输至第五直波导15和第六直波导16，之后光进入2:1型y波导17的合束端经第七直波导18后耦合入第二光功率计21，用于分析光波长；第一光功率计20、第二光功率计21的信号传入解调反馈电路22中。解调反馈电路22分析出谐振波长偏移量，进而分析出加速度的大小与方向；解调反馈电路22通过控制上电极5与下电极6间电压，改变f-p腔的透射波长区间，进而实时追踪谐振谷，f-p腔的滤波范围随着谐振波长的移动而移动，从而提高加速度测量的精度、线性度和量程。
39.具体实施例中，单片集成光学加速度计的整体尺寸为3
×3×
0.2～6
×6×
0.3立方毫米，质量块43的上表面面积为0.5
×
1～1
×
2平方毫米，厚度为0.3～0.4微米，第一环形波导44的内半径为7um～9um，外半径为8-10um，第二环形波导45的内半径为10um～12um，外半径为11-13um，硅衬底49厚度为0.1～0.2毫米；微椭圆盘47长半轴为6-6.5um，短半轴为5-5.5um。二氧化硅氧化层48厚度为1～5微米，铌酸锂单晶薄膜23厚度为0.4～1微米。宽谱光源1采用sld光源或ase光源。第一1:2型y波导12、第二1:2型y波导14、2:1型y波导17为脊波导，波导宽度为0.5～1.5微米，脊高0.2～0.5微米。上电极5和下电极6的间距为1.3～10微米。
40.本实例中宽谱光源1采用sld光源，中心波长为1550纳米，输出的平均光功率为800微瓦。铌酸锂单晶薄膜23厚度为0.6微米，二氧化硅氧化层48厚度为2微米，硅衬底49厚度为0.1毫米。第一1:2型y波导12、第二1:2型y波导14、2:1型y波导17为脊波导，波导宽度为1微米，脊高0.3微米。电极与脊波导的间距为2微米，上电极5与下电极6的长度均为2毫米。质量
块43的上表面面积为0.5
×
1平方毫米，厚度为0.3微米，第一环形波导44的内半径为7um，外半径为8um，第二环形波导48的内半径为10um，外半径为11um。蛇形悬臂梁42的宽度为0.4um，高度为0.3um。
41.如图2所示，当光学加速度计受到x方向加速度时，质量块43会向x方向偏移，从而带动第一环形波导44向x方向偏移，致使第一环形波导44与微椭圆盘47间距改变，引起第一环形波导44谐振波长的偏移。利用两个级联环形谐振腔形成的游标效应，将第一环形波导44谐振波长偏移量放大。经过f-p腔进行窄带滤波，再经第一1:2型y波导12将光分为两束，一路光由第一光功率计20接收，携带强度信息，另一路光经过由第五直波导15与第六直波导16构成的非对称马赫曾德干涉仪，并由第二光功率计21接收，携带波长信息。两功率计的信号传入至解调反馈电路22，解调出第一环形波导44的谐振波长偏移量，进而解调出加加速度的方向与大小。解调反馈电路22通过控制上电极5与下电极6间电压，改变f-p腔的透射波长区间，进而实时追踪谐振波长，f-p腔的滤波范围随着谐振波长的移动而移动，从而提高加速度测量的精度、线性度和量程。