专利名称：一种具有温度稳定性的光波导谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及光波导谐振腔，尤其涉及ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔。
背景技术：
光学环形谐振腔是谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyro, R0G)的核心敏感部件，将ー个2X2光学耦合器的其中ー个输出端，反馈连接到其中一个输入端，就构成了一个最基本的反射式谐振腔结构；透射式谐振腔结构则由2个2X2光学耦合器构成。根据实现方式的不同，可以是光纤构成的光纤环形谐振腔，或光波导构成的光波导谐振腔，统称为光学谐振腔。在谐振式光学陀螺中，通过检测光学谐振腔顺时针(Clockwise，CW)和逆时针(Counterclockwise,CCff)光路的谐振频率差得到谐振腔相对于惯性參照系的旋转角速度。由于Sagnac效应是一种极其微弱的效应，由旋转角速率引起的谐振频率差是极其微小的。而温度与温度引起的热膨胀影响，实际光学环形谐振腔的谐振频率会发生漂移。如对于ニ氧化硅光波导或光纤构成的光学谐振腔，SiO2热光系数I为10_5/°C，当温度变化1°C时，光学谐振腔谐振频率漂移达到GHz，而1° /s的旋转角速率引起的CW和CCW光路的谐振频率差仅为几百Hz。因此，实用的谐振式光学陀螺采用闭环结构，将ー侧光路的信号输出作为反馈，实时调整激光器的输出频率，使之跟随环境温度的变化，从而使激光器的工作频率与光学谐振腔的谐振频率一致。这种设计思想对ROG的谐振伺服回路提出了很高的要求，并且限制了陀螺的性能。在此基础上，学者们还提出了多种温度控制方案，包括被动式恒温与主动式控温等。这些方案虽然取得了显著的效果，但是増加了陀螺的整体重量与功耗，与谐振式光学陀螺体积小、重量轻、功耗低的特点不相符合。构成硅基ニ氧化硅波导芯片的材料具有正热光系数，即折射率随温度升高ニ增大。使用负热光系数的材料作为补偿，可以降低光波导芯片整体的温度敏感性。本发明的目的在于利用折射率接近且小于ニ氧化硅、具有负热光系数的含氟丙烯酸酯共聚物，研制出具有温度稳定性的光波导谐振腔，改善ROG的性能。
发明内容
本发明g在克服现有技术的不足，提出ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔技术。第一种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片本体上设有输入/输出光通路与谐振环；输入/输出光通路的两端位于光波导芯片本体的边缘；输入/输出光通路与谐振环通过输入/输出耦合器相连，构成反射式光波导谐振腔；光波导芯片本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。第二种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片本体上设有输入光通路、输出光通路与谐振环；输入光通路的两端位于光波导芯片本体的一侧边缘；输出光通路位于光波导芯片本体的另ー侧边缘；谐振环位于输入光通路与输出光通路之间，谐振环ー侧通过输入耦合器与输入光通路相连，谐振环另ー侧通过输出耦合器与输出光通路相连，构成透射式光波导谐振腔；光波导芯片本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。第三种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片本体上设有输入/输出光通路与谐振环；输入/输出光通路的两端位于光波导芯片的边缘；输入/输出光通路与谐振环通过输入/输出耦合器相连，构成反射式光波导谐振腔；谐振环上刻蚀有倾斜波导光栅，傾斜波导光栅反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片芯层厚度的 波导光柵，光波导芯片本体上设有上包层和下包层，上包层的材料和倾斜波导光栅的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。第四种种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片本体上设有输入光通路、输出光通路与谐振环；输入光通路的两端位于光波导芯片的一侧边缘；输出光通路位于光波导芯片的另ー侧边缘；谐振环位于输入光通路与输出光通路之间，谐振环ー侧通过输入耦合器与输入光通路相连，谐振环另ー侧通过输出耦合器与输出光通路相连，构成透射式光波导谐振腔；谐振环的两臂分别刻蚀有第一倾斜波导光栅、第二倾斜波导光栅，第一倾斜波导光栅和第二倾斜波导光栅反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片芯层厚度的波导光柵；光波导芯片本体上设有上包层和下包层，上包层的材料、第一倾斜波导光栅和第二倾斜波导光栅的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。本发明与现有技术相比具有的有益效果I)具有温度稳定性光波导谐振腔在保留光波导谐振腔重量轻、体积小的优点的同时，改善了光波导谐振腔的温度稳定性，谐振频率受温度影响导致的漂移小，有利于提高陀螺性能。2)本发明与集成倾斜波导光栅结构的光波导谐振腔技术组合使用，既保留了倾斜波导光栅结构具有高偏振消光比的优点，又使负热光系数材料在整个光波导谐振腔中所占比重増大。合理设计倾斜波导光栅结构的总长度，可以精确控制光波导谐振腔的整体热光系数，进ー步提高光波导谐振腔的温度稳定性。3)本专利所述的负热光系数材料，即含氟丙烯酸酯共聚物，可溶于现有的大部分有机溶剂，可以直接旋涂在光波导谐振腔上，从而省去了化学气相淀积(CVD)等エ艺步骤，降低了制作成本。
图I是硅基ニ氧化硅光波导芯片的剖面图；图2是第一种具有温度稳定性的光波导谐振腔结构示意图；图3是第二种具有温度稳定性的光波导谐振腔结构示意图；图4是第三种具有温度稳定性的光波导谐振腔结构示意图；图5是第四种具有温度稳定性的光波导谐振腔结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明所述光波导芯片的光通路、谐振环部分的剖面图；图中硅衬底为I，ニ氧化硅下包层为2，掺杂ニ氧化硅芯层为3，含氟丙烯酸酯共聚物构成的上包层为4。如图2所示，第一种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片5本体上设有输入/输出光通路6与谐振环7 ;输入/输出光通路6的两端位于光波导芯片5本体的边缘；输入/输出光通路6与谐振环7通过输入/输出耦合器8相连，构成反射式光波导谐振腔；光波导芯片5本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。
如图3所示，第二种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片9本体上设有输入光通路10、输出光通路11与谐振环12 ;输入光通路10的两端位于光波导芯片9本体的一侧边缘；输出光通路11位于光波导芯片9本体的另ー侧边缘；谐振环12位于输入光通路10与输出光通路11之间，谐振环12 —侧通过输入耦合器13与输入光通路10相连，谐振环12另ー侧通过输出耦合器14与输出光通路11相连，构成透射式光波导谐振腔；光波导芯片11本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。如图4所示，第三种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片15本体上设有输入/输出光通路16与谐振环17 ;输入/输出光通路16的两端位于光波导芯片15的边缘；输入/输出光通路15与谐振环17通过输入/输出耦合器19相连，构成反射式光波导谐振腔；谐振环17上刻蚀有倾斜波导光栅18，倾斜波导光栅18反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片15芯层厚度的波导光栅，光波导芯片15本体上设有上包层和下包层，上包层的材料和倾斜波导光栅18的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。如图5所示，第四种具有温度稳定性的光波导谐振腔在光波导芯片20本体上设有输入光通路21、输出光通路22与谐振环23 ;输入光通路21的两端位于光波导芯片20的一侧边缘；输出光通路22位于光波导芯片20的另ー侧边缘；谐振环23位于输入光通路21与输出光通路22之间，谐振环23 —侧通过输入耦合器26与输入光通路21相连，谐振环23另ー侧通过输出耦合器27与输出光通路22相连，构成透射式光波导谐振腔；谐振环23的两臂分别刻蚀有第一倾斜波导光栅24、第二倾斜波导光栅25,第一倾斜波导光栅24和第二倾斜波导光栅25反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片20芯层厚度的波导光栅；光波导芯片20本体上设有上包层和下包层，上包层的材料、第一倾斜波导光栅24和第二倾斜波导光栅25的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。所述的波导光栅，是在光波导芯片的光通路上，通过刻蚀エ艺去除部分芯层材料，再填充其他材料，从而形成反射界面，形成的光柵。所述的倾斜波导光栅，是指反射界面与光波导横向截面有一定夹角的波导光柵。本专利所示意的倾斜波导光栅的刻蚀深度可以大于零且小于光波导芯片的芯层厚度。倾斜波导光栅的刻蚀深度越大，其填充介质所占的比重也越大，改善光波导谐振腔温度稳定性的效果越好。
所述的热光系数，是指反映某种材料的折射率随温度变化规律的參数，属于材料本身的属性，在数学上等于折射率关于温度的导数。热光系数为正，说明温度越高，该材料的折射率越大；热光系数为负，说明温度越高，该材料的折射率越小；热光系数的绝对值越大，说明该材料的折射率随温度变化的幅度越大；热光系数的绝对值越小，说明该材料的折射率随温度变化的幅度越小
权利要求
1.ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔，其特征在于在光波导芯片(5)本体上设有输入/输出光通路(6)与谐振环(7);输入/输出光通路(6)的两端位于光波导芯片(5)本体的边缘；输入/输出光通路(6)与谐振环(7)通过输入/输出耦合器(8)相连，构成反射式光波导谐振腔；光波导芯片(5)本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。
2.ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔，其特征在于在光波导芯片(9)本体上设有输入光通路(10)、输出光通路(11)与谐振环(12);输入光通路(10)的两端位于光波导芯片(9)本体的一侧边缘；输出光通路(11)位于光波导芯片(9)本体的另ー侧边缘；谐振环(12)位于输入光通路(10)与输出光通路(11)之间，谐振环(12) 一侧通过输入稱合器(13)与输入光通路(10)相连，谐振环(12)另ー侧通过输出耦合器(14)与输出光通路(11)相连，构 成透射式光波导谐振腔；光波导芯片(11)本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。
3.ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔，其特征在于在光波导芯片(15)本体上设有输入/输出光通路(16)与谐振环(17);输入/输出光通路(16)的两端位于光波导芯片(15)的边缘；输入/输出光通路(15)与谐振环(17)通过输入/输出I禹合器(19)相连,构成反射式光波导谐振腔；谐振环(17)上刻蚀有倾斜波导光栅(18)，倾斜波导光栅(18)反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片(15)芯层厚度的波导光栅，光波导芯片(15)本体上设有上包层和下包层，上包层的材料和倾斜波导光栅(18)的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。
4.ー种具有温度稳定性的光波导谐振腔，其特征在于在光波导芯片(20)本体上设有输入光通路(21)、输出光通路(22)与谐振环(23);输入光通路(21)的两端位于光波导芯片(20)的一侧边缘；输出光通路(22)位于光波导芯片(20)的另ー侧边缘；谐振环(23)位于输入光通路(21)与输出光通路(22)之间，谐振环(23) —侧通过输入稱合器(26)与输入光通路(21)相连，谐振环(23 )另ー侧通过输出耦合器(27 )与输出光通路(22 )相连，构成透射式光波导谐振腔；谐振环(23)的两臂分别刻蚀有第一倾斜波导光栅(24)、第二倾斜波导光栅(25),第一倾斜波导光栅(24)和第二倾斜波导光栅(25)反射界面与光线传输方向成大于O度小于90度的夹角、刻蚀深度大于零且小于光波导芯片(20)芯层厚度的波导光柵；光波导芯片(20)本体上设有上包层和下包层,上包层的材料、第一倾斜波导光栅(24)和第ニ倾斜波导光栅(25)的填充介质为负热光系数的材料构成，负热光系数的材料为含氟丙烯酸酯共聚物。
全文摘要
本发明公开了一种具有温度稳定性的光波导谐振腔技术。在光波导芯片本体上设有输入/输出光通路与谐振环；输入/输出光通路的两端位于光波导芯片本体的边缘；输入/输出光通路与谐振环通过输入/输出耦合器相连，构成光波导谐振腔；光波导芯片本体上设有上包层和下包层，上包层的材料为负热光系数材料，负热光系数材料为含氟丙烯酸酯共聚物。谐振环上还可刻蚀倾斜波导光栅，倾斜波导光栅的填充介质也为含氟丙烯酸酯共聚物。本发明改善了光波导谐振腔的温度特性，降低了其对谐振伺服回路性能的要求，能够应用在谐振式光学陀螺等其他领域，具有重要的科学意义与应用价值。
文档编号G01C19/66GK102645214SQ20121010352
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者金仲和, 陈振, 马慧莲 申请人:浙江大学