一种弹光型光子晶体波导加速度计的制作方法

本发明属于集成光学和传感技术领域，具体是一种基于弹光效应的光子晶体波导马赫曾德干涉式加速度计。

背景技术：

加速度计作为一种重要的测量仪器，在当前科学研究、生产制造等方面有着广泛的应用。近年来，加速度计的研究取得了长足进步，已经大量应用在各个领域，如振动传感、制导系统、刹车系统控制、石油地震勘探以及作为有源悬浮控制系统的反馈信号等。迄今为止，人们利用转换原理实现了各类加速度计，如电容型、压缩电阻型、霍尔效应型、磁阻型、热传递型以及基于各种光学效应的加速度计。相比电学加速度计，光学加速度计具有精度高、抗电磁干扰能力强等诸多优点。光学加速度计主要采用光传感技术来测量检测质量块受外界加速度影响时所产生的位移，其主要工作原理是由光源发出光波信号经过传输光路到达振动检测点，当该检测点受到外界加速度的影响时就会使光波的强度、振幅、相位等参量发生变化，通过对调制后的光信号进行相应的检测与处理，实现检测外界加速度的目的。

集成光学技术的急速发展，使得微机电系统（mems，microelectronicmechanicalsystem）结构与微光学器件的集成成为可能，从而形成了一种更加先进的技术——微光机电系统（moems，micro-opticalelectronicmechanicalsystem），它是一种将微光学技术与mems技术相结合的微系统技术。moems是一种当前性能最佳、精度最高、知识密集度最高的微系统。将mems引入光学领域在近十年来得到了广泛关注，而且由于微光学的引入体现了moems的先进性、高技术性和多功能性，因此moems是mems未来的一个发展方向。近十年来，随着集成光学的急速发展，半导体激光、光波导、微透镜、微光栅、微干涉得到了快速发展，这些技术同时促进着moems技术的飞速发展。相对于mems加速度计，moems加速度计具有两项突出的优势；高精度的光学传感特点有望使微加速度计的测量精度获得极大突破；光学传感天然具备抗电磁干扰能力，适宜于强电磁干扰、强腐蚀的工作环境。

但是现有微加速度计存在如下三个方面的问题：

（1）未能实现调制解调与传感光路的一体化集成；调制解调在高精度光学传感中是必不可少的部分，调制解调可以抑制调制频率以外的干扰信号从而实现微弱信号的提取，调制解调还可以通过闭环反馈控制扩大探测的量程，而现有的微加速度计未能实现调制解调与传感光路的一体化集成，多采用光纤与另一调制解调器件相连接，如此方式增加了器件体积、降低了器件的集成度和可靠性；

（2）亟需进一步提高加速度计的探测灵敏度、降低器件的体积；

（3）亟需进一步提高加速度计的环境适应性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种弹光型光子晶体波导加速度计，发挥moems加速度计的性能优势，实现加速度计的小型化、集成化、高精度和高带宽。

本发明采用的技术方案是：

一种弹光型光子晶体波导加速度计，包括输入波导、输出波导、马赫曾德干涉结构和微悬梁结构；马赫曾德干涉结构包括输入端y分支波导、输出端y分支波导、参考臂光子晶体波导、信号臂光子晶体波导，和金属调制电极，输入波导连接输入端y分支波导，输入端y分支波导的两分支端分别连接参考臂光子晶体波导和信号臂光子晶体波导，参考臂光子晶体波导和信号臂光子晶体波导连接输出端y分支波导的两分支端，输出端y分支波导连接输出波导；所述的输入端y分支波导的参考臂与信号臂等长，输出端y分支波导的参考臂与信号臂等长，所述的参考臂光子晶体波导和信号臂光子晶体波导等长；马赫曾德干涉结构位于铌酸锂晶体层，铌酸锂晶体层向下依次为二氧化硅隔层、硅基底；参考臂光子晶体波导和信号臂光子晶体波导相互平行，波导两端的两侧均设置有金属调制电极；信号臂光子晶体波导中部的两侧刻蚀有凹形通孔，形成微悬梁结构。

所述的微悬梁结构包括微悬梁和质量块，由信号臂光子晶体波导中部的两侧刻蚀凹形通孔形成，微悬梁和信号臂光子晶体波导平行，质量块位于微悬梁的正中部，并凸出垂直于信号臂光子晶体波导。

所述的参考臂光子晶体波导和信号臂光子晶体波导均为慢光增强光子晶体波导。

所述的输入波导、输出波导、输入端y分支波导、输出端y分支波导为脊波导，由铌酸锂晶体层表面刻蚀形成。

本发明的有益之处在于：

1）本发明选用铌酸锂电光晶体作为传光介质，实现调制与传感光路的单片集成，实现系统的小型化、高精度、高可靠和大量程；

2）本发明采用慢光增强技术，采用光子晶体结构实现弹光和电光效应增强并实现偏振控制，降低器件尺寸，进一步提高探测极限；

3）本发明在光路设计上参考臂和信号臂等长，两路干涉光等光强，提高信号的对比度，而且可以采用白光光源进一步抑制寄生干涉；

4）本发明参考臂和信号臂等长并集成在同一基底上，距离在mm量级，因温度变化引起的两臂相位差变化得到了极大的抑制。

附图说明

图1是弹光型光子晶体波导加速度计的一种整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是微悬梁结构示意图；

图4是加速度计纵向截面材料示意图；

图中：硅基底1、二氧化硅隔层2、铌酸锂晶体层3、输入波导4、输出波导5、输入端y分支波导6、输出端y分支波导7、参考臂光子晶体波导8、信号臂光子晶体波导9、金属调制电极10、微悬梁11、质量块12、凹形通孔13。

具体实施方式

本发明的工作原理是：光信号由输入波导进入马赫曾德干涉结构，光传输到输入端y分支波导处被分为两束光，分别在参考臂和信号臂中传输，信号臂通过微悬梁结构感受外界加速度变化，使得信号臂中的光传输相位发生变化，在输出端y分支波导处双光束相互叠加产生干涉效果，由输出波导输出到光探测器和外围检测电路，测量加速度引起的光信号相位差，实现对加速度的测量。

本发明所述的加速度计采用微悬梁结构敏感加速度变化，当垂直于加速度计所在平面方向的加速度存在时，信号臂中的微悬梁与质量块便会产生位移，使微悬梁结构中的信号臂光子晶体波导发生形变，材料折射率发生改变，进一步影响信号臂中光传输的相位，引起信号臂与参考臂光信号的相位差，通过干涉测量该相位差就能实现对加速度的测量。

本发明所述的加速度计，参考臂和信号臂均制备有慢光增强光子晶体波导，利用光子晶体波导技术增强应力和电场作用下材料折射率的改变，提高探测精度；当有电场或者由应力产生的电场存在时，电场与光场的作用被增强，以此降低器件的调制半波电压，提高加速度计的极限灵敏度。

本发明所述的加速度计，通过选用电光晶体材料并结合光子晶体波导技术、刻蚀技术，实现了微悬梁结构、调制解调、传感光路的一体化集成，充分利用集成光学发展的新技术，最大程度的提高系统的探测精度、集成度和可靠性；调制解调部分能抑制环境噪声对传感的影响并扩展传感的量程；参考臂与信号臂集成于同一基底上并且等长，使两路干涉光等光强，提高信号的对比度，同时可以实现白光光源干涉测量，抑制寄生干涉，提高探测精度；集成于同一基底上使参考臂与信号臂的距离在mm量级，抑制了温度的干扰。

以下结合附图对本发明技术方案作进一步描述。

本发明所提出的一种基于弹光效应的光子晶体波导马赫曾德干涉式加速度计的结构如图1-4所示。

加速度计包括输入波导4、输出波导5、马赫曾德干涉结构和微悬梁结构；马赫曾德干涉结构包括输入端y分支波导6、输出端y分支波导9、参考臂光子晶体波导8、信号臂光子晶体波导9，和金属调制电极10。

马赫曾德干涉结构均位于铌酸锂晶体层3，铌酸锂晶体层3向下依次为二氧化硅隔层2、硅基底1。输入波导4连接输入端y分支波导6，输入端y分支波导6的两分支端分别连接参考臂光子晶体波导8和信号臂光子晶体波导9，参考臂光子晶体波导8和信号臂光子晶体波导9分别连接输出端y分支波导7的两分支端，输出端y分支波导7连接输出波导5；输入波导4、输出波导5、输入端y分支波导6、输出端y分支波导7为脊波导，由铌酸锂晶体层3表面刻蚀形成；参考臂光子晶体波导8和信号臂光子晶体波导9相互平行，波导两端的两侧均设置有金属调制电极10；微悬梁结构包括微悬梁11和质量块12，由信号臂光子晶体波导9中部的两侧刻蚀凹形通孔13形成；微悬梁11和信号臂光子晶体波导9平行，质量块12位于微悬梁11的正中部，并凸出垂直于信号臂光子晶体波导9。

本发明的一种弹光型光子晶体波导加速度计，其光信号由输入波导4进入马赫曾德干涉结构，光传输到输入端y分支波导6处被分为两束光，分别在参考臂和信号臂中传输，信号臂通过微悬梁结构感受外界加速度变化，使得信号臂中的光传输相位发生变化，在输出端y分支波导7处双光束相互叠加产生干涉效果，由输出波导5输出，实现对加速度的测量。

实施例

本发明的一种弹光型光子晶体波导加速度计，白光光源如sld光源或者ase光源，其光信号由输入波导4进入马赫曾德干涉结构，光传输到输入端y分支波导6处被分为两束光，分别在参考臂和信号臂中传输，信号臂通过微悬梁结构感受外界加速度变化，使得信号臂中的光传输相位发生变化，在输出端y分支波导7处双光束相互叠加产生干涉效果，由输出波导5输出到光探测器和外围检测电路，测量加速度引起的光信号相位差，实现对加速度的测量。

加速度计采用微悬梁结构敏感加速度变化，当垂直于加速度计所在平面方向的加速度存在时，信号臂中的微悬梁11与质量块12便会产生位移，使微悬梁结构中的信号臂光子晶体波导9发生形变，材料折射率发生改变，进一步影响信号臂中光传输的相位，引起信号臂与参考臂光信号的相位差，通过干涉测量该相位差就能实现对加速度的测量。

加速度计的马赫曾德干涉结构中，参考臂和信号臂均制备有慢光增强光子晶体波导，分为参考臂光子晶体波导8与信号臂光子晶体波导9，利用光子晶体波导技术增强应力和电场作用下材料折射率的改变，提高探测精度，当有电场或者由应力产生的电场存在时，电场与光场的作用被增强，以此降低器件的调制半波电压，提高加速度计的极限灵敏度。选用硅基衬底和铌酸锂单晶薄膜材料，通过光刻、icp或者rie刻蚀技术制备脊波导，通过fib刻蚀制备光子晶体波导，通过套刻、磁控溅射制备金属电极。选用硅基衬底能利用已有的深硅刻蚀技术实现悬臂梁的加工，选用铌酸锂单晶薄膜能确保制备性能优良的铌酸锂光子晶体波导。

加速度计通过选用铌酸锂晶体这一高品质电光晶体材料并结合光子晶体波导技术、刻蚀技术，实现了微悬梁结构、调制解调、传感光路的一体化集成，充分利用集成光学发展的新技术，最大程度的提高系统的探测精度、集成度和可靠性；调制解调部分能抑制环境噪声对传感的影响并扩展传感的量程；参考臂与信号臂集成于同一基底上并且等长，使两路干涉光等光强，提高信号的对比度，同时可以实现白光光源干涉测量，抑制寄生干涉，提高探测精度；集成于同一基底上使参考臂与信号臂的距离在mm量级，抑制了温度的干扰。