[發(fā)明專利]一種彈光型光子晶體波導(dǎo)加速度計

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710502565.3
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107478861A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佘玄;楊哲;陳侃;劉承;舒曉武
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01P15/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 林松海

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成光學(xué)和傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于彈光效應(yīng)的光子晶體波導(dǎo)馬赫曾德干涉式加速度計。

背景技術(shù)

加速度計作為一種重要的測量儀器，在當(dāng)前科學(xué)研究、生產(chǎn)制造等方面有著廣泛的應(yīng)用。近年來，加速度計的研究取得了長足進(jìn)步，已經(jīng)大量應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如振動傳感、制導(dǎo)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)控制、石油地震勘探以及作為有源懸浮控制系統(tǒng)的反饋信號等。迄今為止，人們利用轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)了各類加速度計，如電容型、壓縮電阻型、霍爾效應(yīng)型、磁阻型、熱傳遞型以及基于各種光學(xué)效應(yīng)的加速度計。相比電學(xué)加速度計，光學(xué)加速度計具有精度高、抗電磁干擾能力強等諸多優(yōu)點。光學(xué)加速度計主要采用光傳感技術(shù)來測量檢測質(zhì)量塊受外界加速度影響時所產(chǎn)生的位移，其主要工作原理是由光源發(fā)出光波信號經(jīng)過傳輸光路到達(dá)振動檢測點，當(dāng)該檢測點受到外界加速度的影響時就會使光波的強度、振幅、相位等參量發(fā)生變化，通過對調(diào)制后的光信號進(jìn)行相應(yīng)的檢測與處理，實現(xiàn)檢測外界加速度的目的。

集成光學(xué)技術(shù)的急速發(fā)展，使得微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electronic Mechanical System）結(jié)構(gòu)與微光學(xué)器件的集成成為可能，從而形成了一種更加先進(jìn)的技術(shù)——微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS，Micro-Optical Electronic Mechanical System），它是一種將微光學(xué)技術(shù)與MEMS技術(shù)相結(jié)合的微系統(tǒng)技術(shù)。MOEMS是一種當(dāng)前性能最佳、精度最高、知識密集度最高的微系統(tǒng)。將MEMS引入光學(xué)領(lǐng)域在近十年來得到了廣泛關(guān)注，而且由于微光學(xué)的引入體現(xiàn)了MOEMS的先進(jìn)性、高技術(shù)性和多功能性，因此MOEMS是MEMS未來的一個發(fā)展方向。近十年來，隨著集成光學(xué)的急速發(fā)展，半導(dǎo)體激光、光波導(dǎo)、微透鏡、微光柵、微干涉得到了快速發(fā)展，這些技術(shù)同時促進(jìn)著MOEMS技術(shù)的飛速發(fā)展。相對于MEMS加速度計，MOEMS加速度計具有兩項突出的優(yōu)勢；高精度的光學(xué)傳感特點有望使微加速度計的測量精度獲得極大突破；光學(xué)傳感天然具備抗電磁干擾能力，適宜于強電磁干擾、強腐蝕的工作環(huán)境。

但是現(xiàn)有微加速度計存在如下三個方面的問題：

（1）未能實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)與傳感光路的一體化集成；調(diào)制解調(diào)在高精度光學(xué)傳感中是必不可少的部分，調(diào)制解調(diào)可以抑制調(diào)制頻率以外的干擾信號從而實現(xiàn)微弱信號的提取，調(diào)制解調(diào)還可以通過閉環(huán)反饋控制擴(kuò)大探測的量程，而現(xiàn)有的微加速度計未能實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)與傳感光路的一體化集成，多采用光纖與另一調(diào)制解調(diào)器件相連接，如此方式增加了器件體積、降低了器件的集成度和可靠性；

（2）亟需進(jìn)一步提高加速度計的探測靈敏度、降低器件的體積；

（3）亟需進(jìn)一步提高加速度計的環(huán)境適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提出一種彈光型光子晶體波導(dǎo)加速度計，發(fā)揮MOEMS加速度計的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)加速度計的小型化、集成化、高精度和高帶寬。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種彈光型光子晶體波導(dǎo)加速度計，包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、馬赫曾德干涉結(jié)構(gòu)和微懸梁結(jié)構(gòu)；馬赫曾德干涉結(jié)構(gòu)包括輸入端Y分支波導(dǎo)、輸出端Y分支波導(dǎo)、參考臂光子晶體波導(dǎo)、信號臂光子晶體波導(dǎo)，和金屬調(diào)制電極，輸入波導(dǎo)連接輸入端Y分支波導(dǎo)，輸入端Y分支波導(dǎo)的兩分支端分別連接參考臂光子晶體波導(dǎo)和信號臂光子晶體波導(dǎo)，參考臂光子晶體波導(dǎo)和信號臂光子晶體波導(dǎo)連接輸出端Y分支波導(dǎo)的兩分支端，輸出端Y分支波導(dǎo)連接輸出波導(dǎo)；所述的輸入端Y分支波導(dǎo)的參考臂與信號臂等長，輸出端Y分支波導(dǎo)的參考臂與信號臂等長，所述的參考臂光子晶體波導(dǎo)和信號臂光子晶體波導(dǎo)等長；馬赫曾德干涉結(jié)構(gòu)位于鈮酸鋰晶體層，鈮酸鋰晶體層向下依次為二氧化硅隔層、硅基底；參考臂光子晶體波導(dǎo)和信號臂光子晶體波導(dǎo)相互平行，波導(dǎo)兩端的兩側(cè)均設(shè)置有金屬調(diào)制電極；信號臂光子晶體波導(dǎo)中部的兩側(cè)刻蝕有凹形通孔，形成微懸梁結(jié)構(gòu)。

所述的微懸梁結(jié)構(gòu)包括微懸梁和質(zhì)量塊，由信號臂光子晶體波導(dǎo)中部的兩側(cè)刻蝕凹形通孔形成，微懸梁和信號臂光子晶體波導(dǎo)平行，質(zhì)量塊位于微懸梁的正中部，并凸出垂直于信號臂光子晶體波導(dǎo)。

所述的參考臂光子晶體波導(dǎo)和信號臂光子晶體波導(dǎo)均為慢光增強光子晶體波導(dǎo)。

所述的輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、輸入端Y分支波導(dǎo)、輸出端Y分支波導(dǎo)為脊波導(dǎo)，由鈮酸鋰晶體層表面刻蝕形成。

本發(fā)明的有益之處在于：

1）本發(fā)明選用鈮酸鋰電光晶體作為傳光介質(zhì)，實現(xiàn)調(diào)制與傳感光路的單片集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、高精度、高可靠和大量程；