基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片制造技术

本发明专利技术公开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。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

【技术实现步骤摘要】
基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片


[0001]本专利技术属于集成光学和惯性传感
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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术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。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术包括宽谱光源、模斑转换器、光隔离器、敏感单元、上电极、下电极、F
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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；
[0009]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；
[0010]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
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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。
[0011]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；
[0012]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
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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；
[0013]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。
[0014]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
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P腔进行窄带滤波，光从F
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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。
[0015]第一环形波导的内径比第二环形波导的内径大2
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4um。
[0016]所述微椭圆盘的圆心与第一环形波导的圆心之间距离150
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220nm。
[0017]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。
[0018]所述的宽谱光源采用SLD光源或ASE光源。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]本专利技术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。
[0021]本专利技术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。
[0022]本专利技术的第一光功率计探测经过F
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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
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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。
[0023]本专利技术的解调反馈电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于级联双环谐振腔游标效应的光学加速度计芯片，其特征在于，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
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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)；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)；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)；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
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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
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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)；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)平行布置，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)还分别与上电极(5)和下电极(6)电连接。2.根据权利要求1所述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，其特征在于，所述敏感单元(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)；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
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P腔(7)相连，第一直波导(46)一侧的二氧化硅氧化层(48)和铌酸锂单晶薄膜层(23)共同刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘玄，刘亚康，孙培基，毕然，陈侃，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：