專利名稱：應力自補償波導諧振腔及諧振式集成光學陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學探測設備領(lǐng)域，尤其涉及一種應力自補償波導諧振式集成光學陀螺及其制作方法。
背景技術(shù)：
集成光學陀螺的基本原理是光學薩格納克(Sagnac)效應，當外界存在旋轉(zhuǎn)角速度時，會引起諧振腔中順、逆時針方向傳輸?shù)墓獾念l率差，此頻率差與承載諧振腔轉(zhuǎn)動的載體的角速度成正比例關(guān)系，通過頻率差即可以間接測量載體的角速度。集成光學陀螺與其它類型的陀螺相比相應的優(yōu)勢如與光纖陀螺相比，體積小、成本低；與MEMS陀螺相比，抗沖擊能力強、耐震動、環(huán)境不敏感、抗電磁能力強、工作壽命長；與環(huán)形激光陀螺相比，無高壓電源驅(qū)動、無機械抖動、成本低；與微鏡式M0EMS陀螺相比，加工工藝簡單、光路易調(diào)節(jié)、抗震動、性能更加穩(wěn)定?；谏鲜龅母鞣N優(yōu)勢，集成光學陀螺成為目前慣性領(lǐng)域研究的熱點之一。
由于波導結(jié)構(gòu)諧振腔自身特性的優(yōu)勢，集成光學陀螺中的關(guān)鍵部件也采用硅基二氧化硅材料的波導諧振腔，硅基二氧化硅材料的優(yōu)勢主要集中在材料損耗比較低，材料加工的一致性比較好，模場匹配度高等方面，但由于硅基二氧化硅材料的溫度的敏感性，導致波導諧振腔受環(huán)境溫度影響較大，易因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力對波導結(jié)構(gòu)諧振腔內(nèi)的硅基波導通道造成不利影響，降低使用波導結(jié)構(gòu)諧振腔的集成光學陀螺的測量精度
發(fā)明內(nèi)容
基于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明實施方式的目的是提供一種應力自補償波導諧振腔及諧振式集成光學陀螺，解決傳統(tǒng)的集成光學陀螺受環(huán)境溫度影響大，制約其極限精度的問題
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明實施方式提供一種應力自補償波導諧振腔，該諧振腔包括硅襯底，在硅襯底上設有緩沖層和二氧化硅層，二氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導，摻磷二氧化硅環(huán)形波導上設有三個光耦合器，在摻磷二氧化硅環(huán)形波導上面涂覆補償該環(huán)形波導應力的應力補償層。
所述涂覆的應力補償層為涂覆具有負熱膨脹系數(shù)的材料形成的應力補償層。
所述負熱膨脹系數(shù)的材料為聚二曱基硅氧烷PDMS材料。
所述應力補償層的面積與摻磷二氧化硅環(huán)形波導的面積相同。
所述二氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導具體是由若干直波導與若
干彎曲波導連接后構(gòu)成的跑道形波導諧振腔。
所述三個耦合器均為由直波導和彎曲波導組成的腔外耦合器。
本發(fā)明實施方式還提供一種基于上述中任一項所述的應力自補償波導諧
振腔的集成光學陀螺，包括
檢測與控制模塊和光電混合模塊，所述光電混合模塊中設有波導諧振
腔，所述波導諧振腔采用上述權(quán)利要求l - 6任一項中所述的應力自補償波導
諧振腔；
其中，所述檢測與控制模塊，與所述光電混合模塊連接，用于檢測光電混合模塊輸出的信號作為反饋信號，并根據(jù)反饋信號控制光電混合模塊中的光源，并對其輸出的光進行調(diào)制后，使進入波導諧振腔中順、逆?zhèn)鞑サ墓饩a(chǎn)生諧振；
所述光電混合模塊的探測器輸出端分別與所述檢測與控制模塊的信號輸入處理端連接，用于將光電混合模塊的波導諧振腔輸出的信號反饋至檢測與控制模塊。
所述光電混合模塊具體包括
光源、集成光學調(diào)制器、應力自補償波導諧振腔和兩個探測器；
光源的輸出端與所述集成光學調(diào)制器連接，集成光學調(diào)制器的兩中輸出與所述應力自補償波導諧振腔輸入端連接，所述應力自補償波導諧振腔的兩路輸出分別與 一個探測器連接。
所述光源為窄譜激光光源。
所述檢測與控制模塊具體包括
信號處理電路、兩路輸入信號處理電路、兩路次反饋環(huán)路和主反饋環(huán)
路；
其中，兩路輸入信號處理電路分別與信號處理電路連接，用于分別與外部的兩個探測器連接，引入兩個探測器將兩個光學波導諧振腔輸出的光信號轉(zhuǎn)化后的電信號；任一路輸入信號處理電路均由前置放大電路、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D順次連接而成；
兩路次反饋環(huán)路分別與信號處理電路的兩路控制輸出端連接，用于分別連接外部的兩個相位調(diào)制器，控制兩個相位調(diào)制器對光源輸出光的相位進行模擬調(diào)制；任一路次反饋環(huán)路均由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、模擬緩沖放大器連接而成；
主反饋環(huán)路與信號處理電路的光源控制輸出端連接，用于連接外部光源，調(diào)節(jié)光源出射光產(chǎn)生移頻；主反饋環(huán)路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、電壓變換電路和PZT頻率調(diào)節(jié)電路順次連接而成。
由上述本發(fā)明實施方式提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施方式中通過在波導諧振腔內(nèi)硅襯底上二氧化硅層內(nèi)的摻磷二氧化硅環(huán)形波導上，涂覆補償溫度變化影響造成摻磷二氧化硅環(huán)形波導應力的應力補償層，通過該應力補償層可以很好的抵消摻磷二氧化硅環(huán)形波導受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力，從而避免因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生應力，對波導諧振腔的傳播光的影響，達
6到提高使用該波導諧振腔的集成光學陀螺測量精度的效果。


圖l為本發(fā)明實施例的應力自補償波導諧振腔的外觀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例的應力自補償波導諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例的應力自補償波導諧振腔的截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例的應力自補償波導諧振腔的生產(chǎn)工藝示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例的基于應力自補償波導諧振腔的集成光學陀螺的電路 框圖6為本發(fā)明實施例的集成光學陀螺中光電混合模塊的光路示意圖7為本發(fā)明實施例的集成光學陀螺中檢測與控制電路模塊的電路框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施方式提供一種應力自補償波導諧振腔及諧振式集成光學陀 螺，該應力自補償波導諧振腔具體包括硅襯底，在硅襯底上設有緩沖層和 二氧化硅層，二氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導，摻磷二氧化硅環(huán)形 波導上設有三個光耦合器，在摻磷二氧化硅環(huán)形波導上面涂覆補償該環(huán)形波 導應力的應力補償層。通過增設的應力補償層可以很好的抵消摻磷二氧化硅 環(huán)形波導受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力，從而避免因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生應力對 波導諧振腔的傳播光的影響，達到提高使用該波導諧振腔的集成光學陀螺測 量精度的效果。
為便于對本發(fā)明實施方式的理解，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明 作進一步說明。 實施例一
本實施例提供一種應力自補償波導諧振腔，可用在集成光學陀螺中，如 圖l-3所示，該諧振腔具體包括硅襯底l，在硅襯底1上形成有緩沖層2和二氧化硅層3， 二氧化硅層3中形 成有用于光傳播的摻磷二氧化硅環(huán)形波導4，環(huán)形波導4具體是由若干段直波 導通過若干段彎曲波導連接構(gòu)成跑道形波導通道，環(huán)形波導上設有三個光耦 合器C1、 C2和C3，在二氧化硅層3上涂覆補償摻磷二氧化硅環(huán)形波導4應力的 應力補償層5，所述涂覆的應力補償層5的材料為負熱膨脹系數(shù)的材料(因為 摻磷二氧化硅環(huán)形波導具有正熱膨脹系數(shù)，兩者受溫度產(chǎn)生的應力可以相互 抵消，達到應力補償?shù)淖饔?，負熱膨脹系數(shù)材料可以采用聚二曱基硅氧烷 PDMS材料，也可以是其它具有負熱膨脹系數(shù)材料，只要可以補償由摻磷二氧 化硅材料制成的環(huán)形波導的應力即可，應力補償層5的面積與摻磷二氧化硅環(huán) 形波導的面積相同，應力補償層5的厚度可以根據(jù)使用的具體材料來確定，達 到有效補償環(huán)形波導的應力即可；圖2中的I1、 12為波導通道的輸入端，01、 02為波導通道的輸出端。
參照圖4所示，結(jié)合制作的過程，對上述應力自補償波導諧振腔作進一步 說明，首先說明的是圖中的201為硅基底，202為緩沖層，203為二氧化硅層， 204為光刻膠，205為摻磷二氧化硅環(huán)形波導，206為掩;^莫板，207為應力補償 層，制作過程具體按下述步驟進行
步驟21，硅襯底作為基底；
步驟22、 23，在硅襯底上生長緩沖層和二氧化硅層；
步驟24,在二氧化硅波導層上涂光刻膠；
步驟25,利用光刻工藝形成環(huán)形波導圖形；
步驟2 6,利用腐蝕工藝去除環(huán)形波導圖形上的光刻膠；
步驟27,根據(jù)環(huán)形波導圖形，采用質(zhì)子交換工藝將磷離子交換形成摻磷 二氧化硅環(huán)形波導結(jié)構(gòu)；
步驟28 ，利用腐蝕工藝去除摻磷二氧化硅環(huán)形波導區(qū)外的光刻膠；
步驟29,在摻磷二氧化硅環(huán)形波導上涂覆聚二曱基硅氧烷PDMS材料形成 應力補償層。通過上述步驟處理后，即得到雙層結(jié)構(gòu)的應力自補償波導諧振腔。 本發(fā)明實施例中的波導諧振腔，由于增設應力補償層，通過該應力補償 層可以很好的抵消摻磷二氧化硅環(huán)形波導受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力，從而 避免因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生應力對波導諧振腔的傳播光的影響，達到提高使用 該波導諧振腔的集成光學陀螺測量精度的效果。 實施例二
本實施例提供一種集成光學陀螺，是基于上述實施例一中的應力自補償
波導諧振腔的集成光學陀螺，如圖5所示，該集成光學陀螺具體包括
檢測與控制模塊和光電混合模塊，光電混合模塊中集成有波導諧振腔， 波導諧振腔釆用實施例一中所述的應力自補償波導諧振腔；
在該集成光學陀螺中，檢測與控制模塊與光電混合模塊連接，用于檢測 光電混合模塊輸出的信號作為反饋信號，并根據(jù)反饋信號控制光電混合模塊 中的光源，并對光源輸出的光進行調(diào)制后，進入波導諧振腔進行傳播產(chǎn)生薩 格納克Sagnac效應；具體是從光電混合模塊輸出的信號中提取出能反映載體 旋轉(zhuǎn)角速率的物理量，并且根據(jù)該物理量分別改變控制光源出射光頻率變化 的PZT電壓和集成光學調(diào)制器的調(diào)制電壓，實現(xiàn)對光路的反饋，最終達到使在 諧振腔中順逆時針傳播的光路都諧振的目的；
所述光電混合模塊的探測器輸出端分別與所述檢測與控制模塊的信號輸 入處理端連接，用于將光電混合模塊的波導諧振腔輸出的信號反饋至檢測與 控制模塊。
上述集成光學陀螺中，光電混合模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括光 源、集成光學調(diào)制器、應力自補償波導諧振腔和兩個探測器；
其中，光源的輸出端與所述集成光學調(diào)制器連接，集成光學調(diào)制器的兩 中輸出與所述應力自補償波導諧振腔輸入端連接，所述應力自補償波導諧振 腔的兩路輸出分別與 一個探測器連接。
實際中，光電混合模塊的各部件集成為一體結(jié)構(gòu)，是一種集成式的芯
9片，它的光源可以采用窄譜激光LD光源，集成光學調(diào)制器可以采用鈮酸鋰 (LiNi03)材料的Y型波導，可以實現(xiàn)50°/。 50%的精確分光和推^免式電壓調(diào) 制。應力自補償波導諧振腔采用低損耗(0. OldB/cm)的硅基二氧化硅材料制 作，其內(nèi)部的波導結(jié)構(gòu)采用對稱性設計，主要由兩層結(jié)構(gòu)組成 一層為硅基 二氧化波導層，即為導光層，硅波導層上的第二層為聚二甲基硅氧烷PDMS涂 敷層，即應力補償層，在硅波導層的波導通道上的三個耦合器C1、 C2、 C3 中，Cl、 C2為腔外耦合器其分光比可以設計為50。/。 50°/。分光，C3的光比設計 為85%: 15%分光；該應力自補償波導諧振腔的光路如圖6所示，光源發(fā)出的光 經(jīng)集成光學調(diào)制器分成兩束光后，進入應力自補償波導諧振腔傳播，傳播過 程中在順、逆時針兩個方向均產(chǎn)生諧振，當外界存在旋轉(zhuǎn)角速度時，會引起 波導諧振腔中順、逆時針方向傳輸?shù)墓獾念l率差，此頻率差與外界角速度成 正比例關(guān)系，間接的測量載體的角速度。而應力自補償式集成光學陀螺采用 增設應力補償層的方式形成雙層結(jié)構(gòu)可以抵消外界環(huán)境溫度的影響。
上述集成光學陀螺中的^r測與控制模塊如圖7所示，具體包括信號處理
電路、兩路輸入信號處理電路、兩路次反饋環(huán)路和主反饋環(huán)路；
其中，兩路輸入信號處理電路分別與信號處理電路連接，用于分別與外 部的兩個探測器連接，引入兩個探測器將兩個光學波導諧振腔輸出的光信號 轉(zhuǎn)化后的電信號；任一路輸入信號處理電路均由前置放大電路、濾波器和模 數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D順次連接而成；
兩路次反饋環(huán)路分別與信號處理電路的兩路控制輸出端連接，用于分別 連接外部的兩個相位調(diào)制器，控制兩個相位調(diào)制器對光源輸出光的相位進行 模擬調(diào)制；任一路次反饋環(huán)路均由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、模擬緩沖放大器連接而
成5 、
主反饋環(huán)路與信號處理電路的光源控制輸出端連接，用于連接外部光 源，調(diào)節(jié)光源出射光產(chǎn)生移頻；主反饋環(huán)路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、電壓變換電路 和PZT頻率調(diào)節(jié)電路順次連4妄而成。本發(fā)明實施例的應力自補償波導諧振腔作為集成光學陀螺的核心敏感元 件，結(jié)合圖2可知，當逆時針傳輸?shù)墓饨?jīng)由圖2中的波導諧振腔的輸入端I1輸 入端進入諧振腔中進行傳播， 一小部分光從硅基二氧化硅諧振腔中耦合射
出，大部分光繼續(xù)在硅基二氧化硅諧振腔中傳播。順時針傳輸?shù)墓饨?jīng)由I2輸
入端進入諧振腔中進行傳播， 一小部分光從硅基二氧化硅諧振腔中耦合射 出，大部分光繼續(xù)在硅基二氧化硅諧振腔中傳播。其中硅基二氧化硅波導耦
合器C3的分光比為95。/。 5%,以達到最佳的諧振深度和諧振清晰度，其余兩個 耦合器Cl, C2的分光比為50y。 50%。
檢測與控制模塊對光電混合模塊的光信號進行調(diào)制，并且根據(jù)該物理量 分別改變控制光源出射光頻率變化的PZT電壓和集成光學調(diào)制器的調(diào)制電壓， 實現(xiàn)對光路的反饋，使得能夠從光電混合模塊的探測器輸出的信號中提取出 能反映載體旋轉(zhuǎn)角速率的物理量，最終實現(xiàn)陀螺角速度^r測的目的。
綜上所述，本發(fā)明實施例中通過在諧振腔的波導層上涂敷應力補償層形 成雙層結(jié)構(gòu)，由于兩層結(jié)構(gòu)具有正負相反的熱膨脹系數(shù)，可以進行應力自補 償，可以實現(xiàn)對外界溫度變化引起結(jié)構(gòu)形變進行自補償，有效的減小了外界 溫度的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，可行性強的特點。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1、一種應力自補償波導諧振腔，其特征在于，該諧振腔包括硅襯底，在硅襯底上設有緩沖層和二氧化硅層，二氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導，摻磷二氧化硅環(huán)形波導上設有三個光耦合器，在摻磷二氧化硅環(huán)形波導上面涂覆補償該環(huán)形波導應力的應力補償層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應力自補償波導諧振腔，其特征在于，所述涂 覆的應力補償層為涂覆具有負熱膨脹系數(shù)的材料形成的應力補償層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應力自補償波導諧振腔，其特征在于，所述負 熱膨脹系數(shù)的材料為聚二曱基硅氧烷PDMS材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應力自補償波導諧振腔，其特征在于，所述 應力補償層的面積與揭"疇二氧化硅環(huán)形波導的面積相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應力自補償波導諧振腔，其特征在于，所述二 氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導具體是由若干直波導與若干彎曲波導 連接后構(gòu)成的跑道形波導諧振腔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應力自補償波導諧振腔，其特征在于，所述三 個耦合器均為由直波導和彎曲波導組成的腔外耦合器。
7、 一種基于上述權(quán)利要求l - 6中任一項所述的應力自補償波導諧振腔的 集成光學陀螺，其特征在于，包括檢測與控制模塊和光電混合模塊，所述光電混合模塊中設有波導諧振 腔，所述波導諧振腔釆用上述權(quán)利要求l - 6任一項中所述的應力自補償波導 諧振腔；其中，所述檢測與控制模塊，與所述光電混合模塊連接，用于檢測光電 混合模塊輸出的信號作為反饋信號，并根據(jù)反饋信號控制光電混合模塊中的 光源，并對其輸出的光進行調(diào)制后，使進入波導諧振腔中順、逆?zhèn)鞑サ墓饩?產(chǎn)生諧振；所述光電混合模塊的探測器輸出端分別與所述檢測與控制模塊的信號輸入處理端連接，用于將光電混合模塊的波導諧振腔輸出的信號反饋至檢測與 控制模塊。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成光學陀螺，其特征在于，所述光電混合模 塊具體包括光源、集成光學調(diào)制器、應力自補償波導諧振腔和兩個探測器； 光源的輸出端與所述集成光學調(diào)制器連接，集成光學調(diào)制器的兩中輸出與所述應力自補償波導諧振腔輸入端連接，所述應力自補償波導諧振腔的兩路輸出分別與 一個探測器連接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成光學陀螺，其特征在于，所述光源為窄譜 激光光源。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成光學陀螺，其特征在于，所述;^測與控制 模塊具體包括信號處理電路、兩路輸入信號處理電路、兩路次反饋環(huán)路和主反饋環(huán)路；其中，兩路輸入信號處理電路分別與信號處理電路連接，用于分別與外 部的兩個探測器連接，引入兩個探測器將兩個光學波導諧振腔輸出的光信號 轉(zhuǎn)化后的電信號；任一路輸入信號處理電路均由前置放大電路、濾波器和模 數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D順次連接而成；兩路次反饋環(huán)路分別與信號處理電路的兩路控制輸出端連接，用于分別 連接外部的兩個相位調(diào)制器，控制兩個相位調(diào)制器對光源輸出光的相位進行 模擬調(diào)制；任一路次反饋環(huán)路均由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、模擬緩沖放大器連接而成；主反饋環(huán)路與信號處理電路的光源控制輸出端連接，用于連接外部光 源，調(diào)節(jié)光源出射光產(chǎn)生移頻；主反饋環(huán)路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、電壓變換電路 和PZT頻率調(diào)節(jié)電路順次連接而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應力自補償波導諧振腔及諧振式集成光學陀螺。屬于光學探測領(lǐng)域。硅襯底，在硅襯底上設有緩沖層和二氧化硅層，二氧化硅層中設有摻磷二氧化硅環(huán)形波導，摻磷二氧化硅的環(huán)形波導上設有三個光耦合器，在摻磷二氧化硅環(huán)形波導上面涂覆補償該環(huán)形波導應力的應力補償層。這種結(jié)構(gòu)的應力自補償波導諧振腔，通過涂覆的應力補償層可以很好的抵消二氧化硅層中的摻磷二氧化硅環(huán)形波導受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應力，從而避免因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生應力，對波導諧振腔的傳播光的影響，達到提高使用該波導諧振腔的集成光學陀螺測量精度的效果。
文檔編號G02B6/34GK101477227SQ20091007717
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者于懷勇, 馮麗爽, 劉惠蘭, 張春熹, 洪靈菲, 行 胡 申請人:北京航空航天大學