萬峰華,胡 威,張 彤

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;3.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123;4.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系,江蘇 徐州 221000)

一種基于MZI的聚合物光波導(dǎo)加速度計*

萬峰華1,3,胡 威4,張 彤1,2,3*

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;3.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123;4.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系,江蘇 徐州 221000)

提出了一種基于馬赫增德爾干涉儀(MZI)的聚合物光學(xué)波導(dǎo)加速度計。理論推導(dǎo)了MZI結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù),仿真分析了懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與器件靈敏度的關(guān)系,制備得到了4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導(dǎo)的傳感芯片。搭建了集成光學(xué)加速度測試系統(tǒng),采用比較校準(zhǔn)法對探測器輸出電壓信號進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)了傳感芯片因施加加速度后輸出光強(qiáng)變化的測試,完成了加速度測量。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態(tài)范圍為±2gn。

光學(xué)傳感器;加速度;MZI(Mach-Zehnder interferometer);聚合物材料

加速度傳感器是軍械、車輛、船舶等抗沖擊、抗振動測量,地震監(jiān)測,慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)常用的重要傳感器,廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、姿態(tài)控制、工業(yè)自動化、自動駕駛和機(jī)器人等領(lǐng)域。目前加速度傳感器種類繁多,根據(jù)光信號的調(diào)制方式可分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、波長(或頻率)調(diào)制型。強(qiáng)度調(diào)制型集成光學(xué)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)一般比較簡單,檢測光路也易于實(shí)現(xiàn),但所能達(dá)到的靈敏度有限而多應(yīng)用在精度要求不太高的場合[1];波長調(diào)制型集成光學(xué)加速度傳感器可以排除各種光強(qiáng)起伏引起的干擾,具有很高的可靠性和穩(wěn)定性[2-5];相位調(diào)制型集成光學(xué)加速度傳感器的檢測精度高,動態(tài)范圍大,特別適合要求高性能加速度傳感的領(lǐng)域[6-9]。隨著集成光波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,利用光波導(dǎo)傳感技術(shù)、集成電子技術(shù)將各種不同的光波導(dǎo)與光纖集成為一體來測量質(zhì)量塊的慣性力或位移,測量出此慣性力或位移即可測量出相應(yīng)的加速度。集成化光波導(dǎo)傳感器與光纖傳感器相比,它減少了很多分立光學(xué)元件,結(jié)構(gòu)更加緊湊,有望解決傳統(tǒng)光纖傳感器微型化和批量生產(chǎn)時遇到的裝配困難及長期穩(wěn)定性問題[10-11]。由于光波導(dǎo)型傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高及不受電磁干擾、無火花、能在易燃、溫差較大的環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn),因而成為了近年來加速度計研究領(lǐng)域的重要研究方向。最新發(fā)展的利用EpoCore和Su-8作為功能材料的聚合物光波導(dǎo)加速度計已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[12-13]。

在此論文中,提出了一種制備在柔性襯底上的基于非對稱MZI聚合物光波導(dǎo)加速度計。理論推導(dǎo)了MZI結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)。仿真分析了懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)和器件靈敏度關(guān)系。利用先前工作中所提出的特殊剝離工藝[9,14]制備了基于非對稱MZI聚合物光波導(dǎo)加速度計,并對加速度傳感芯片進(jìn)行了性能測試。

圖1 基于MZ干涉的柔性集成光波導(dǎo)加速度計示意圖

1 理論研究與仿真分析

基于MZI光波導(dǎo)加速度計原理示意圖如圖1所示。光學(xué)加速度計是由聚合物波導(dǎo)和襯底構(gòu)成。襯底的制備使懸臂梁末端懸于空氣之中。該結(jié)構(gòu)包含了兩個相同的Y分支和兩個非對稱的臂。在Y分支中,為了降低分離處的傳輸損耗,將分支波導(dǎo)設(shè)計成S型。為了研究加速度計的傳感特性,輸出光強(qiáng)與MZI結(jié)構(gòu)測量臂中傳輸相位關(guān)系推導(dǎo)如下[15]:

(1)

(2)

式中:α是波導(dǎo)的傳輸損耗,參考臂的長度是L1,測量臂的直波導(dǎo)部分長度為l2,彎曲波導(dǎo)的半徑為R,測量臂的總長度L2=2l2+2πR,Δφ是由加速度引起的相移偏移,β=2πNeff/λ是模式傳輸常數(shù),Neff是模式有效折射率,λ是光在真空中的波長。E是柔性襯底的楊氏模量,w,L,t分別是器件的寬度、長度和厚度。式(1)中,前半部分表示光強(qiáng)的直流分量,后半部分表示光強(qiáng)的交流部分。

加速度計靈敏度表示如下[8]:

[L(R+l2)-0.5(R+l2)2]

(3)

式(2)表明測量臂中傳輸相位的變化量與加速度成正比例,可以看出,當(dāng)R+l2→L時,兩者之間的比例系數(shù)最大,通過檢測Δφ的值即可以確定所加載的加速度。在實(shí)際應(yīng)用中光探測器不能直接感知光波相位的變化,必須采用光的干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化,通過式(2)推算出傳輸相位的變化值,實(shí)現(xiàn)加速度的檢測。加速度計的靈敏度很大程度上受到懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,調(diào)節(jié)懸臂梁的楊氏模量、幾何尺寸以及質(zhì)量塊的質(zhì)量可改變加速度傳感器靈敏度大小。

衰減系數(shù)為:10-5 μm-1圖2 在不同懸臂梁參數(shù)下,加速度與強(qiáng)度響應(yīng)圖

為了研究強(qiáng)度響應(yīng)隨懸臂梁參數(shù)改變的變化,將波導(dǎo)模式有效折射率設(shè)置為1.573,光波波長設(shè)為1 550 nm,質(zhì)量塊的質(zhì)量為15 mg。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)分別表示靈敏度隨懸臂梁厚度,寬度,長度和楊氏模量變化響應(yīng)。圖中清楚的展示了靈敏度主要取決于懸臂梁的厚度和楊氏模量,對懸臂梁的寬度和長度并不敏感。其中,懸臂梁的厚度可以通過旋涂工藝精確控制,柔性襯底的楊氏模量可以通過特殊的剝離工藝控制。

2 光波導(dǎo)加速度計制備及測試

集成光學(xué)光波導(dǎo)加速度計制備流程圖及實(shí)物圖如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)器件靈敏度的可調(diào)諧,一種制作在硅片上的柔性多層聚合物襯底的工藝在之前的工作已經(jīng)得到研究[7]。采用折射率為1.573的聚合物作為芯層材料,折射率為1.54的聚合物作為波導(dǎo)包層材料,采用旋涂、光刻、顯影、蒸鍍、刻蝕和腐蝕等工藝,實(shí)現(xiàn)了4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導(dǎo)制備。

圖3 集成光波導(dǎo)加速度計制備流程圖及實(shí)物圖

在測試加速度傳感芯片的性能之前,波導(dǎo)橫截面首先必須拋光、清潔和烘干。紅光(632.8 nm)通過光纖陣列饋入波導(dǎo)一端,在芯片輸出端放置CCD,實(shí)時監(jiān)視波導(dǎo)芯片與光纖陣列的耦合對準(zhǔn)情況。當(dāng)輸出光斑達(dá)到最佳后,用紫外固化膠將光纖陣列和波導(dǎo)芯片進(jìn)行固定。另一端的光纖與波導(dǎo)芯片對接如上述所述。圖3(h)表示的是經(jīng)過制備工藝后得到的傳感芯片紅光通光圖,可以清楚看出該器件由非對稱的馬赫增德爾干涉結(jié)構(gòu)的傳感臂和參考臂構(gòu)成。圖3(g)圖為傳感芯片粘貼在振動臺上實(shí)物圖,為了檢測傳感芯片隨外界振動變化的輸出光強(qiáng)改變,在柔性懸臂梁粘貼一質(zhì)量塊。

集成光波導(dǎo)加速度計測試系統(tǒng)原理框圖如圖4所示,光從可調(diào)諧激光器饋入基于MZI加速度傳感器中,驅(qū)動模塊由函數(shù)發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成,函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號經(jīng)功率放大器饋入振動臺為傳感芯片提供正弦振動激勵信號。MZI加速度傳感器輸出信號經(jīng)光電探測器饋入示波器。光電探測模塊包括光電探測器、信號處理模塊。其中信號處理模塊由模擬信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號解調(diào)電路、電壓輸出電路構(gòu)成,其中模擬信號處理電路由信號轉(zhuǎn)換、抗混疊濾波和放大電路構(gòu)成。同時在振動臺上放置相應(yīng)基準(zhǔn)加速度計,采用比較校準(zhǔn)法對探測器輸出電壓進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)傳感芯片因施加加速度后輸出光強(qiáng)變化的測試,完成加速度的測量。

圖4 集成光波導(dǎo)加速度計測試系統(tǒng)原理框圖

表1為傳感芯片加速度標(biāo)定表,展示了傳感芯片在振動臺所受不同加速度下輸出的電壓值。其中,輸入激光波長為1 550 nm。

表1 傳感芯片加速度標(biāo)定表(頻率60 Hz)

圖5 集成光波導(dǎo)加速度計標(biāo)定測試圖

圖5展示了集成光波導(dǎo)加速度計標(biāo)定測試圖。為使傳感芯片隨加速度變化的幅值最大,調(diào)節(jié)振動臺的振動頻率為60 Hz,通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓大小,給振動臺提供不同加速度激勵?；鶞?zhǔn)加速度計實(shí)時顯示振動臺振動加速度值,通過測試不同加速度下傳感芯片的輸出電壓值,從而實(shí)現(xiàn)加速度傳感芯片的標(biāo)定。標(biāo)定后,根據(jù)傳感芯片輸出電壓值得到相應(yīng)的加速度值。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態(tài)范圍為±2gn。

3 結(jié)論

提出一種基于馬赫增德爾干涉儀(MZI)的聚合物光學(xué)波導(dǎo)加速度計。理論推導(dǎo)了MZI結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù),仿真分析了懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與器件靈敏度的關(guān)系,懸臂梁的厚度與楊氏模量是影響加速度傳感器靈敏度的主要因素。制備并測試了基于聚合物材料和柔性襯底的加速度傳感芯片的傳感性能。采用折射率為1.573的聚合物作為芯層材料,折射率為1.54的聚合物作為波導(dǎo)包層材料,得到4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導(dǎo)。搭建了集成光學(xué)加速度測試系統(tǒng),采用比較校準(zhǔn)法對探測器輸出光強(qiáng)信號進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)了傳感芯片因施加加速度后輸出光強(qiáng)變化的測試,完成加速度的測量。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態(tài)范圍為±2gn。通過優(yōu)化設(shè)計波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù),有望實(shí)現(xiàn)更高靈敏度加速度傳感器。

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A Polymer Optical Waveguide Accelerometer Based on MZI*

WANFenghua1,3,HUWei4,ZHANGTong1,2,3*

(1.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Suzhou Key Laboratory of Metal Nano-Optoelectronic Technology,Suzhou Research Institute of Southeast University,Suzhou Jiangsu 215123,China;4.Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou Jiangsu 221000)

A polymer optical waveguide accelerometer based on Mach-Zehnder Interferometer(MZI)is proposed. The transmission function have been theoretically deduced. The relations between the structure parameters and the device sensitivity are simulated in details. The property of accelerometer based on polymer material and polymer substrate is fabricated and tested. A sensor chip is fabricated which the single mode rectangular waveguide is 4 μm×4 μm. We set up a test system of accelerometer which measure the acceleration using calibration method. The resolution of the accelerometer is 10-2gn,and the dynamic range is±2gn.

optical sensors;acceleration;MZI(Mach-Zehnder Interferometer);polymer material

項(xiàng)目來源:教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20110092110016,20130092120024);國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61307066);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20130630);教育部微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(201402);江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目

2016-05-17 修改日期:2016-05-27

TP212

A

1005-9490(2017)03-0521-04

C:7230M

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.001