一種基于MZI的聚合物光波導加速度計*

萬峰華,胡 威,張 彤

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096;3.東南大學蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123;4.空軍勤務學院航空四站系,江蘇 徐州 221000)

一種基于MZI的聚合物光波導加速度計*

萬峰華1,3,胡 威4,張 彤1,2,3*

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096;3.東南大學蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123;4.空軍勤務學院航空四站系,江蘇 徐州 221000)

提出了一種基于馬赫增德爾干涉儀(MZI)的聚合物光學波導加速度計。理論推導了MZI結構的傳輸函數,仿真分析了懸臂梁結構參數與器件靈敏度的關系,制備得到了4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導的傳感芯片。搭建了集成光學加速度測試系統,采用比較校準法對探測器輸出電壓信號進行標定,實現了傳感芯片因施加加速度后輸出光強變化的測試,完成了加速度測量。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態范圍為±2gn。

光學傳感器;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,地震監測,慣性導航與制導系統常用的重要傳感器,廣泛地應用于慣性導航、姿態控制、工業自動化、自動駕駛和機器人等領域。目前加速度傳感器種類繁多,根據光信號的調制方式可分為光強調制型、相位調制型、波長(或頻率)調制型。強度調制型集成光學加速度傳感器的結構一般比較簡單,檢測光路也易于實現,但所能達到的靈敏度有限而多應用在精度要求不太高的場合[1];波長調制型集成光學加速度傳感器可以排除各種光強起伏引起的干擾,具有很高的可靠性和穩定性[2-5];相位調制型集成光學加速度傳感器的檢測精度高,動態范圍大,特別適合要求高性能加速度傳感的領域[6-9]。隨著集成光波導技術的發展,利用光波導傳感技術、集成電子技術將各種不同的光波導與光纖集成為一體來測量質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的加速度。集成化光波導傳感器與光纖傳感器相比,它減少了很多分立光學元件,結構更加緊湊,有望解決傳統光纖傳感器微型化和批量生產時遇到的裝配困難及長期穩定性問題[10-11]。由于光波導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、溫差較大的環境中使用等優點,因而成為了近年來加速度計研究領域的重要研究方向。最新發展的利用EpoCore和Su-8作為功能材料的聚合物光波導加速度計已經實現[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聚合物光波導加速度計。理論推導了MZI結構的傳輸函數。仿真分析了懸臂梁結構參數和器件靈敏度關系。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聚合物光波導加速度計,并對加速度傳感芯片進行了性能測試。

圖1 基于MZ干涉的柔性集成光波導加速度計示意圖

1 理論研究與仿真分析

基于MZI光波導加速度計原理示意圖如圖1所示。光學加速度計是由聚合物波導和襯底構成。襯底的制備使懸臂梁末端懸于空氣之中。該結構包含了兩個相同的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,將分支波導設計成S型。為了研究加速度計的傳感特性,輸出光強與MZI結構測量臂中傳輸相位關系推導如下[15]:

(1)

(2)

式中:α是波導的傳輸損耗,參考臂的長度是L1,測量臂的直波導部分長度為l2,彎曲波導的半徑為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,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,前半部分表示光強的直流分量,后半部分表示光強的交流部分。

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R+l2→L時,兩者之間的比例系數最大,通過檢測Δφ的值即可以確定所加載的加速度。在實際應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將相位變化轉變為光強變化,通過式(2)推算出傳輸相位的變化值,實現加速度的檢測。加速度計的靈敏度很大程度上受到懸臂梁結構參數的影響,調節懸臂梁的楊氏模量、幾何尺寸以及質量塊的質量可改變加速度傳感器靈敏度大小。

衰減系數為:10-5 μm-1圖2 在不同懸臂梁參數下,加速度與強度響應圖

為了研究強度響應隨懸臂梁參數改變的變化,將波導模式有效折射率設置為1.573,光波波長設為1 550 nm,質量塊的質量為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。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 光波導加速度計制備及測試

集成光學光波導加速度計制備流程圖及實物圖如圖3所示。為了實現器件靈敏度的可調諧,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的聚合物作為波導包層材料,采用旋涂、光刻、顯影、蒸鍍、刻蝕和腐蝕等工藝,實現了4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導制備。

圖3 集成光波導加速度計制備流程圖及實物圖

在測試加速度傳感芯片的性能之前,波導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一端,在芯片輸出端放置CCD,實時監視波導芯片與光纖陣列的耦合對準情況。當輸出光斑達到最佳后,用紫外固化膠將光纖陣列和波導芯片進行固定。另一端的光纖與波導芯片對接如上述所述。圖3(h)表示的是經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構的傳感臂和參考臂構成。圖3(g)圖為傳感芯片粘貼在振動臺上實物圖,為了檢測傳感芯片隨外界振動變化的輸出光強改變,在柔性懸臂梁粘貼一質量塊。

集成光波導加速度計測試系統原理框圖如圖4所示,光從可調諧激光器饋入基于MZI加速度傳感器中,驅動模塊由函數發生器和功率放大器構成,函數發生器產生信號經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轉換電路、信號解調電路、電壓輸出電路構成,其中模擬信號處理電路由信號轉換、抗混疊濾波和放大電路構成。同時在振動臺上放置相應基準加速度計,采用比較校準法對探測器輸出電壓進行標定,實現傳感芯片因施加加速度后輸出光強變化的測試,完成加速度的測量。

圖4 集成光波導加速度計測試系統原理框圖

表1為傳感芯片加速度標定表,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 傳感芯片加速度標定表(頻率60 Hz)

圖5 集成光波導加速度計標定測試圖

圖5展示了集成光波導加速度計標定測試圖。為使傳感芯片隨加速度變化的幅值最大,調節振動臺的振動頻率為60 Hz,通過調節驅動電壓大小,給振動臺提供不同加速度激勵。基準加速度計實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,從而實現加速度傳感芯片的標定。標定后,根據傳感芯片輸出電壓值得到相應的加速度值。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態范圍為±2gn。

3 結論

提出一種基于馬赫增德爾干涉儀(MZI)的聚合物光學波導加速度計。理論推導了MZI結構的傳輸函數,仿真分析了懸臂梁結構參數與器件靈敏度的關系,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的聚合物作為波導包層材料,得到4 μm×4 μm單模傳輸芯層波導。搭建了集成光學加速度測試系統,采用比較校準法對探測器輸出光強信號進行標定,實現了傳感芯片因施加加速度后輸出光強變化的測試,完成加速度的測量。該加速度傳感芯片分辨率為10-2gn,動態范圍為±2gn。通過優化設計波導結構及懸臂梁結構參數,有望實現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

項目來源:教育部博士點基金項目(20110092110016,20130092120024);國家自然科學基金青年基金項目(61307066);江蘇省自然科學基金青年基金項目(BK20130630);教育部微慣性儀表與先進導航技術重點實驗室開放基金項目(201402);江蘇省高校品牌專業建設工程資助項目

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