[发明专利]基于迈克尔逊干涉的混合集成光学加速度计

说明书

本发明公开了一种基于迈克尔逊干涉的混合集成光学加速度计。本发明的窄线宽光源的光经过模斑转换器后耦合进入输入波导，沿着第一横向条形槽在2:1型Y波导上实现分光，第一光束先沿着第二横向条形槽通过第三球透镜、第一F‑P腔输入镜和第四球透镜后进入第一弯波导，沿着纵向条形槽通过第五球透镜后在弹簧振子结构的质量块的后表面反射按原路返回，第二光束则先沿着第三横向条形槽进入第二弯波导，沿着纵向条形槽通过第六球透镜后在弹簧振子结构的质量块的前表面反射按原路返回，两束光耦合进入1:2型Y波导分支后直接耦合进入光电探测器。本发明探测灵敏度高，结构紧凑，集成度高，制备工艺简单，可靠性高，抗电磁干扰且具有一定的环境适应性。

技术领域

本发明属于集成光学和惯性传感技术领域的一种光学加速度计，尤其涉及了一种基于迈克尔逊干涉的混合集成光学加速度计。

背景技术

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、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高和易于集成等优点受到了广泛关注并得到了快速发展，已逐渐替代传统的机械传感器成为了微型传感器中的主力军。MEMS加速度计受限于其分辨率和动态范围瓶颈，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。

MOEMS加速度计继承了MEMS加速度计的所有优点，又利用光的优良特性极大地提升了灵敏度。根据加速度计的测量原理和光信号的调制方式，MOEMS加速度计主要分成三类：光强敏感型、波长敏感型和相位敏感型。光强敏感型加速度计结构简单，但精度受限于加速度计中光源功率稳定性，一般不高。波长敏感型加速度计需要使用高精度光谱仪检测光波长的变化，不利于加速度计的小型集成化和商业化，尚且处于实验室研究阶段。相位敏感型加速度计检测波导中光相位的改变量，较小的相位变化就能引起较大的干涉光强变化且不受光源功率波动影响，理论精度高，在加速度传感领域具有广阔的应用前景。

随着惯性技术综合性能的不断提升，应用领域的不断拓展，其一系列产业愈发朝着精度提高、可靠性提升、环境适应性增强、体积减小、质量减轻、功耗降低和成本降低的方向发展。在微纳米技术和微加工工艺等发展推动下，制成高精度的基于迈克尔逊干涉的混合集成光学加速度计已成为可能。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于迈克尔逊干涉的混合集成光学加速度计，其结合了光学性能优异的铌酸锂薄膜材料，具有探测灵敏度高，结构紧凑，集成度高，制备工艺简单，抗电磁干扰，可靠性高和环境适应性好的优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括窄线宽光源、模斑转换器、输入波导、第一横向条形槽、第一球透镜、功率重循环镜、第二球透镜、2:1型Y波导、1:2型Y波导、第二横向条形槽、第三球透镜、第一F-P腔输入镜、第四球透镜、第一上电极、第一下电极、第一弯波导、纵向条形槽、第五球透镜、弹簧振子结构、第六球透镜、第二弯波导、第二上电极、第二下电极、第三横向条形槽、第七球透镜、第二F-P腔输入镜、第八球透镜、光电探测器、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底；

硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层从下到上依次层叠布置，铌酸锂单晶薄膜层上表面通过刻蚀形成输入波导、第一横向条形槽、2:1型Y波导、1:2型Y波导、第一弯波导、第二弯波导、第二横向条形槽、第三横向条形槽和纵向条形槽，2:1型Y波导和1:2型Y波导通过各自的合束端口相连，第二球透镜、功率重循环镜和第一球透镜依次固定安装在第一横向条形槽中，2:1型Y波导两个分支端口中其中一个分支依次经过第二球透镜、功率重循环镜、第一球透镜、输入波导和模斑转换器后与窄线宽光源相连，2:1型Y波导两个分支中另一个分支与光电探测器相连；

第五球透镜、弹簧振子结构和第六球透镜依次固定安装在纵向条形槽中；

1:2型Y波导两个分支中其中一个分支依次经过第三球透镜、第一F-P腔输入镜和第四球透镜后与第一弯波导一端相连，第一弯波导另一端设置连接到纵向条形槽的一端；