一种基于MZI的聚合物光波导加速度计*

万峰华,胡 威,张 彤

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096;3.东南大学苏州研究院苏州金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123;4.空军勤务学院航空四站系,江苏 徐州 221000)

一种基于MZI的聚合物光波导加速度计*

万峰华1,3,胡 威4,张 彤1,2,3*

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096;3.东南大学苏州研究院苏州金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123;4.空军勤务学院航空四站系,江苏 徐州 221000)

提出了一种基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的聚合物光学波导加速度计。理论推导了MZI结构的传输函数,仿真分析了悬臂梁结构参数与器件灵敏度的关系,制备得到了4 μm×4 μm单模传输芯层波导的传感芯片。搭建了集成光学加速度测试系统,采用比较校准法对探测器输出电压信号进行标定,实现了传感芯片因施加加速度后输出光强变化的测试,完成了加速度测量。该加速度传感芯片分辨率为10-2gn,动态范围为±2gn。

光学传感器;加速度;MZI(Mach-Zehnder interferometer);聚合物材料

加速度传感器是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量,地震监测,惯性导航与制导系统常用的重要传感器,广泛地应用于惯性导航、姿态控制、工业自动化、自动驾驶和机器人等领域。目前加速度传感器种类繁多,根据光信号的调制方式可分为光强调制型、相位调制型、波长(或频率)调制型。强度调制型集成光学加速度传感器的结构一般比较简单,检测光路也易于实现,但所能达到的灵敏度有限而多应用在精度要求不太高的场合[1];波长调制型集成光学加速度传感器可以排除各种光强起伏引起的干扰,具有很高的可靠性和稳定性[2-5];相位调制型集成光学加速度传感器的检测精度高,动态范围大,特别适合要求高性能加速度传感的领域[6-9]。随着集成光波导技术的发展,利用光波导传感技术、集成电子技术将各种不同的光波导与光纤集成为一体来测量质量块的惯性力或位移,测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。集成化光波导传感器与光纤传感器相比,它减少了很多分立光学元件,结构更加紧凑,有望解决传统光纤传感器微型化和批量生产时遇到的装配困难及长期稳定性问题[10-11]。由于光波导型传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高及不受电磁干扰、无火花、能在易燃、温差较大的环境中使用等优点,因而成为了近年来加速度计研究领域的重要研究方向。最新发展的利用EpoCore和Su-8作为功能材料的聚合物光波导加速度计已经实现[12-13]。

在此论文中,提出了一种制备在柔性衬底上的基于非对称MZI聚合物光波导加速度计。理论推导了MZI结构的传输函数。仿真分析了悬臂梁结构参数和器件灵敏度关系。利用先前工作中所提出的特殊剥离工艺[9,14]制备了基于非对称MZI聚合物光波导加速度计,并对加速度传感芯片进行了性能测试。

图1 基于MZ干涉的柔性集成光波导加速度计示意图

1 理论研究与仿真分析

基于MZI光波导加速度计原理示意图如图1所示。光学加速度计是由聚合物波导和衬底构成。衬底的制备使悬臂梁末端悬于空气之中。该结构包含了两个相同的Y分支和两个非对称的臂。在Y分支中,为了降低分离处的传输损耗,将分支波导设计成S型。为了研究加速度计的传感特性,输出光强与MZI结构测量臂中传输相位关系推导如下[15]:

(1)

(2)

式中:α是波导的传输损耗,参考臂的长度是L1,测量臂的直波导部分长度为l2,弯曲波导的半径为R,测量臂的总长度L2=2l2+2πR,Δφ是由加速度引起的相移偏移,β=2πNeff/λ是模式传输常数,Neff是模式有效折射率,λ是光在真空中的波长。E是柔性衬底的杨氏模量,w,L,t分别是器件的宽度、长度和厚度。式(1)中,前半部分表示光强的直流分量,后半部分表示光强的交流部分。

加速度计灵敏度表示如下[8]:

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

(3)

式(2)表明测量臂中传输相位的变化量与加速度成正比例,可以看出,当R+l2→L时,两者之间的比例系数最大,通过检测Δφ的值即可以确定所加载的加速度。在实际应用中光探测器不能直接感知光波相位的变化,必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化,通过式(2)推算出传输相位的变化值,实现加速度的检测。加速度计的灵敏度很大程度上受到悬臂梁结构参数的影响,调节悬臂梁的杨氏模量、几何尺寸以及质量块的质量可改变加速度传感器灵敏度大小。

衰减系数为:10-5 μm-1图2 在不同悬臂梁参数下,加速度与强度响应图

为了研究强度响应随悬臂梁参数改变的变化,将波导模式有效折射率设置为1.573,光波波长设为1 550 nm,质量块的质量为15 mg。图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别表示灵敏度随悬臂梁厚度,宽度,长度和杨氏模量变化响应。图中清楚的展示了灵敏度主要取决于悬臂梁的厚度和杨氏模量,对悬臂梁的宽度和长度并不敏感。其中,悬臂梁的厚度可以通过旋涂工艺精确控制,柔性衬底的杨氏模量可以通过特殊的剥离工艺控制。

2 光波导加速度计制备及测试

集成光学光波导加速度计制备流程图及实物图如图3所示。为了实现器件灵敏度的可调谐,一种制作在硅片上的柔性多层聚合物衬底的工艺在之前的工作已经得到研究[7]。采用折射率为1.573的聚合物作为芯层材料,折射率为1.54的聚合物作为波导包层材料,采用旋涂、光刻、显影、蒸镀、刻蚀和腐蚀等工艺,实现了4 μm×4 μm单模传输芯层波导制备。

图3 集成光波导加速度计制备流程图及实物图

在测试加速度传感芯片的性能之前,波导横截面首先必须抛光、清洁和烘干。红光(632.8 nm)通过光纤阵列馈入波导一端,在芯片输出端放置CCD,实时监视波导芯片与光纤阵列的耦合对准情况。当输出光斑达到最佳后,用紫外固化胶将光纤阵列和波导芯片进行固定。另一端的光纤与波导芯片对接如上述所述。图3(h)表示的是经过制备工艺后得到的传感芯片红光通光图,可以清楚看出该器件由非对称的马赫增德尔干涉结构的传感臂和参考臂构成。图3(g)图为传感芯片粘贴在振动台上实物图,为了检测传感芯片随外界振动变化的输出光强改变,在柔性悬臂梁粘贴一质量块。

集成光波导加速度计测试系统原理框图如图4所示,光从可调谐激光器馈入基于MZI加速度传感器中,驱动模块由函数发生器和功率放大器构成,函数发生器产生信号经功率放大器馈入振动台为传感芯片提供正弦振动激励信号。MZI加速度传感器输出信号经光电探测器馈入示波器。光电探测模块包括光电探测器、信号处理模块。其中信号处理模块由模拟信号处理电路、A/D转换电路、信号解调电路、电压输出电路构成,其中模拟信号处理电路由信号转换、抗混叠滤波和放大电路构成。同时在振动台上放置相应基准加速度计,采用比较校准法对探测器输出电压进行标定,实现传感芯片因施加加速度后输出光强变化的测试,完成加速度的测量。

图4 集成光波导加速度计测试系统原理框图

表1为传感芯片加速度标定表,展示了传感芯片在振动台所受不同加速度下输出的电压值。其中,输入激光波长为1 550 nm。

表1 传感芯片加速度标定表(频率60 Hz)

图5 集成光波导加速度计标定测试图

图5展示了集成光波导加速度计标定测试图。为使传感芯片随加速度变化的幅值最大,调节振动台的振动频率为60 Hz,通过调节驱动电压大小,给振动台提供不同加速度激励。基准加速度计实时显示振动台振动加速度值,通过测试不同加速度下传感芯片的输出电压值,从而实现加速度传感芯片的标定。标定后,根据传感芯片输出电压值得到相应的加速度值。该加速度传感芯片分辨率为10-2gn,动态范围为±2gn。

3 结论

提出一种基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的聚合物光学波导加速度计。理论推导了MZI结构的传输函数,仿真分析了悬臂梁结构参数与器件灵敏度的关系,悬臂梁的厚度与杨氏模量是影响加速度传感器灵敏度的主要因素。制备并测试了基于聚合物材料和柔性衬底的加速度传感芯片的传感性能。采用折射率为1.573的聚合物作为芯层材料,折射率为1.54的聚合物作为波导包层材料,得到4 μm×4 μm单模传输芯层波导。搭建了集成光学加速度测试系统,采用比较校准法对探测器输出光强信号进行标定,实现了传感芯片因施加加速度后输出光强变化的测试,完成加速度的测量。该加速度传感芯片分辨率为10-2gn,动态范围为±2gn。通过优化设计波导结构及悬臂梁结构参数,有望实现更高灵敏度加速度传感器。

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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

项目来源:教育部博士点基金项目(20110092110016,20130092120024);国家自然科学基金青年基金项目(61307066);江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20130630);教育部微惯性仪表与先进导航技术重点实验室开放基金项目(201402);江苏省高校品牌专业建设工程资助项目

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