一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器

摘要

本发明公开了一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器。宽谱光源的输出端依次经模斑转换器、单向隔离器后与加速度敏感单元的输入端连接，加速度敏感单元的输出端和微型光谱仪连接；加速度敏感单元包括输入输出波导、两个相同的“8”字形波导微腔和弹簧振子结构，输入输出波导同一侧耦合布置两个“8”字形波导微腔，“8”字形波导微腔包括中间的十字形波导和两个开口环波导，十字形波导是由两根直波导在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导分别连接两个开口环波导的两端，一个“8”字形波导微腔位于弹簧振子结构的质量块上面。本发明构造了一个二阶非厄米系统，利用非厄米系统奇异点对外界微扰敏感的特性，灵敏度高、体积小且易于集成。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学和惯性传感领域的一种，具体涉及一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器。

背景技术

近年来，MEMS加速度计由于其体积小、可批量制作、成本低等优势在汽车、航空航天等领域应用广泛。电容式加速度计由于制作方法简单成熟成为使用最广泛的MEMS加速度计之一。然而，卷曲效应、寄生电容等问题使电容式加速度计精度有限、且存在不抗电磁干扰的问题。相比电容式加速度计，光学加速度计具有精度高、抗电磁干扰等优势，在加速度传感领域具有广阔的应用前景。

传统的光学加速度计有波长敏感型、光强敏感型和相位敏感型三种，它们在检测精度、可靠性、集成化难度方面各有优势，但目前的光学加速度计都是厄米光学系统的不同构型，由于厄米光学系统对外界微扰的灵敏度不高，因此传统的光学加速度计仍存在检测精度不够，灵敏度达不到要求的问题。

近年来，随着微纳光学领域研究的深入，非厄米光学系统的研究开始步入人们的视野，不同于传统的厄米光学系统，非厄米系统是与外界具有能量交换或具有增益、损耗的系统，其物理量可以用非厄米算符描述。非厄米系统与厄米系统的本质区别在于非厄米系统存在奇异点(即exceptional point，后文均称之为奇异点)。奇异点是非厄米系统的简并点，在该点，系统的本征值的实部和虚部同时相等，本征值和本征态同时发生简并，本征态不再能构成完备的基矢。奇异点附近常有相位突变、能级交叉、排斥等异常光学现象，因此在单向传输、损耗诱导透明、超灵敏传感等诸多领域有重要的应用。基于奇异点的超灵敏光学传感，是目前非厄米光学领域的研究热点，其在粒子检测、温度传感、折射率传感、转速测量等方面均有不同程度的应用。此外，随着微纳加工工艺的发展，研究人员已具备在片上构建非厄米光学系统的能力，将非厄米光学系统应用在惯性传感领域，有望在维持光学惯性传感固有优势的同时进一步提高系统灵敏度。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明针对非厄米光学系统，提出了一种体积小、精度高、易于封装集成的基于非厄米奇异点的光学微腔加速度传感器，有利于提高加速度计的集成度。

本发明利用非厄米光学系统奇异点对外界微扰灵敏的性质，在维持光学加速度计优势的同时进一步提高了系统的灵敏度，有望解决光学加速度计存在的探测灵敏度不够的问题。在敏感单元结构设计中，采用“8”字形波导微腔的设计，使光在微腔中环绕一圈同时具备顺时针、逆时针两个状态，抵消了地球转动或应用环境的转动带来的Sagnac效应对测量的影响。本发明结构简单，集成度高，有望成为光学加速度计的一种全新设计方案。

本发明的技术方案是：

本发明包括在封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器、加速度敏感单元和微型光谱仪；宽谱光源的输出端依次经模斑转换器、单向隔离器后和加速度敏感单元的输入端连接，加速度敏感单元的输出端和微型光谱仪连接；

所述宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器和微型光谱仪均布置在铌酸锂薄膜层上，所述的加速度敏感单元中的一部分是由铌酸锂薄膜层刻蚀形成。

所述的加速度敏感单元主要由输入输出波导、两个相同的“8”字形波导微腔和弹簧振子结构组成，输入输出波导两端分别连接单向隔离器和微型光谱仪，输入输出波导同一侧旁布置两个“8”字形波导微腔，两个“8”字形波导微腔的长轴方向重合位于沿垂直于输入输出波导方向的同一直线方向，两个“8”字形波导微腔之间以及靠近输入输出波导的“8”字形波导微腔和输入输出波导之间均耦合连接；

所述的“8”字形波导微腔是由位于中间的十字形波导和位于两侧的两个开口环波导构成，十字形波导是由两根直波导在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导的一端分别连接在一个开口环波导的两端，两根直波导的另一端分别连接在另一个开口环波导的两端；

远离输入输出波导的“8”字形波导微腔布置在受加速度影响移动的弹簧振子结构上，靠近输入输出波导的“8”字形波导微腔固定布置。

所述的弹簧振子结构包括质量块和两个静电力反馈模块；“8”字形波导微腔布置在质量块上，质量块在沿垂直于输入输出波导的两侧均布置有一个静电力反馈模块，静电力反馈模块包括支撑微梁、正电极和负电极，正电极固定布置于固定物，负电极固定于质量块侧边，质量块和固定物之间通过支撑微梁弹性连接，支撑微梁用于限制质量块仅能沿平行于输入输出波导方向靠近或者远离固定物移动。

通过在正电极和负电极施加电压产生静电力，带动质量块在支撑微梁弹性作用和限位下沿平行于输入输出波导方向移动；更进一步地，在不同两侧的两个静电力反馈模块选择之一的正电极和负电极施加电压产生静电力，控制质量块沿平行于输入输出波导方向的两个正反方选择移动，实现对外界加速度作用的反馈。

所述的铌酸锂薄膜层布置在二氧化硅缓冲层上，二氧化硅缓冲层布置在硅衬底上，所述加速度敏感单元的输入输出波导和“8”字形波导微腔均是由铌酸锂薄膜层刻蚀制作形成，输入输出波导和“8”字形波导微腔均位于二氧化硅缓冲层上表面。

所述的宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器依次沿光路方向布置，宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器均位于二氧化硅缓冲层上表面。

两个“8”字形波导微腔的腔长相同，具有相同的谐振频率。

光经过输入输出波导通过倏逝波耦合进入两个“8”字形波导微腔，且在两个“8”字形波导微腔之间的耦合也通过倏逝波完成，耦合系数通过控制输入输出波导和“8”字形微腔之间的间距来调整。

弹簧振子结构的质量块受加速度影响移动带动自身上面的“8”字形波导微腔相对于另一个“8”字形波导微腔偏移移动，进而影响两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数，使得经过两个“8”字形波导微腔的光传输回到输入输出波导中被微型光谱仪探测接收到，根据微型光谱仪探测接收到的光信号反馈控制到弹簧振子结构的静电力反馈模块中正电极和负电极之间的施加电压，使得质量块回到初始平衡位置，进而根据施加电压获得加速度。

本发明的加速度传感器利用具有增益和损耗的双“8”字形波导微腔构建非厄米光学系统，在初始状态下调整两个微腔之间的耦合系数使其处在非厄米系统奇异点，其中一个“8”字形波导微腔位于弹簧振子结构的质量块上方。弹簧振子结构感知沿Y方向的加速度，偏离初始位置，引起上述微腔的移动。两个微腔在Y方向上错开一定距离，引起系统耦合系数的变化，从而引起输出的变化。静电力反馈模块实时检测输出谱的变化，利用静电力将系统恢复到初始状态，通过检测施加在静电力反馈模块电极上的电压得到加速度信息。本发明利用非厄米系统奇异点对外界微扰敏感的特点，进一步提高了光学加速度计的探测灵敏度。

本发明的有益效果：

本发明将所有器件均集成在硅衬底上，相比分立器件的光学测量手段降低了加速度传感器的体积，集成度高体积小，适于批量生产。

本发明构造了一个二阶非厄米系统，利用非厄米系统奇异点对外界微扰敏感的特性，灵敏度高、体积小且易于集成。且构建了具有增益和损耗系数的两个耦合腔，利用非厄米系统奇异点对外界扰动敏感的特点，在维持光学加速度计原有优点的前提下进一步提高了加速度传感器的灵敏度。

本发明构建的两个耦合微腔具有“8”字形结构，从原理上消除了地球自转和传感器应用环境中可能存在的转动带来的Sagnac效应对微腔谐振频率的影响，排除了陀螺效应对非厄米系统奇异点的干扰，提高了传感器的信噪比。

本发明的“8”字形波导微腔结构中的两段直波导互相垂直，使光在一段直波导中传输时不耦合进入另一段直波导，保证了“8”字微腔中光的单向传输。

附图说明

图1是本发明的非厄米光学微腔加速度传感器整体结构示意图；

图2是本发明中加速度敏感单元结构示意图；

图3是本发明中输出谱随“8”字形波导微腔之间耦合系数的变化图。

图中：1、宽谱光源，2、模斑转换器，3、单向隔离器，4、加速度敏感单元，5、微型光谱仪，6、封装外壳，7、弹簧振子结构，8、铌酸锂薄膜层，9、“8”字形波导微腔；41、输入输出波导，42、开口环波导，43、直波导，44、正电极，45、负电极，46、支撑微梁，47、质量块，48、二氧化硅缓冲层，49、硅衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施的加速度传感器包括在封装外壳6内的宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3、加速度敏感单元4和微型光谱仪5；宽谱光源1的输出端依次经模斑转换器2、单向隔离器3后和加速度敏感单元4的输入端连接，加速度敏感单元4的输出端和微型光谱仪5连接；宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3和微型光谱仪5均位于二氧化硅缓冲层48上表面，加速度敏感单元4中的传光部分是由铌酸锂薄膜层8刻蚀形成。

如图2所示，加速度敏感单元4主要由输入输出波导41、两个相同的“8”字形波导微腔9和弹簧振子结构7组成，输入输出波导41为直波导，输入输出波导41一端作为加速度敏感单元4的输入端，输入输出波导41另一端作为加速度敏感单元4的输出端，输入输出波导41两端分别连接单向隔离器3和微型光谱仪5，输入输出波导41同一侧旁依次布置两个“8”字形波导微腔9，两个“8”字形波导微腔9的长轴方向重合位于沿垂直于输入输出波导41方向的同一直线方向，两个“8”字形波导微腔9之间以及靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔9和输入输出波导41之间均耦合连接；

“8”字形波导微腔9是由位于中间的十字形波导和位于两侧的两个开口环波导42构成，十字形波导是由两根直波导43在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导43的一端分别连接在一个开口环波导42的两端，两根直波导43的另一端分别连接在另一个开口环波导42的两端；这使得两个开口环波导42在十字形波导两侧对称布置，两个开口环波导42中点之间的连线即为“8”字形波导微腔9的长轴方向，“8”字形波导微腔是该加速度传感器重要的敏感结构。

远离输入输出波导41的“8”字形波导微腔9布置在受加速度影响移动的弹簧振子结构7上，靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔9固定布置，弹簧振子结构7用以带动“8”字形波导微腔9沿平行于输入输出波导41移动。

弹簧振子结构7包括质量块47和两个静电力反馈模块；远离输入输出波导41的“8”字形波导微腔9布置在质量块47上，质量块47在沿垂直于输入输出波导41的两侧对称均布置有一个静电力反馈模块，两个静电力反馈模块之间的连线平行于输入输出波导41，静电力反馈模块包括支撑微梁46、正电极44和负电极45，正电极44固定布置于固定物，负电极45固定于质量块47侧边，质量块47和固定物之间通过支撑微梁46弹性连接，支撑微梁46用于限制质量块47仅能沿平行于输入输出波导41方向靠近或者远离固定物移动。固定物具体为铌酸锂薄膜层8之下的二氧化硅缓冲层48，质量块47两侧均设有二氧化硅缓冲层48作为固定物。

弹簧振子结构7感知沿Y方向的加速度，发生位移，带动其中一个“8”字形波导微腔的移动，两个微腔在Y方向上错开一定距离，引起耦合系数的变化，从而引起输出的变化，静电力反馈模块利用静电力将系统恢复到初始状态。

通过在正电极44和负电极45施加电压产生静电力，带动质量块47在支撑微梁46弹性作用和限位下沿平行于输入输出波导41方向移动；更进一步地，在不同两侧的两个静电力反馈模块选择之一的正电极44和负电极45施加电压产生静电力，控制质量块47沿平行于输入输出波导41方向的两个正反方选择移动。

静电力反馈模块的正电极44分布在支撑微梁46的外侧支撑端的固定物，负电极45嵌入到质量块47表面上。具体实施中在同一个静电力反馈模块中设置多个正电极44和多个负电极45，多个负电极45串联一起，多个正电极44串联一起，多个负电极45与多个正电极44一一对应。

质量块47采用和二氧化硅缓冲层48相同的结构，质量块47完全悬空，仅由支撑微梁46与固定物相连支撑。质量块47的周围和二氧化硅缓冲层48之间均存在间隙，且质量块47和下方的硅衬底49也存在间隙。

静止状态下，质量块47和二氧化硅缓冲层48处于同一水平面上。

铌酸锂薄膜层8布置在二氧化硅缓冲层48上，二氧化硅缓冲层48布置在硅衬底49上，加速度敏感单元4的输入输出波导41和“8”字形波导微腔9作为传光部分，均是由铌酸锂薄膜层8刻蚀制作形成，输入输出波导41和“8”字形波导微腔9均位于二氧化硅缓冲层48上表面。

除上述加速度敏感单元4所在的区域位置以外，传感器其余部分结构均由铌酸锂薄膜层8、二氧化硅缓冲层48、硅衬底49由上至下依次层叠而成。

制作时候首先将铌酸锂薄膜层8、二氧化硅缓冲层48、硅衬底49层叠布置，在铌酸锂薄膜层8上面划出一块区域用于布置加速度敏感单元4，在区域中刻蚀出加速度敏感单元4的输入输出波导41和“8”字形波导微腔9，然后在其余部分的铌酸锂薄膜层8过刻蚀低于输入输出波导41和“8”字形波导微腔9后布置上宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3和微型光谱仪5。

弹簧振子结构7包括质量块47和支撑微梁46，由二氧化硅缓冲层48刻蚀形成，质量块47和支撑微梁46底部均不与硅衬底48接触，构成悬空结构。支撑微梁47一段连接在质量块46上，另一端与弹簧振子外侧支撑端相连。

正电极44和负电极45其制作方式为，先在二氧化硅缓冲层48表面刻蚀出所需电极形状，利用磁控溅射出电极后将多余二氧化硅腐蚀去除。

宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3依次沿光路方向布置，宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3均位于二氧化硅缓冲层48上表面。单向隔离器3的输出端与加速度敏感单元4的输入端相连，加速度敏感单元4的输出端与微型光谱仪5的输入端相连。

宽谱光源1产生的光经过模斑转换器2后经单向隔离器3的输出端进入加速度敏感单元4的输入端，光经加速度敏感单元4输出到微型光谱仪中5，经微型光谱仪中5探测到的光分析处理获得透射-频率谱。

单向隔离器3用于隔离加速度敏感单元4中的背向散射光。

两个“8”字形波导微腔9的腔长相同，具有相同的谐振频率。

”8”字形波导微腔中，相互垂直的两根直波导43垂直正交布置形成“8”字形结构，两段直波导互相垂直确保光在通过直波导时不会从其中一段直波导耦合进入另一段直波导中，使光在传输的过程中不发生耦合，光在腔中传输过程中同时具有顺时针部分和逆时针部分，以消除地球自转以及其他转动带来的Sagnac效应对腔谐振频率的影响。

加速度敏感单元4的两个“8”字形波导微腔中的一个具有损耗，另一个具有和损耗相同大小的增益，形成非厄米系统。

两个“8”字形波导微腔通过倏逝波相互耦合，初始状态下两者的间距经过精确的调整，使得两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数与损耗系数相同，“8”字形波导微腔的之间的耦合系数与引入的增益系数和损耗系数相匹配，使初始的无加速度状态下非厄米系统处在非厄米系统奇异点，形成对外界微扰的敏感性。

光经过输入输出波导41通过倏逝波耦合进入两个“8”字形波导微腔9，且在两个“8”字形波导微腔9之间的耦合也通过倏逝波完成。

以靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔9作为第一个“8”字形波导微腔9，以远离输入输出波导41的“8”字形波导微腔9作为第二个“8”字形波导微腔9：光沿输入输出波导41传输，在经过第一个“8”字形波导微腔9和输入输出波导41之间耦合处后通过倏逝波先耦合进入第一个“8”字形波导微腔9，经第一个“8”字形波导微腔9的一侧单边S形波导传输到第一个“8”字形波导微腔9和第二个“8”字形波导微腔9之间耦合处通过倏逝波耦合到第二个“8”字形波导微腔9，再经第二个“8”字形波导微腔9的完整“8”字形传输回到第一个“8”字形波导微腔9和第二个“8”字形波导微腔9之间耦合处，经倏逝波耦合回到第一个“8”字形波导微腔9，再经第一个“8”字形波导微腔9的另一侧单边S形波导传输到第一个“8”字形波导微腔9和输入输出波导41之间耦合处，耦合回到输入输出波导41，从而完成一个循环传输过程。光传输过程中不断循环往复上述循环传输过程实现光经过加速度敏感单元4后的透射谱受两个“8”字形波导微腔9的耦合系数变化的影响。

弹簧振子结构位于其中一个“8”字形波导微腔下方，弹簧振子结构底部不与硅衬底接触，构成悬空结构，敏感Y方向加速度。当感知到外界加速度时，位于弹簧振子结构上方的“8”字形波导微腔与另一个微腔在Y方向上错开一定距离，导致腔之间耦合系数的变化。加速度仅影响两个“8”字形波导微腔的耦合系数。

弹簧振子结构7的质量块47受加速度影响移动带动自身上面的“8”字形波导微腔9相对于另一个“8”字形波导微腔9偏移移动，进而影响两个“8”字形波导微腔9之间的耦合系数，使得经过两个“8”字形波导微腔9的光传输回到输入输出波导41中被微型光谱仪5探测接收到，根据微型光谱仪5探测接收到的光信号反馈控制到弹簧振子结构7的静电力反馈模块中正电极44和负电极45之间的施加电压，使得质量块47回到初始平衡位置，进而根据施加电压获得加速度。

检测过程具体为：

S1、在静止状态下，即加速度为零时，根据微型光谱仪5探测接收到的光信号解析获得透射-频率谱，记录透射-频率谱的半高全宽参数作为初始半高全宽参数；

S2、在加速度状态下，即加速度不为零时，加速度方向平行于输入输出波导41，根据微型光谱仪5实时探测接收到的光信号解析获得实时透射-频率谱，实时透射-频率谱的半高全宽参数和初始半高全宽参数有不同时，立刻施加向弹簧振子结构7其中对应的一个静电力反馈模块中的正电极44和负电极45间施加电压产生静电力，带动质量块47在支撑微梁46弹性作用和限位下沿平行于输入输出波导41的反加速度方向移动，使得质量块47处于静止状态下的平衡位置，根据微型光谱仪5探测接收获得的透射-频率谱的半高全宽参数进行判断：

若实时透射-频率谱的半高全宽参数和初始半高全宽参数一致时，则认为质量块47处于静止状态下的平衡位置，则根据静电力反馈模块中的正电极44和负电极45间所施加的电压结合电压和加速度之间的对应关系确定获得加速度。

电压和加速度之间的关系可以通过电压产生的静电力和加速度之间的关系经过实验拟合获得。

光经加速度敏感单元输出后进入微型光谱仪，传感器受到Y方向加速度时，弹簧振子带动其中一个“8”字形波导微腔发生位移，造成两个“8”字形波导微腔耦合系数的变化，构成对非厄米系统奇异点的扰动，带来其输出谱的变化，静电力反馈模块实时反馈输出谱的变化，通过改变加在电极上的电压维持微腔在初始位置。

加速度敏感单元4的两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数调节至与损耗或增益系数相等，两个“8”字形波导微腔构成的非厄米光学系统使得传感器在初始状态下处在奇异点。在受到沿Y方向加速度作用时，弹簧振子结构带动其中一个“8”字形波导微腔在Y方向上运动，使微腔之间的耦合系数发生变化，非厄米系统偏离奇异点，引起谐振输出的变化，静电力反馈模块实时反馈谐振输出的变化，通过改变加在电极上的电压使两微腔的相对位置恢复到初始水平。

具体实施例中，奇异点光学微腔加速度传感器的加速度敏感单元设计如下：

本实例中宽谱光源1采用SLD光源，中心波长为1550纳米，两个“8”字形波导微腔的开口环波导部分42的半径为R＝20微米，由图2中的几何关系可知，两段互相垂直的直波导43长度为2R＝40微米。输入输出波导41直接输出的光与耦合进入“8”字形波导微腔的光功率之比为95：5，两个“8”字形波导微腔之间的功率耦合比例也为95：5，即有5％的光从一个“8”字形波导微腔耦合进入另一个微腔。

确定得到输入输出波导41和“8”字形波导微腔之间的耦合系数μ：

以及两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数κ：

其中，c为真空中光速，n为波导材料的折射率，L是微腔的腔长。

建立以下两个“8”字形波导微腔的时域耦合模方程：

其中，a

设置增益或损耗系数的值γ＝κ，使得系统在初始状态下处在非厄米系统奇异点，由图1的输入输出关系，建立以下从加速度敏感单元4输出端输出的光功率S

S

进而计算得到输出谱S

Δω＝ω-ω

其中，Δω是输入光频率偏离腔谐振频率的量，ω表示输入光频率。

可以看到，输出谱与两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数κ密切相关，初始状态下系统处在奇异点，当受到Y方向加速度作用时，弹簧振子结构带动上方微腔运动，与另一个微腔错开一定的距离，由于腔之间的耦合依赖于倏逝波的作用，因此两个微腔之间的耦合系数κ将发生轻微的变化，使系统偏离奇异点，从而引起输出谱的变化。

如图3所示，可以看到耦合系数10

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。