柔性-微环光波导耦合结构的集成光学加速度传感器

　　加速度传感器是惯性系统物理量测量的关键器件, 在惯性传感领域起着举足轻重的作用, 广泛地应用在军事、航空、航天等高科技领域。目前的加速度传感器种类繁多, 从传感方式上划分, 主要包括电容式、压电式、压阻式、霍尔效应式、磁阻式、热传输式以及光传输式等。从其结构形式上划分, 主要可分为机械式和光学式两大类。与其他各类加速度传感器相比, 基于光信号传感的光学式加速度传感器具有抗电磁干扰、动态范围宽、精度高、适应于恶劣环境工作等优点, 日益受到应用及研究领域工作者的重视。同时, 在惯性器件小型化的客观需求下, 加速度传感器逐渐走向微型化和集成化。目前研究较多的光学式加速度传感器基本都是基于光纤或光纤光栅结构[ 1-4] , 而基于集成光学光波导结构的加速度传感器鲜见报道[ 5-6] 。文献[ 7-8] 报道了利用微环光波导结构设计的加速度传感器, 但其检测输出谱频率差的方法较为复杂, 而且理论精度低。本文给出了一种利用柔性-微环光波导耦合结构的集成光学加速度传感器, 整个器件是基于双层光波导结构, 其中上层光波导是利用聚合物材料设计的柔性光波导,下层光波导是不具柔性的光波导谐振环, 上下两层的光波导构成耦合器。在外力作用下, 柔性光波导可以产生形变, 该形变使得双层结构光波导层间距发生改变, 从而改变波导耦合器的耦合比, 使得微环光学谐振腔输出谱特性发生相应改变[ 9] , 并在谐振点上直接检测输出光强度的变化, 继而有效地实现了加速度的传感。

　　1 基本结构

　　图1 是柔性光波导结构示意图。其上包层和芯层分别是折射率不同的聚合物材料, 下包层为空气。

　　通常制备柔性光波导要选取与下包层粘性较弱的材料做衬底, 以便在完成柔性波导芯层制备后, 将整个波导从衬底上成功无损剥离。

　　图2 是下层波导谐振环耦合器结构示意图。整个谐振环制备在基底材料上, 但将其一部分波导" 裸露"构成与上层柔性光波导的耦合器。

　　图3 是将柔性光波导与谐振环/ 粘贴0 后, 构成的双层结构光波导耦合器示意图。其中, 图3( a) 是柔性光波导不受力, 没有形变; 图3( b) 是柔性光波导受向下的力, 产生向下弯曲形变; 图3( c) 是柔性光波导受向上的力, 产生向上弯曲形变。

　　当柔性光波导因受力而产生形变时, 上下层波导耦合间距发生改变, 从而改变了波导耦合比, 继而引起谐振环输出谱特性改变, 起到加速度传感的作用。

　　2 工作原理

　　对于如图4 结构的谐振环, 用E1、E2、E3、E4 表示各端口的光电场。设定向耦合器的耦合系数为J, 插入损耗为C, 单位长度波导谐振环的传输损耗为A, 其输出光强可以表示为[ 10]: