光电集成加速度地震检波器中声光波导相位调制器的设计与实验

　　在已研制的全光纤和混合型加速度计[1~3]基础上,提出了一种新型光电集成加速度地震检波器,实现了在硅基底上的光波导M2Z干涉仪与处理电路的单片集成,这是一种全新的微光机电系统(MOEMS).与传统的传感器相比,MOEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产的特点[4, 5].

　　光波导相位调制的方法很多[6],例如,有电光效应、热光效应和声光效应的光波导相位调制.电光效应光波导相位调制应用广泛,频响范围可达10 GHz,但只能局限在以LiNbO3、LiTaO3、GaAs、InP等电光(压电)材料为基底的器件上使用.本课题研究的是硅基底上的玻璃光波导M2Z干涉仪,在这类非压电材料上实现光的相位调制,只能利用热光效应和声光效应.利用热光效应的光相位调制,其调制频率范围只有几千赫兹;而声光调制是利用表面声波(SAW)激励压电材料来实现的,其调制频率范围可达几兆赫兹.为此本课题所研究的调制器采用声光效应的光波导相位调制.

　　本文在简要介绍检波器工作原理的基础上,详细阐述了声光波导相位调制器的工作机制,完成了器件的优化设计,并进行了深入讨论.

　　1　光电集成加速度地震检波器的工作原理

　　如图1所示,在硅基底上将光波导偏振器、M2Z干涉仪、简谐振子系统、相位调制器和信号处理系统进行集成,构成MOEMS.图2是单模条波导截面图.硅十字梁支撑的硅质量块构成简谐振子,直接在硅基底上腐蚀出来.在硅基底上溅射K8玻璃缓冲层,在K8缓冲层上制作K9玻璃波导,其上覆盖K8玻璃包层.当半导体激光器发出的光耦合进M2Z干涉仪的输入端,经偏振器后成为偏振光,由Y分支波导处等强度地分为两路在波导中传播:上路为参考臂,下路为信号臂.当外界存在垂直方向的加速度时,质量块产生振动,引起梁发生弯曲,导致信号臂中的光相位改变.信号光和参考光经Y分支波导汇合后产成M2Z干涉,干涉产生的光强由PIN探测,并由集成在硅基上的信号处理电路实现相位探测和误差补偿,从M2Z干涉仪的输出光强中提取待测的加速度信号.为解决信号相位移动和度补偿等问题,在参考臂上利用声表面波(SAW)来实现波导相位调制. SAW是由制作在ZnO薄膜上的叉指换能器(IDT)激发的.图3为IDT结构示意图.指条对数N、特征长度(重叠指长)L和电极周期M是叉指换能器的几个主要几何参数.选取指条宽度为M /4,指条间隔也为M /4.

　　2　声光相位调制器的设计

　　2.1　相位调制原理

　　当SAW通过M2Z干涉仪的参考臂时,声波引起的应变产生光弹效应将改变波导的折射率.为避免影响干涉仪的测量臂,必须利用吸收材料将SAW限制在一定的范围内.