本发明专利技术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。本发明专利技术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。易于集成。易于集成。
【技术实现步骤摘要】
一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
技术实现思路
[0005]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术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。
[0006]本专利技术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。本专利技术结构简单，集成度高，有望成为光学加速度计的一种全新设计方案。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]本专利技术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；
[0009]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。
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]两个“8”字形波导微腔的腔长相同，具有相同的谐振频率。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本专利技术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。本专利技术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。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术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，适于批本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器，其特征在于：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；所述宽谱光源(1)、模斑转换器(2)、单向隔离器(3)和微型光谱仪(5)均布置在铌酸锂薄膜层(8)上，所述的加速度敏感单元(4)中的一部分是由铌酸锂薄膜层(8)刻蚀形成。2.根据权利要求1所述的一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器，其特征在于：所述的加速度敏感单元(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)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；所述的“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；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。3.根据权利要求2所述的一种非厄米奇异点光学微腔加速度传感器，其特征在于：所述的弹簧振子结构(7)包括质量块(47)和两个静电力反馈模块；“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(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...
【专利技术属性】
技术研发人员：佘玄，黄飞，孙培基，毕然，陈侃，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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