硅微光机械加速度地震检波器中M-Z光波导干涉仪结构设计

　　1　引　言

　　硅是制造传感器的理想材料[1],硅微机械MEMS (Micro2electromechanical Systems)加速度传感器具有体积小、成本低、可靠性高、易于集成和批量生产等优点。在已研制的全光纤[223]和混合型加速度计[425]基础上,本文提出了一种全新、集成化的硅基M2Z干涉型MOEMS (Micro2optotical2electro2mechanical Systems)加速度地震检波器,它具有灵敏度高,频带宽,体积小,重量轻,易于集成和批量生产,可进行高精度地震波检测,且在易燃易爆的恶劣环境下能可靠工作等独特优点,有望解决传统光纤传感器向微型化和批量生产时遇到的装配困难及长期稳定性问题。

　　本文对光电集成加速度地震检波器的工作原理、M2Z光波导干涉仪结构设计及参数计算进行了阐述,并利用BPM进行了仿真。实验结果与理论相符。

　　2　工作原理

　　硅微光机械加速度地震检波器结构如图1(a)所示,它以硅为基底,主要由简谐振子系统、M2Z波导干涉仪、信号处理系统三部分组成。图1(b)是单模条波导截面图。在硅基底上直接腐蚀出硅十字梁质量块简谐振子。在硅基底上溅射K9玻璃缓冲层,在缓冲层上制作Bak7玻璃条形光波导、波导转向棱镜,构成光波导M2Z干涉仪,并在入射波导处集成了光波导偏振器1。为消除偏振光经过金属反射镜后偏振态的改变,在光路中加入了4个波导偏振器。当波长为1.3μm的激光耦合进M2Z干涉仪的输入端后,经偏振器1起偏后成为TE偏振光,在输入Y分支波导处等强度的分为两路,在波导中传播:上路为参考臂,下路为信号臂。信号臂经过简谐振子中的两根硅梁和质量块。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,当信号光和参考光在输出Y分支波导汇合后产成干涉。干涉光强由PIN探测,由集成在硅基上的信号处理电路进行处理,并从干涉仪的输出光强中提取待测的加速度信号。为了实现对待测的加速度信号进行解调和温度补偿,在参考臂上集成了波导声光相位调制器,利用声表面波(SAW)实现相位调制和温度补偿。

　　3　M2Z光波导干涉仪结构设计

　　3.1　单模波导设计

　　采用有效折射率法对M2Z光波导干涉中的单模条波导进行设计。设单模条波导为一矩形横截面,波导的横截面及坐标如图2(a)所示,坐标原点放在条形波导的中心。

　　有效折射率法分为两步:首先把图2(a)所示的矩形介质波导等效为一个x方向受约束的平面波导,如图2(b)所示,用求平面波导理论求其有效折射率N1;其次把图2(a)所示的矩形波导在y方向上等效为一平面波导,如图2(c)所示,其波导层的折射率是等效为图2(b)所求得的有效折射率N1,通过平板波导本征方程的求解,从而求出第二个平面波导的有效折射率N,即为所求矩形波导的有效折射率。