光电集成加速度计中声光波导相位调制器的研究

　　微光机电系统( MOEMS) 是近20 年来发展起来的一个新兴的技术领域, 目前已成为众多研究中心和工业企业的研究热门[ 1, 2] 。光电集成加速度计是基于MOEMS 技术的一种微型加速度传感器, 能将机械的、光学的、电学的功能器件集中在同一基片面波( SAW) ; 相位调制; 叉指换能器; 氧化锌薄膜上, 具有传统加速度计[ 3] 无可比拟的优点, 如: 稳定可靠、微型化、抗电磁干扰和低成本。

　　本项目所研究的光电集成加速度计, 其关键问题之一, 是如何将条波导相位调制器制作在小尺寸的硅基底上。传统的电光调制器件要求制作在压电基底上或聚合物电光材料上, 有机聚合物薄膜可制作在非压电基底上, 但目前尚在研究中并未达到成熟实用化。声光调制器件允许制作在没有压电效应的基底上, 其制备工艺成熟, 且具有调制范围大, 能量密度高, 互作用距离长和体积小易集成的优点[ 4] 。

　　利用声表面波对条波导进行相位调制, 目前在国内少见报道。本文所研究的声光波导相位调制器, 利用叉指换能器( IDT) 激励出声表面波对条形光波导进行相位调制, 能很好的解决传统相位调制器不能制作在硅基底上的问题。文章主要讨论了声光波导相位调制器对光电集成加速度计参考臂的信号调制机理, 研究和优化设计了相位调制器的特性参数, 给出了优化设计结果并进行了讨论。

　　1 工作原理及其设计

　　1.1 工作原理

　　图1 为光电集成加速度计结构图。激光源LD发出的光端面耦合进入光波导型M- Z 干涉仪, 经波导偏振器后成为线偏振光( TE 波) , 进入3dB 分束器。在干涉仪信号臂, 由于加速度引起简谐振子的振动, 使信号臂传输光相位发生改变。在干涉仪输出端发生干涉, 干涉光强经PIN 光电探测器转换为电信号后, 送入信号处理电路, 实现信号的调制、温度补偿和处理, 并输出待测加速度信号。图中, 2为声光波导相位调制器, 由氧化锌( ZnO) 薄膜和叉指换能器( IDT) 构成, 其横断面结构如图1( b) 。ZnO 晶体薄膜通过磁控反应溅射制作在K8 缓冲层上; 通过精密光刻和磁控溅射制作了梳形铝电极叉指换能器。

　　该相位调制器的工作原理如图2 所示, IDT 的主要结构参数: 中心指长L0、指间距l 、指宽d。信号处理电路给出调制信号和温度反馈信号给IDT,使IDT 激励起与中心指长等宽的声表面波, 作用区L= L 0 , 声表面波垂直于条波导的方向传播( 方向为x 1 ) , 并使条波导有效折射率发生改变, 实现光信号的相位调制。

　　把式( 3)、( 5) 、( 6) 带入式( 4) 中, 即可求得SAW 引起的作用区内条波导传输光相位的变化。