專(zhuān)利名稱：一種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)諧振腔，尤其涉及ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔。
背景技術(shù)：
光學(xué)環(huán)形諧振腔是諧振式光學(xué)陀螺(Resonator Optic Gyro, R0G)的核心敏感部件，將ー個(gè)2X2光學(xué)耦合器的其中ー個(gè)輸出端，反饋連接到其中一個(gè)輸入端，就構(gòu)成了一個(gè)最基本的反射式諧振腔結(jié)構(gòu)；透射式諧振腔結(jié)構(gòu)則由2個(gè)2X2光學(xué)耦合器構(gòu)成。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，可以是光纖構(gòu)成的光纖環(huán)形諧振腔，或光波導(dǎo)構(gòu)成的光波導(dǎo)諧振腔，統(tǒng)稱為光學(xué)諧振腔。在諧振式光學(xué)陀螺中，通過(guò)檢測(cè)光學(xué)諧振腔順時(shí)針(Clockwise，CW)和逆時(shí)針(Counterclockwise,CCff)光路的諧振頻率差得到諧振腔相對(duì)于慣性參照系的旋轉(zhuǎn)角速度。由于Sagnac效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng)，由旋轉(zhuǎn)角速率引起的諧振頻率差是極其微小的。而溫度與溫度引起的熱膨脹影響，實(shí)際光學(xué)環(huán)形諧振腔的諧振頻率會(huì)發(fā)生漂移。如對(duì)于ニ氧化硅光波導(dǎo)或光纖構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，SiO2熱光系數(shù)I為10_5/°C，當(dāng)溫度變化1°C時(shí)，光學(xué)諧振腔諧振頻率漂移達(dá)到GHz，而1° /s的旋轉(zhuǎn)角速率引起的CW和CCW光路的諧振頻率差僅為幾百Hz。因此，實(shí)用的諧振式光學(xué)陀螺采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，將ー側(cè)光路的信號(hào)輸出作為反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整激光器的輸出頻率，使之跟隨環(huán)境溫度的變化，從而使激光器的工作頻率與光學(xué)諧振腔的諧振頻率一致。這種設(shè)計(jì)思想對(duì)ROG的諧振伺服回路提出了很高的要求，并且限制了陀螺的性能。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們還提出了多種溫度控制方案，包括被動(dòng)式恒溫與主動(dòng)式控溫等。這些方案雖然取得了顯著的效果，但是増加了陀螺的整體重量與功耗，與諧振式光學(xué)陀螺體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)不相符合。構(gòu)成硅基ニ氧化硅波導(dǎo)芯片的材料具有正熱光系數(shù)，即折射率隨溫度升高ニ增大。使用負(fù)熱光系數(shù)的材料作為補(bǔ)償，可以降低光波導(dǎo)芯片整體的溫度敏感性。本發(fā)明的目的在于利用折射率接近且小于ニ氧化硅、具有負(fù)熱光系數(shù)的含氟丙烯酸酯共聚物，研制出具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔，改善ROG的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔技術(shù)。第一種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有輸入/輸出光通路與諧振環(huán)；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導(dǎo)芯片本體的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環(huán)通過(guò)輸入/輸出耦合器相連，構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第二種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有輸入光通路、輸出光通路與諧振環(huán)；輸入光通路的兩端位于光波導(dǎo)芯片本體的一側(cè)邊緣；輸出光通路位于光波導(dǎo)芯片本體的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)位于輸入光通路與輸出光通路之間，諧振環(huán)ー側(cè)通過(guò)輸入耦合器與輸入光通路相連，諧振環(huán)另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器與輸出光通路相連，構(gòu)成透射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第三種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有輸入/輸出光通路與諧振環(huán)；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導(dǎo)芯片的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環(huán)通過(guò)輸入/輸出耦合器相連，構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)上刻蝕有傾斜波導(dǎo)光柵，傾斜波導(dǎo)光柵反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片芯層厚度的 波導(dǎo)光柵，光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導(dǎo)光柵的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第四種種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有輸入光通路、輸出光通路與諧振環(huán)；輸入光通路的兩端位于光波導(dǎo)芯片的一側(cè)邊緣；輸出光通路位于光波導(dǎo)芯片的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)位于輸入光通路與輸出光通路之間，諧振環(huán)ー側(cè)通過(guò)輸入耦合器與輸入光通路相連，諧振環(huán)另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器與輸出光通路相連，構(gòu)成透射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導(dǎo)光柵、第二傾斜波導(dǎo)光柵，第一傾斜波導(dǎo)光柵和第二傾斜波導(dǎo)光柵反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片芯層厚度的波導(dǎo)光柵；光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料、第一傾斜波導(dǎo)光柵和第二傾斜波導(dǎo)光柵的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果I)具有溫度穩(wěn)定性光波導(dǎo)諧振腔在保留光波導(dǎo)諧振腔重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，改善了光波導(dǎo)諧振腔的溫度穩(wěn)定性，諧振頻率受溫度影響導(dǎo)致的漂移小，有利于提高陀螺性能。2)本發(fā)明與集成傾斜波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)諧振腔技術(shù)組合使用，既保留了傾斜波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)具有高偏振消光比的優(yōu)點(diǎn)，又使負(fù)熱光系數(shù)材料在整個(gè)光波導(dǎo)諧振腔中所占比重増大。合理設(shè)計(jì)傾斜波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度，可以精確控制光波導(dǎo)諧振腔的整體熱光系數(shù)，進(jìn)ー步提高光波導(dǎo)諧振腔的溫度穩(wěn)定性。3)本專(zhuān)利所述的負(fù)熱光系數(shù)材料，即含氟丙烯酸酯共聚物，可溶于現(xiàn)有的大部分有機(jī)溶劑，可以直接旋涂在光波導(dǎo)諧振腔上，從而省去了化學(xué)氣相淀積(CVD)等エ藝步驟，降低了制作成本。


圖I是硅基ニ氧化硅光波導(dǎo)芯片的剖面圖；圖2是第一種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是第二種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是第三種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是第四種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明所述光波導(dǎo)芯片的光通路、諧振環(huán)部分的剖面圖；圖中硅襯底為I，ニ氧化硅下包層為2，摻雜ニ氧化硅芯層為3，含氟丙烯酸酯共聚物構(gòu)成的上包層為4。如圖2所示，第一種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片5本體上設(shè)有輸入/輸出光通路6與諧振環(huán)7 ;輸入/輸出光通路6的兩端位于光波導(dǎo)芯片5本體的邊緣；輸入/輸出光通路6與諧振環(huán)7通過(guò)輸入/輸出耦合器8相連，構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片5本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
如圖3所示，第二種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片9本體上設(shè)有輸入光通路10、輸出光通路11與諧振環(huán)12 ;輸入光通路10的兩端位于光波導(dǎo)芯片9本體的一側(cè)邊緣；輸出光通路11位于光波導(dǎo)芯片9本體的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)12位于輸入光通路10與輸出光通路11之間，諧振環(huán)12 —側(cè)通過(guò)輸入耦合器13與輸入光通路10相連，諧振環(huán)12另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器14與輸出光通路11相連，構(gòu)成透射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片11本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。如圖4所示，第三種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片15本體上設(shè)有輸入/輸出光通路16與諧振環(huán)17 ;輸入/輸出光通路16的兩端位于光波導(dǎo)芯片15的邊緣；輸入/輸出光通路15與諧振環(huán)17通過(guò)輸入/輸出耦合器19相連，構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)17上刻蝕有傾斜波導(dǎo)光柵18，傾斜波導(dǎo)光柵18反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片15芯層厚度的波導(dǎo)光柵，光波導(dǎo)芯片15本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導(dǎo)光柵18的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。如圖5所示，第四種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔在光波導(dǎo)芯片20本體上設(shè)有輸入光通路21、輸出光通路22與諧振環(huán)23 ;輸入光通路21的兩端位于光波導(dǎo)芯片20的一側(cè)邊緣；輸出光通路22位于光波導(dǎo)芯片20的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)23位于輸入光通路21與輸出光通路22之間，諧振環(huán)23 —側(cè)通過(guò)輸入耦合器26與輸入光通路21相連，諧振環(huán)23另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器27與輸出光通路22相連，構(gòu)成透射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)23的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導(dǎo)光柵24、第二傾斜波導(dǎo)光柵25,第一傾斜波導(dǎo)光柵24和第二傾斜波導(dǎo)光柵25反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片20芯層厚度的波導(dǎo)光柵；光波導(dǎo)芯片20本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料、第一傾斜波導(dǎo)光柵24和第二傾斜波導(dǎo)光柵25的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。所述的波導(dǎo)光柵，是在光波導(dǎo)芯片的光通路上，通過(guò)刻蝕エ藝去除部分芯層材料，再填充其他材料，從而形成反射界面，形成的光柵。所述的傾斜波導(dǎo)光柵，是指反射界面與光波導(dǎo)橫向截面有一定夾角的波導(dǎo)光柵。本專(zhuān)利所示意的傾斜波導(dǎo)光柵的刻蝕深度可以大于零且小于光波導(dǎo)芯片的芯層厚度。傾斜波導(dǎo)光柵的刻蝕深度越大，其填充介質(zhì)所占的比重也越大，改善光波導(dǎo)諧振腔溫度穩(wěn)定性的效果越好。
所述的熱光系數(shù)，是指反映某種材料的折射率隨溫度變化規(guī)律的參數(shù)，屬于材料本身的屬性，在數(shù)學(xué)上等于折射率關(guān)于溫度的導(dǎo)數(shù)。熱光系數(shù)為正，說(shuō)明溫度越高，該材料的折射率越大；熱光系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明溫度越高，該材料的折射率越?。粺峁庀禂?shù)的絕對(duì)值越大，說(shuō)明該材料的折射率隨溫度變化的幅度越大；熱光系數(shù)的絕對(duì)值越小，說(shuō)明該材料的折射率隨溫度變化的幅度越小
權(quán)利要求
1.ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔，其特征在于在光波導(dǎo)芯片(5)本體上設(shè)有輸入/輸出光通路(6)與諧振環(huán)(7);輸入/輸出光通路(6)的兩端位于光波導(dǎo)芯片(5)本體的邊緣；輸入/輸出光通路(6)與諧振環(huán)(7)通過(guò)輸入/輸出耦合器(8)相連，構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片(5)本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
2.ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔，其特征在于在光波導(dǎo)芯片(9)本體上設(shè)有輸入光通路(10)、輸出光通路(11)與諧振環(huán)(12);輸入光通路(10)的兩端位于光波導(dǎo)芯片(9)本體的一側(cè)邊緣；輸出光通路(11)位于光波導(dǎo)芯片(9)本體的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)(12)位于輸入光通路(10)與輸出光通路(11)之間，諧振環(huán)(12) 一側(cè)通過(guò)輸入稱合器(13)與輸入光通路(10)相連，諧振環(huán)(12)另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器(14)與輸出光通路(11)相連，構(gòu) 成透射式光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片(11)本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
3.ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔，其特征在于在光波導(dǎo)芯片(15)本體上設(shè)有輸入/輸出光通路(16)與諧振環(huán)(17);輸入/輸出光通路(16)的兩端位于光波導(dǎo)芯片(15)的邊緣；輸入/輸出光通路(15)與諧振環(huán)(17)通過(guò)輸入/輸出I禹合器(19)相連,構(gòu)成反射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)(17)上刻蝕有傾斜波導(dǎo)光柵(18)，傾斜波導(dǎo)光柵(18)反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片(15)芯層厚度的波導(dǎo)光柵，光波導(dǎo)芯片(15)本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導(dǎo)光柵(18)的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
4.ー種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔，其特征在于在光波導(dǎo)芯片(20)本體上設(shè)有輸入光通路(21)、輸出光通路(22)與諧振環(huán)(23);輸入光通路(21)的兩端位于光波導(dǎo)芯片(20)的一側(cè)邊緣；輸出光通路(22)位于光波導(dǎo)芯片(20)的另ー側(cè)邊緣；諧振環(huán)(23)位于輸入光通路(21)與輸出光通路(22)之間，諧振環(huán)(23) —側(cè)通過(guò)輸入稱合器(26)與輸入光通路(21)相連，諧振環(huán)(23 )另ー側(cè)通過(guò)輸出耦合器(27 )與輸出光通路(22 )相連，構(gòu)成透射式光波導(dǎo)諧振腔；諧振環(huán)(23)的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導(dǎo)光柵(24)、第二傾斜波導(dǎo)光柵(25),第一傾斜波導(dǎo)光柵(24)和第二傾斜波導(dǎo)光柵(25)反射界面與光線傳輸方向成大于O度小于90度的夾角、刻蝕深度大于零且小于光波導(dǎo)芯片(20)芯層厚度的波導(dǎo)光柵；光波導(dǎo)芯片(20)本體上設(shè)有上包層和下包層,上包層的材料、第一傾斜波導(dǎo)光柵(24)和第ニ傾斜波導(dǎo)光柵(25)的填充介質(zhì)為負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成，負(fù)熱光系數(shù)的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有溫度穩(wěn)定性的光波導(dǎo)諧振腔技術(shù)。在光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有輸入/輸出光通路與諧振環(huán)；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導(dǎo)芯片本體的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環(huán)通過(guò)輸入/輸出耦合器相連，構(gòu)成光波導(dǎo)諧振腔；光波導(dǎo)芯片本體上設(shè)有上包層和下包層，上包層的材料為負(fù)熱光系數(shù)材料，負(fù)熱光系數(shù)材料為含氟丙烯酸酯共聚物。諧振環(huán)上還可刻蝕傾斜波導(dǎo)光柵，傾斜波導(dǎo)光柵的填充介質(zhì)也為含氟丙烯酸酯共聚物。本發(fā)明改善了光波導(dǎo)諧振腔的溫度特性，降低了其對(duì)諧振伺服回路性能的要求，能夠應(yīng)用在諧振式光學(xué)陀螺等其他領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C19/66GK102645214SQ20121010352
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者金仲和, 陳振, 馬慧蓮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)