專利名稱：一種具有溫度穩定性的光波導諧振腔的制作方法
技術領域：
本發明涉及光波導諧振腔，尤其涉及ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔。
背景技術：
光學環形諧振腔是諧振式光學陀螺(Resonator Optic Gyro, R0G)的核心敏感部件，將ー個2X2光學耦合器的其中ー個輸出端，反饋連接到其中一個輸入端，就構成了一個最基本的反射式諧振腔結構；透射式諧振腔結構則由2個2X2光學耦合器構成。根據實現方式的不同，可以是光纖構成的光纖環形諧振腔，或光波導構成的光波導諧振腔，統稱為光學諧振腔。在諧振式光學陀螺中，通過檢測光學諧振腔順時針(Clockwise，CW)和逆時針(Counterclockwise,CCff)光路的諧振頻率差得到諧振腔相對于慣性參照系的旋轉角速度。由于Sagnac效應是一種極其微弱的效應，由旋轉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，實際光學環形諧振腔的諧振頻率會發生漂移。如對于ニ氧化硅光波導或光纖構成的光學諧振腔，SiO2熱光系數I為10_5/°C，當溫度變化1°C時，光學諧振腔諧振頻率漂移達到GHz，而1° /s的旋轉角速率引起的CW和CCW光路的諧振頻率差僅為幾百Hz。因此，實用的諧振式光學陀螺采用閉環結構，將ー側光路的信號輸出作為反饋，實時調整激光器的輸出頻率，使之跟隨環境溫度的變化，從而使激光器的工作頻率與光學諧振腔的諧振頻率一致。這種設計思想對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。在此基礎上，學者們還提出了多種溫度控制方案，包括被動式恒溫與主動式控溫等。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，與諧振式光學陀螺體積小、重量輕、功耗低的特點不相符合。構成硅基ニ氧化硅波導芯片的材料具有正熱光系數，即折射率隨溫度升高ニ增大。使用負熱光系數的材料作為補償，可以降低光波導芯片整體的溫度敏感性。本發明的目的在于利用折射率接近且小于ニ氧化硅、具有負熱光系數的含氟丙烯酸酯共聚物，研制出具有溫度穩定性的光波導諧振腔，改善ROG的性能。
發明內容
本發明g在克服現有技術的不足，提出ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔技術。第一種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片本體上設有輸入/輸出光通路與諧振環；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導芯片本體的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環通過輸入/輸出耦合器相連，構成反射式光波導諧振腔；光波導芯片本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第二種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片本體上設有輸入光通路、輸出光通路與諧振環；輸入光通路的兩端位于光波導芯片本體的一側邊緣；輸出光通路位于光波導芯片本體的另ー側邊緣；諧振環位于輸入光通路與輸出光通路之間，諧振環ー側通過輸入耦合器與輸入光通路相連，諧振環另ー側通過輸出耦合器與輸出光通路相連，構成透射式光波導諧振腔；光波導芯片本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第三種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片本體上設有輸入/輸出光通路與諧振環；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導芯片的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環通過輸入/輸出耦合器相連，構成反射式光波導諧振腔；諧振環上刻蝕有傾斜波導光柵，傾斜波導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芯片芯層厚度的 波導光柵，光波導芯片本體上設有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導光柵的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。第四種種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片本體上設有輸入光通路、輸出光通路與諧振環；輸入光通路的兩端位于光波導芯片的一側邊緣；輸出光通路位于光波導芯片的另ー側邊緣；諧振環位于輸入光通路與輸出光通路之間，諧振環ー側通過輸入耦合器與輸入光通路相連，諧振環另ー側通過輸出耦合器與輸出光通路相連，構成透射式光波導諧振腔；諧振環的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導光柵、第二傾斜波導光柵，第一傾斜波導光柵和第二傾斜波導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芯片芯層厚度的波導光柵；光波導芯片本體上設有上包層和下包層，上包層的材料、第一傾斜波導光柵和第二傾斜波導光柵的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。本發明與現有技術相比具有的有益效果I)具有溫度穩定性光波導諧振腔在保留光波導諧振腔重量輕、體積小的優點的同時，改善了光波導諧振腔的溫度穩定性，諧振頻率受溫度影響導致的漂移小，有利于提高陀螺性能。2)本發明與集成傾斜波導光柵結構的光波導諧振腔技術組合使用，既保留了傾斜波導光柵結構具有高偏振消光比的優點，又使負熱光系數材料在整個光波導諧振腔中所占比重増大。合理設計傾斜波導光柵結構的總長度，可以精確控制光波導諧振腔的整體熱光系數，進ー步提高光波導諧振腔的溫度穩定性。3)本專利所述的負熱光系數材料，即含氟丙烯酸酯共聚物，可溶于現有的大部分有機溶劑，可以直接旋涂在光波導諧振腔上，從而省去了化學氣相淀積(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芯片的剖面圖；圖2是第一種具有溫度穩定性的光波導諧振腔結構示意圖；圖3是第二種具有溫度穩定性的光波導諧振腔結構示意圖；圖4是第三種具有溫度穩定性的光波導諧振腔結構示意圖；圖5是第四種具有溫度穩定性的光波導諧振腔結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明所述光波導芯片的光通路、諧振環部分的剖面圖；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成的上包層為4。如圖2所示，第一種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片5本體上設有輸入/輸出光通路6與諧振環7 ;輸入/輸出光通路6的兩端位于光波導芯片5本體的邊緣；輸入/輸出光通路6與諧振環7通過輸入/輸出耦合器8相連，構成反射式光波導諧振腔；光波導芯片5本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
如圖3所示，第二種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片9本體上設有輸入光通路10、輸出光通路11與諧振環12 ;輸入光通路10的兩端位于光波導芯片9本體的一側邊緣；輸出光通路11位于光波導芯片9本體的另ー側邊緣；諧振環12位于輸入光通路10與輸出光通路11之間，諧振環12 —側通過輸入耦合器13與輸入光通路10相連，諧振環12另ー側通過輸出耦合器14與輸出光通路11相連，構成透射式光波導諧振腔；光波導芯片11本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。如圖4所示，第三種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片15本體上設有輸入/輸出光通路16與諧振環17 ;輸入/輸出光通路16的兩端位于光波導芯片15的邊緣；輸入/輸出光通路15與諧振環17通過輸入/輸出耦合器19相連，構成反射式光波導諧振腔；諧振環17上刻蝕有傾斜波導光柵18，傾斜波導光柵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芯片15芯層厚度的波導光柵，光波導芯片15本體上設有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導光柵18的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。如圖5所示，第四種具有溫度穩定性的光波導諧振腔在光波導芯片20本體上設有輸入光通路21、輸出光通路22與諧振環23 ;輸入光通路21的兩端位于光波導芯片20的一側邊緣；輸出光通路22位于光波導芯片20的另ー側邊緣；諧振環23位于輸入光通路21與輸出光通路22之間，諧振環23 —側通過輸入耦合器26與輸入光通路21相連，諧振環23另ー側通過輸出耦合器27與輸出光通路22相連，構成透射式光波導諧振腔；諧振環23的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導光柵24、第二傾斜波導光柵25,第一傾斜波導光柵24和第二傾斜波導光柵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芯片20芯層厚度的波導光柵；光波導芯片20本體上設有上包層和下包層，上包層的材料、第一傾斜波導光柵24和第二傾斜波導光柵25的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。所述的波導光柵，是在光波導芯片的光通路上，通過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。所述的傾斜波導光柵，是指反射界面與光波導橫向截面有一定夾角的波導光柵。本專利所示意的傾斜波導光柵的刻蝕深度可以大于零且小于光波導芯片的芯層厚度。傾斜波導光柵的刻蝕深度越大，其填充介質所占的比重也越大，改善光波導諧振腔溫度穩定性的效果越好。
所述的熱光系數，是指反映某種材料的折射率隨溫度變化規律的參數，屬于材料本身的屬性，在數學上等于折射率關于溫度的導數。熱光系數為正，說明溫度越高，該材料的折射率越大；熱光系數為負，說明溫度越高，該材料的折射率越小；熱光系數的絕對值越大，說明該材料的折射率隨溫度變化的幅度越大；熱光系數的絕對值越小，說明該材料的折射率隨溫度變化的幅度越小
權利要求
1.ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔，其特征在于在光波導芯片(5)本體上設有輸入/輸出光通路(6)與諧振環(7);輸入/輸出光通路(6)的兩端位于光波導芯片(5)本體的邊緣；輸入/輸出光通路(6)與諧振環(7)通過輸入/輸出耦合器(8)相連，構成反射式光波導諧振腔；光波導芯片(5)本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
2.ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔，其特征在于在光波導芯片(9)本體上設有輸入光通路(10)、輸出光通路(11)與諧振環(12);輸入光通路(10)的兩端位于光波導芯片(9)本體的一側邊緣；輸出光通路(11)位于光波導芯片(9)本體的另ー側邊緣；諧振環(12)位于輸入光通路(10)與輸出光通路(11)之間，諧振環(12) 一側通過輸入稱合器(13)與輸入光通路(10)相連，諧振環(12)另ー側通過輸出耦合器(14)與輸出光通路(11)相連，構 成透射式光波導諧振腔；光波導芯片(11)本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
3.ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔，其特征在于在光波導芯片(15)本體上設有輸入/輸出光通路(16)與諧振環(17);輸入/輸出光通路(16)的兩端位于光波導芯片(15)的邊緣；輸入/輸出光通路(15)與諧振環(17)通過輸入/輸出I禹合器(19)相連,構成反射式光波導諧振腔；諧振環(17)上刻蝕有傾斜波導光柵(18)，傾斜波導光柵(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芯片(15)芯層厚度的波導光柵，光波導芯片(15)本體上設有上包層和下包層，上包層的材料和傾斜波導光柵(18)的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
4.ー種具有溫度穩定性的光波導諧振腔，其特征在于在光波導芯片(20)本體上設有輸入光通路(21)、輸出光通路(22)與諧振環(23);輸入光通路(21)的兩端位于光波導芯片(20)的一側邊緣；輸出光通路(22)位于光波導芯片(20)的另ー側邊緣；諧振環(23)位于輸入光通路(21)與輸出光通路(22)之間，諧振環(23) —側通過輸入稱合器(26)與輸入光通路(21)相連，諧振環(23 )另ー側通過輸出耦合器(27 )與輸出光通路(22 )相連，構成透射式光波導諧振腔；諧振環(23)的兩臂分別刻蝕有第一傾斜波導光柵(24)、第二傾斜波導光柵(25),第一傾斜波導光柵(24)和第二傾斜波導光柵(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芯片(20)芯層厚度的波導光柵；光波導芯片(20)本體上設有上包層和下包層,上包層的材料、第一傾斜波導光柵(24)和第ニ傾斜波導光柵(25)的填充介質為負熱光系數的材料構成，負熱光系數的材料為含氟丙烯酸酯共聚物。
全文摘要
本發明公開了一種具有溫度穩定性的光波導諧振腔技術。在光波導芯片本體上設有輸入/輸出光通路與諧振環；輸入/輸出光通路的兩端位于光波導芯片本體的邊緣；輸入/輸出光通路與諧振環通過輸入/輸出耦合器相連，構成光波導諧振腔；光波導芯片本體上設有上包層和下包層，上包層的材料為負熱光系數材料，負熱光系數材料為含氟丙烯酸酯共聚物。諧振環上還可刻蝕傾斜波導光柵，傾斜波導光柵的填充介質也為含氟丙烯酸酯共聚物。本發明改善了光波導諧振腔的溫度特性，降低了其對諧振伺服回路性能的要求，能夠應用在諧振式光學陀螺等其他領域，具有重要的科學意義與應用價值。
文檔編號G01C19/66GK102645214SQ20121010352
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者金仲和, 陳振, 馬慧蓮 申請人:浙江大學