微光学陀螺楔形谐振腔制备技术研究

Si基谐振式光学微腔陀螺以小型化、集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势,其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径D与品质因数Q值乘积,目前常见的硅基微腔直径为微米级,为了进一步提高极限灵敏度,实验中控制加工工艺减小反应过程中残余应力与表面粗糙度,制备出直径D为8mm、表面粗糙度小于1nm、Q值2.4×106的大尺寸硅基SiO2楔形谐振腔,可实现陀螺极限灵敏度达到55°/h,为芯片级、集成化的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础。     

硅基盘型腔的光学谐振式陀螺DQ乘积优化

硅基盘型谐振腔由于其高品质因数Q值的特性,作为谐振式陀螺的核心元件,有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化,成为目前谐振式陀螺中研究的基础。谐振式陀螺的极限灵敏度受谐振腔的DQ乘积(谐振腔直径D与Q值的乘积)的大小直接影响,提出制作大尺寸的盘型谐振腔获得高的DQ乘积,从而提升谐振式陀螺的极限灵敏度。通过理论计算仿真得到盘型谐振腔的Q值、DQ乘积以及陀螺灵敏度与谐振腔直径D的对应关系及其原因,实验中,采用传统半导体工艺制备不同直径的盘型腔(400μm~10 mm),通过与锥形光纤进行耦合测试得到输出透射谱线,得到盘型谐振腔直径D与Q值的变化成正比关系,得到最优的盘型腔参数,当D=10 mm时,Q值可达1.2×106,通过提升工艺精度以及后续优化还有极大的提升空间,理想条件下将实验得到的数据通过理论计算得到谐振式陀螺灵敏度可达0.02°/s,提供了一种提高谐振式陀螺灵敏度的思路。     

热氧化法改善光学谐振腔的传输特性（英文）

为了改善光学波导较大的侧壁粗糙度,探究分次氧化工艺相比于单次氧化工艺的优势,运用微机电系统(MEMS)工艺制备了绝缘体上硅环型谐振腔和跑道型谐振腔,并通过单次氧化工艺和二次氧化工艺对其进行优化处理。理论分析并仿真了粗糙度、散射损耗和光学谐振腔传输特性之间的关系。实验结果显示,相同的氧化深度下,相比单次氧化工艺,二次氧化工艺获得了较窄的半峰全宽(FWHM)、较高的品质因数(Q)和较低的传输损耗。研究结果为波导表面光滑研究提供了重要的参考依据,同时对于高Q值、低损耗谐振腔的制备及其在滤波器、生物传感和光学陀螺等相关领域中的应用具有重要的研究意义。     

面向陀螺应用的硅基大尺寸楔角型谐振腔

针对集成光学陀螺中核心敏感单元难以同时实现集成化和高灵敏度问题,提出了硅基二氧化硅楔角型谐振腔的制作方案。通过理论分析得出,由光电探测器散弹噪声引起的陀螺极限灵敏度与谐振腔的直径和品质因数乘积(DQ)成正比。运用MEMS工艺,制作出直径达1.5 cm、楔角22的谐振腔;通过控制氧化硅腐蚀时掩膜层的参数,获得了不同楔角的谐振腔,并论述了腐蚀楔角跟掩膜层参数的关系。通过耦合测试,该谐振腔品质因数为2106,理论上采用上述谐振腔研制的陀螺, 其极限灵敏度可达6 ()/h。     

掺铒光纤谐振腔陀螺的谐振腔设计

光纤谐振腔作为谐振式光学陀螺的核心传感器件,其性能直接决定了谐振式光学陀螺的灵敏度。目前使用的光纤谐振腔存在着品质因数偏低的问题,极大地限制了谐振式光学陀螺极限灵敏度的提升。将掺铒光纤引入到光纤谐振腔中并外加高稳定性的泵浦激光器形成掺铒光纤谐振腔,从而有效提升了谐振腔的品质因数。通过对激光功率、掺铒光纤长度等参数的实验探索,确定了最佳的掺铒光纤谐振腔的设计参数,实现了应用于谐振式光学陀螺品质因数为1.44×109的掺铒光纤谐振腔。搭建了基于掺铒光纤腔的谐振式光学陀螺测试系统,经实验测试该系统的零偏稳定性为0.077 5°/s,验证了掺铒光纤腔在陀螺系统中的应用,为新型角速度测量技术提供了新的研究思路和发展方向。     

氮化硅微腔中的光学频率梳(特邀)

具有高品质因子（Q 值）的光学谐振腔能够长时间将光束缚在较小的模式体积内,极大地增强了光与物质的相互作用,成为集成光学器件中具有重大潜力的重要组成部分。聚焦于目前广泛应用于集成非线性光学领域的氮化硅材料平台,为了解决大尺寸氮化硅微环腔由拼接误差、表面粗糙等因素导致的散射损耗较大的问题,进行了一系列的工艺改进以提高大尺寸氮化硅微环腔的品质因子。结果表明:通过薄膜再沉积工艺可以有效降低氮化硅波导的散射损耗,半径为560 μm的大尺寸氮化硅微环腔的本征Q值得到了平均26% 的提升。得益于提高的微腔Q 值,在氮化硅微环腔中实现了重复频率40 GHz 的光学频率梳。     

光泵浦Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔激光器

氮化镓基微盘结构光学谐振腔具有波长选择范围宽、模式体积小和激射阈值低等特点,其在腔量子电动力学、低阈值激光器、生物传感器等方面具有重要的研究价值.通过优化制备微盘的干法刻蚀工艺及选择性湿法腐蚀技术,制备出侧壁陡峭且光滑的高Q值Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔,该微盘谐振腔的制备工艺简单、表面损伤小.在室温、266 nm短波长激光泵浦条件下,微盘谐振腔激光器实现了激射,阈值为2.85 MW/cm2,Q值达到2161.     

光学微盘的溶胶—凝胶法制备及其性能研究

光学微谐振腔是指尺度可与光波长比拟且具有高品质因数Q的谐振腔.目前人们制备的光学微腔主要有F-P谐振腔、小球、微盘、微环等.实验中制备光学微谐振腔的关键是如何提高其Q值.到目前为止,人们制备光学微盘的方法主要是半导体刻蚀、聚合物光刻两种方法.我们把溶胶-凝胶技术引入到微盘的制作中来,结合光刻工艺,得到了数十微米直径微盘的列阵.在制备微盘的过程中掺入激光染料若丹明B,用来研究所制备微盘的光学性质.在532 nm激光抽运下,观察到回廊耳语模式,实验所得模式的峰位与理论值相符.利用实验数据估算所制备的微盘谐振腔Q值约为900.实验结果表明,溶胶-凝胶技术和光刻工艺结合,是一种用于制备光学微盘简单可行的方法.(OC23)     

谐振式微光学陀螺仪谐振微腔的最新进展

基于Sagnac效应的谐振式微光学陀螺(Resonant Micro-Optical Gyros, RMOG)在集成化、小型化和灵敏度等方面具有巨大潜力,在微纳卫星姿态控制、机器人控制、医学诊断和检测仪器等领域中具有广阔的应用前景,成为近年来研究的热点。谐振微腔作为谐振式微光学陀螺的核心敏感元件,其光学特性与陀螺系统的性能息息相关,谐振腔的研究进展已经严重制约到谐振式微光学陀螺的发展,目前可以通过集成光学技术、微纳光学加工技术和新型材料的应用来减小谐振腔的重量和尺寸,降低成本和功耗,增加系统的可靠性和性能指标。结合期刊会议和相关研究机构披露的信息,简要介绍了谐振式微光学陀螺的发展现状、基本原理以及谐振微腔的特征参量,列举了近期国内外谐振微腔的各种新型结构设计并分析了不同结构的特点与潜力,此外还综述了近期国内外制作谐振微腔的新型材料并总结了不同材料的光学特性,初步探讨了谐振式微光学陀螺敏感单元谐振微腔的后续发展方向和技术发展途径。     

高精度环形谐振腔的结构设计及优化

环形谐振器作为谐振式光学陀螺的核心敏感部件,其精细度的大小直接影响光纤陀螺的灵敏度,所以研究光纤环形谐振器的特性及其精细度是优化陀螺设计和制造及提高性能的关键.通过对比分析不同耦合器结构的耦合原理,系统分析了在一定激光器线宽的基础上,谐振式光学陀螺系统灵敏度和谐振腔光路中各参数的间的关系及耦合器耦合系数与各损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要参数.最终在同时考虑到谐振腔的高精细度和高Q值得前提下,得到当腔长尺寸为21.4 cm时,精细度达170,Q值为3.34107,此时,灵敏度为0.48 ()/h,并且,通过建立一个R-MOG闭环实验系统,对系统双路转动的闭环响应进行了测试,这为陀螺系统的构建提供了理论和实验基础.     

二氧化硅光波导环形谐振腔

利用宽角光束传输法(WA-BPM)对二氧化硅平面波导环形谐振腔进行了优化设计,详细分析了不同环形腔长度下,谐振腔清晰度与环形腔耦合器耦合系数的关系,并进一步分析了由光探测器散弹噪声所限制的谐振型光学陀螺极限灵敏度和环形腔光路参量之间的关系。在此基础上,在硅衬底上利用火焰水解化学掺GeO2的二氧化硅波导上制作成带输入/输出耦合器的环形谐振腔芯片。并通过实验测试了所研制的光波导环形谐振腔,其清晰度高达60,理论分析表明采用上述环形谐振腔研制的陀螺,其极限灵敏度可达1°/h。     

单轴MEMS热膨胀流陀螺敏感机理三维有限元分析

该文提出了一种单轴微机电系统(MEMS)热膨胀流陀螺的基本结构,并揭示了其敏感机理。通过有限元法,利用COMSOL Multiphysics建立了陀螺的三维模型,在有无角速度时对陀螺敏感元件的温度场和等温线变化情况进行计算。结果表明,单轴MEMS热膨胀流陀螺具有陀螺效应,输入角速度为[-1 080 (°)/s, 1 080 (°)/s],陀螺的结构灵敏度为0.053 9 K/[(°)·s^-1],非线性度为14.13%。     

纳米光波导光滑技术研究进展

随着半导体工业的发展,集成光电器件的特征尺寸越来越小,纳米光波导表面光滑技术将面临新的挑战。降低纳米光波导表面粗糙度,制造超低损耗纳米光波导,实现其高效片间光互连与片内光耦合,是集成光电子器件,特别是高灵敏微陀螺、生化传感器、光通讯等器件发展的关键。主要分析了光波导表面粗糙度与传播损耗的关系,着重阐述纳米光波导表面光滑工艺方法,包括热氧化法、氢退火法及激光束法的研究现状及最新进展,总结了各类工艺的技术难点与发展前景,并展望其在微机电、光集成方面应用前景。     

谐振式微光学陀螺系统设计

集成化、微型化是谐振式光学陀螺的发展趋势之一.通过分析在一定激光器线宽情况下,谐振式微光学陀螺(R-MOG)系统极限灵敏度和环形谐振腔光路中各主要参数之间的关系,得到环形谐振腔耦合系数与环形谐振腔损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要光学参数,使得系统的极限灵敏度达到最高.并且对实际设计的集成微光学环形谐振腔组成的R-MOG系统进行模拟转动的开环响应测试.为R-MOG系统的构建提供了理论及实验基础.     

硅氢键对波导表面光滑化影响的理论仿真

低损耗高Q值硅基纳米光波导谐振腔,是高灵敏探测器、生物传感器、光通讯器件等发展的关键。而波导表面粗糙度会造成较大的光传输损耗,是制约硅基纳米光波导谐振腔Q值提高的一个重要因素。降低硅基纳米光波导表面粗糙度已成为光波导器件发展的一个关键问题,氢退火工艺是当前改善波导表面粗糙度的一种关键技术。基于表面硅氢键流密度理论,利用Materials Studio软件模拟氢退火光滑化处理过程中硅与氢之间的反应,搜索反应过渡态,探究硅氢键、温度等因素对反应的影响。结果表明:在高温氢退火氛围下,波导表面硅原子与氢原子之间能够形成硅氢键,且温度越高,在硅氢键作用下表面硅原子迁移速率越快,表面由高能态向低能态过渡,表面光滑化效果越明显。     

基于HNA溶液腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展

基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小,质量轻,成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结构整体对称性高的半球型模具对于半球谐振子的性能有决定性的影响。在HNA(氢氟酸、硝酸、醋酸)各向同性腐蚀液制作微半球谐振子模具的原理基础上,介绍基于HNA溶液各向同性腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展,指出了各向同性腐蚀工艺目前所面临的主要技术问题,并对此提出了一些可能的解决途径。