1、大作业丁武文 2008010646 精 85折射微光学元件：1.折射微透镜：椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用 1基础：LD 发射光束具有以下两个特点：（2）x 与 y 方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆形的。传统的耦合技术是将 LD 基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。由于 LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到 10%。目前已有几种提高LD 和光纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，相当于一个透镜。LD 和透镜话光纤的耦合效率是 2.5dB6.4dB。另一类是利用梯度折射率光纤，光纤中不同部位
2、的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率大约是 0.84 dB3dB，工作距离低于 4 500 m。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对 LD 光束进行准直、整形，使发散光束成为适合光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。微透镜的设计及制备：按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将 PMMA 溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶液是光学级纯度的 PMMA 溶于 MMA 单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图 1 所示。在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用蒸馏水清洗 10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在
3、超声波清洗器中清洗 10 min。将清洗干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为 10，对 PMMA溶液基本不浸润。然后在基板上用 MMA 溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区域对 PMMA 溶液完全浸润 ( 如图 2 所示) 。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减小 MMA 单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至 100 ，这时PMMA 和 MMA 单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到 180 ，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，能够保持住形状，在表面张力的作用
4、下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为 2#i48f1FiiiiiDhRn（ ）（ ）（ 3）其中 fi 为椭圆透镜焦距，包括 X 方向 fx 和 Y 方向 fy; Ri 为椭圆透镜曲率半径，包括 X方向 Rx 和 Y 方向 Ry;；Di 为椭圆透镜直径，包括 X 方向 Dx 和 Y 方向 Dy；F#i 为椭圆透镜数值孔径，包括 X 方向 F#x 和 Y 方向 F#y;；h 为椭圆透镜矢高；n 为材料折射率。对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶
5、液的粘度决定，而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状( 包括直径、矢高和曲率半径) 。实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的两个焦距。实验中选用 28 号针头，其内径为 0.15 mm，外径为 0.35 mm; 溶液浓度为 4 mol/L。使用微透镜阵列的耦合：我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同轴的容忍性。由于 LD 的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，所以我们在实验中使用了同样的
6、 LD 和光纤来比较两者的耦合。测得 1.55 m 的 LD 发出的光束在接触面处的垂直和水平发散角分别是 39.3和 20.2，光纤芯径为 8.6 m，折射率差为 0.42%，数值孔径为 0.096。平接连接法中, 光束从 LD 直接进入光纤中。微透镜耦合法中 , 在两者之间增加了一个椭圆微透镜, LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上 , 其在 X、Y、Z 方向移动精度上 0.1 m,X、Y 方向上转动精度是 3。激光光束经过一段一米长的 SMF 传至能量计上来测量其光能分布。利用红外感应卡( 当被红外线照射时可以放射出可见光 ) 来帮助调整定位。首先, 调整 LD 和光纤。对于平
7、接连接法, LD 发光面与光纤端面直接相连, 对于微透镜耦合法,LD 与微透镜阵列背面( 即石英基板一侧) 相连。LD 的驱动电流从 9.0 mA 调至18.0 mA, 测出激光输出能量。微透镜耦合方案的耦合效率是链接法的 8 倍。另外, 对不同轴的容忍性也是影响耦合效率的重要因素。不同轴包括水平错位、轴向错位和角度倾斜。与平接连接法相比, 微透镜耦合法对水平错位和轴向错位有很好的容忍性, 但对角度倾斜要求很高。优缺点：LD 与光纤之间使用微透镜耦合的方案与传统的平接连接法相比, 耦合效率大大提高, 并且对水平和轴向的对接精度要求显著降低，但是对角度倾斜要求很高。微反射镜：静电微反射镜的应用研
8、究主要集中在光开关、投影仪和被动式空间光通信器件三个领域中。光开关和应用于投影仪的微反射镜研究起步较早, 空间光通信器件的研究是最近几年才发展起来的。微反射棱镜 2:微反射镜的另一重要应用领域是空间光通信, 这方面角锥棱镜( Cube- corner Retroreflector) 的结构方式应用最为普遍。东京科技大学对其在无线通信系统中的应用进行了系统分析。角锥棱镜的入射光束分布于三个镜面上, 仅仅在有效光阑半径内的入射光才能经过三镜面的依次反射产生与入射光平行的出射光, 且出射光与入射光光强呈中心对称。角锥棱镜具有三个相互正交的工作平面, 相比平面镜来说体积较大、结构复杂, 同时还对工艺精
9、度尤其是镜面的相互垂直度要求高。由于其入、出射光平行, 能从原理上自动跟踪光源, 可望用于近距离网络通信、星际通信等领域, 尤其适用于随动通信系统间的通信。DARPA 计划所提出的智能尘埃中的被动光通信装置就采用了角锥棱镜系统。它被作为空间光通信的重要器件从本世纪初起进行了重点研究, 其重点是具有高垂直精度的微角锥棱镜结构及工艺。具有良好工艺性和精度可靠性的典型结构如图 5 所示,它们分别包含两个侧反射面和一个底反射面。底反射面由可动微反射镜组成, 它通过微反射镜的角度变化改变三个面的正交性, 进而改变反射光的平行性。侧面分别由铰支结构、插装结构装配而成, 前者结构较为复杂、工艺复杂; 后者相
10、反, 工艺复杂结构简单。两种结构的共同缺陷是距离应用有一定差距。应用于被动空间光通信领域的微角锥棱镜是静电微反射镜方向具有挑战性的课题之一，研究的成功将为通信带来又一次革命。它的研究始于 DARPA 计划和加利福尼亚大学伯克利分校传感器与执行器研究中心( Berkeley Sensor 其与热释电元件配合, 可以提高传感器的灵敏度, 扩大监视范围。菲涅耳透镜有折射式形式, 它的聚焦作用是增加灵敏度, 使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式影响红外传感器, 这样红外传感器就能产生变化的电信号。当传感器加上菲涅尔透镜后, 其检测距离大约可以增加到原来的五倍。优缺点：与普通透镜相比，菲涅尔透镜加工
11、方便，重量轻，价格低廉。折衍混合系统：液体可变焦折衍混合系统的研究 7液体变焦透镜技术及其发展：微光学系统中使用的光学组件的典型尺寸为几十至几百微米，在这个尺度下，液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。目前已经提出了很多种操纵微小液滴的方法用于改变液体透镜的焦距，包括利用结构化表面、热毛细管作用、电化学效应、介电电泳和介质上的电润湿(EWOD) 、通过机械结构直接改变液滴表面曲率等，其中最后两种方法以直接用电控制离散液滴表面张力的EWOD法和通过机械结构直接改变液滴表面曲率法受到日益关注。举例说明：电润湿法液体变焦透镜介质上电润湿是从电润湿I0(Eleet
12、rowetting，Ew)发展而来的。1936 年，Aleksandr Froumkine利用电场来改变处于金属表面上的小水滴的形状，并成功的推动液滴在平板上运动，这种现象便被称为电润湿，它是通过在液滴和电极之间施加电场，来改变液一固表面的张力系数，从而改变接触角的大小。然而，对于这种液滴与电极直接接触的结构，接触角的改变量很小，而且易产生气泡，稳定性差。近年来研究发现在液滴与电极间插入一层薄的绝缘介质层后仍然可以用电控制液滴的接触角，从而被称为介质上的电润湿(Eleetrowettingonnieleetrie，EwOD)。改变液滴接触角所需的静电场是通过在液滴和平板电极问施加一定电压来完成
13、的，平板电极内嵌于绝缘衬底，并且距液体与固体的交界面有一定距离。利用介质上电润湿，可以制作出由微小液滴组成的变焦透镜，其基本结构如图3.1所示。当小液滴置于疏水绝缘层上时，在表面张力的作用下，液滴与疏水绝缘层之间的初始接触角为钝角，液面曲率大。入射平行光线经过液滴时发生折射而会聚于一点如图2.1(a)，此时液滴形成的透镜的焦距短。当在液滴与电极间施加一定电压时，由于EWOD效应，液滴的接触角将减小，液面的曲率也随之减小，入射光线经液滴后将会聚于较远的点，透镜焦距增大如图2.1(b)。在液滴接触角未饱和的情况下，所加电压越高，EWOD效应将越明显，液滴接触角及液面曲率越小，透镜焦距越大，从而达到
14、通过改变控制电压来调节透镜焦距的目的。利用EWOD 效应，通过外加电压来调节液面的曲率，就可以实现对透镜焦距的控制。与其它结构相比，这类透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。目前，国外已有许多单位在研究这类透镜，而且进展很快，有的已经产品化了，例如Philips公司于2004年3 月发布了一款名为FluldFocus的可用于拍照手机等便携设备的液体变焦透镜。与传统的固体变焦透镜相比，液体可变焦透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。液体变焦透镜存在的问题：但是上述的液体变焦单透镜仍然为传统的折射光学系统，不可避免的存在色
15、差问题。如果用传统的双胶或三片镜片来消除色差仍然会有体积大，结构复杂的弊端，如果将变焦光学组件的尺寸降为几十至几百微米时由于液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。此时不同液体的接触面曲率就容易发生变化，不容易控制，这不适合双胶或三片镜片的形式来消除色差。因此普通的液体可变焦单透镜在变焦的同时要做到消除色差并不容易。液体变焦透镜作为光电子器件中的新兴部件，其巨大的优点正受到各行各业的广泛注意，业界专家还表示，液体透镜很有可能会全面取代传统光学镜头。但是传统的液体变焦透镜无论是电湿润式的还是机械式的，都往往会有色差现象，而且在变焦的同时要做到消除色差并不容易。
16、随着二元光学技术的发展，人们越来越多地采用二元光学技术来改进传统的折射光学元件(如折衍混合系统 )，以提高它们的性能，并实现普通光学元件无法实现的特殊功能。本文提出两种液体可变焦折衍混合透镜，如图4.1所示，一种为二元面在基底为平面的折射面上的可变焦混合透镜( 图4.1(a)，另一种为二元面附着在基底为曲面的折射面上的可变焦混合透镜(图4.1(b)。如图所示。设计模型：液体可变焦折衍混合光学系统由传统的液体折射透镜系统和二元透镜系统组成。由于BOE的色散特性与材料的无关性和负向性就非常有利于消色差，这也是 BOE在成像领域受到青眯的主要原因。这种以液体作为折射系统的材料，结合衍射面的可变焦单透
17、镜变焦非常具有可行性。该模型A将二元面附着在基底为平面的折射面上，当基底另一侧表面曲率发生变化时，不影响二元面结构，如图4.2 所示。为了设计该光学系统，我们设 为设计中心波长， 和 为消色差波长，整个光学系统的焦距为F。该模型的光路示意图如图.所示。该光学系统的成像过程可以视为物点M经过液体折射透镜第一次成像于点，再经过衍射透镜进行第二次成像于 点。图中 为第m带外边缘，AB 的长度d定义为刻蚀深度，有 1pdn其中 为衍射面的折射率。折射元件的色差是由光学材料的材料色散引起的，而BOE 的色差是有微结构衍射的波长依赖性引起的，其色散特性和材料特性正好相反。对于液体可变焦折衍混合透镜来说，对
18、焦距的改变起决定作用的是其折射部分。衍射部分主要负责消除色差，其对于焦距的变化量很小。液体变焦透镜在成像时要得到合适的透镜焦距，并不需要像传统透镜那样通过透镜自身的镜头沿光轴方向转动。液滴和油滴表面曲率的改变才是液体透镜实现变焦的关键所在，如两种液体间接触面的形状在电压作用下会发生改变，从而实现变焦。由于考虑薄透镜，因此焦距变化公式为: ()1refRn由于普通的液体变焦透镜在基底曲率变化的同时不可避免地会存在色差现象，因此将衍射面附着在液体变焦透镜的其中一个折射面上，形成液体可变焦折衍混合系统。因为该混合透镜模型衍射部分的焦距为寿，则其总的系统焦距则为: ()1dififFRn上式即为该液体
19、折衍混合系统模型系统焦距与其基地半径的变化关系。由于衍射部分的焦距 远大于折射部分焦距 ，因此整个折衍混合系统焦距仍然可以看作与半径R呈线性关系。衍射部分由于色散特性的负向性，其对整个折衍混合系统很好地起到了消除色差的作用，但随着基底半径R的变化增大，色差也不可避免地会逐渐增大，因此在实际应用中往往使得半径R 在一定范围内变化，从而使色差最小。设计模型B在光学系统中，为提高象质和简化系统，经常使用非球面。但非球面的加工、测试困难，成本高，重复性差，精度不能保证。而对于衍射光学元件，引人复杂的非球面相位分布，并不增加加工难度，也不影响加工精度，所以利用BOE ，在不影响精度和加工难度的情况下，增
20、加了设计自由度，这对光学系统的设计非常有利。BOE 的这一特点在准单色光系统中特别有用，利用BOE可精确的引入任意的非常大的非球面自由度。而在宽波段场合，BOE的非球面度随波长的不同而不同，因而引入过大的非球面度会引入很大的色像差，因而在宽波段场合，通常可利用BOE引入少量的非球面度，以校正系统的色像差。一般来说，BOE在HOS中的作用与其使用的场合有关。对单色光、准单色光场合，BOE的主要作用是提供非球面自由度，它有很强的色差校正功能，而且利用BOE 消色差不会增加系统的绝对光焦度，因此，此模型把衍射面附着在基底为非球面的折射面上，其结构如图4.5 所示。为了设计该光学系统，我们同样设 d为
21、设计中心波长， F和 C为消色差波长，整个液体可变焦折衍混合光学系统的焦距为F。由图中可以看出，不同于模型A，此模型的二元面附着在一个曲面上。因此随着基底的曲率变化，衍射面曲率也发生。在此模型中，假设其衍射面的刻蚀深度变化很小。设计模型B的折射部分：假设仍然将该模型视为薄透镜，液体材料的折射率随波长不同而不同，设为n()，R 为该模型基底的曲率半径。其在波长为的情况下，同样满足下列焦距公式: ()1refRn该液体折射透镜的焦距f ref同样随着基底的曲率半径R和基底材料折射率 n()的变化而变化。在不同的波长下，该液体折射透镜的焦距不同，即同样存在着色差。设计模型B的衍射部分：该模型的成像过
22、程仍然可以视为两步，首先物点M经过液体折射透镜第一次成像于O点，再经过衍射透镜进行第二次成像于O点，只不过此模型的衍射面附着在曲面上，因此当变焦时，衍射面的结构随着基底曲率的变化而变化。其成像过程如图4.6所示。折衍混合系统应用2：折_衍混合红外物镜的超宽温消热差研究 8：保证光学系统在较宽的温度范围内正常工作的技术被称为消热差技术。根据仪器的特点和使用场合的不同，消热差技术一般可分三类：机械主动式、机械被动式、光学被动式。利用基于二元光学元件的折/ 衍混合系统，实现光学被动式消热差设计。采用传统折射光学系统只能通过改变结构参数、曲率及使用不同的光学材料来校正像差，一般至少需要三种红外材料，使
23、得系统结构复杂，系统所需透镜数量增加，光学效率也不高。由于红外系统的空间是有限的，如果能减轻重量，减小体积是非常有实际意义的。折/ 衍混合成像系统充分利用了传统光学元件和衍射光学元件各自的优点，有效的简化光学系统结构、减轻重量、缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革。微光学系统：自由空间微光学系统：微光学平台 9：近年来, UCLA 的科研人员将表面微机械工艺制作的微型铰链与自由空间集成光学结合研制完成了一种可实现片上光学处理的微光学平台, 引起广泛关注。自由空间集成光学较光波导方法有如下优点: 高的空间带宽、无干扰的光学路径、三维光学互连、光
24、学信号处理( 例如傅立叶光学) 的可能性。但是其制作要比波导器件困难得多 , 因为大多数单独制作的光学元件都是平躺在基片表面, 而光路处理却恰恰要求它们直立起来。解决元件直立问题的办法是使用表面微机械铰链和弹簧锁, 这一技术为自由空间集成光学开辟了一个全新的空间, 采用该技术可使三维微光学元件集成在同一硅片上。这里硅基片相当于一个微型光学平台, 微透镜、反射镜、光栅和其它光学元件首先在掩模设计阶段进行预对准, 之后投入制作 , 其精确调整和定位由集成在片上的微制动器和微型定位器来实现, 例如旋转或移动工作台 ; 最后再将有源器件集成在芯片上, 一个完整的光学系统就制作成了, 如图13 所示。微
25、光学平台是微光机电系统技术应用的一个典型例子，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装的，装配量很大，成本提高。而微光学平台体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研究的最基本部分。研究包括各种铰链（图a） 、微反射镜（图b） 、微衍射透镜（图c） 、微折射透镜（d） 、光束分离器和光栅等。上面图13为美国加州大学洛杉矶分校提出的微光学平台样机。该微光学平台由微透镜、分束器、反射镜和光栅等元件通过铰链组装技术集成在一个芯片上。堆叠
26、式：光栅光谱仪 9：图9 所示是通过MEMS技术加工得到的光栅光谱仪。它是通过表面硅和体硅混合工艺加工而成。其原理是，输入光束通过由铝膜形成的光栅后，经过三次反射，不同波长的光束分别反射到光电二极管阵列的特定位置上，分别检测出特定波长的光束。平面型微光学系统：为实现光路集成，像电路一样，具有二维平面的集成和三维空间集成，光器件就要波导化、阵列化，充分利用现有集成电路的微加工工艺。近些年发展起来的平面光波导光路（PLC） ，就是希望实现像电路印刷版一样的平面光子回路的大规模集成，为二维平面集成。PLC具有成本低、便于批量生产、易于集成的诸多优点，被认为是光通信系统产业的救星。分离光器件向光波导的
27、集成器件发展是一种必然趋势。LiNbO3光波导调制器 10,11,12:光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图1.2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。根据晶体的电光效应，人们提出了外调制器, 由最初的体调制器发展到行波调制器,由相位调制器到强度调制器。目前研究的多为行波调制器。由于难以检测光相位, 故采用M
28、 ach2Zehnder 强度调制器的结构。迄今为止, 已提出了多种结构的行波调制器, 如共面波导,非对称共面微带结构的行波调制器。行波调制器的主要参数调制带宽受限于光波与微波的速度失配, 这源于铌酸锂的介电常数太高, 导致调制器的微波等效折射率远大于光波的折射率。为了获得较宽的调制带宽, 许多旨在降低调制器的等效折射率的新结构就被提出来。这些方案在获得宽带宽和低的驱动电压的同时, 特性阻抗却远小于508 , 这是由于它们在提高速度匹配的同时调制器的电容大大增加了。微光机电系统（MOMES） 13：MOMES加速度传感器：随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精
29、度较低的问题，因此利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向，与前文所述的各种原理的MEMS加速度传感器相比，MOEMS的加速度传感器具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐蚀环境，灵敏度高，体积小重量轻，适合于航空、航天及狭窄空间的应用，并且成本相对较低等诸多优点。但是目前MOEMs的加速度传感器大多数都还处于实验室研究阶段，国内外对MOEMS 加速度传感器的研究主要有以下一些类型:1.光纤Fabry-Perot(F-P)腔的MOEMS 加速度传感器：光纤F一 P腔的MOEMS加速度传感器是利用加速度传感质量块的一个端面与固定的光纤端面
30、平行形成F 一P 腔，其结构如图1.12所示，通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺在硅基底上刻蚀出传感质量块和悬臂梁结构，传感质量块的一个端面与光纤的端面在加速度敏感轴方向上相互平行，形成一个F一P腔，光纤固定在硅基底上制做出的V形槽内。光纤同时作为光信号的出射和接收端，宽谱光源入射的光通过光纤端面进入F一P 腔，光在质量块和光纤端面之间多次反射，形成多光束千涉，干涉信号同样由光纤端面接收输出到探测器。如图所示，当外界加速度作用时，传感质量块会沿垂直于光纤端面的方向移动，由于质量块移动引起F一P腔的腔长的变化导致 F一P反射谱漂移。通过探测输出光谱的漂移，就能反映出加速度的变化。目前这种结构的MOEMs
31、加速度传感器实际分辨率可达1mg，但是光纤F一P腔的MOEMS加速度传感器对质量块反射端面与光纤端面的平行度和反射率要求都非常高，F一P 腔的装调难度大，并且在质量块振动过程中很难保证其平行度。另外，F一P 腔的腔长变化范围有限，因此这种MOEMS加速度传感器测量的动态范围很小，一般不会超过2g，限制了它的实际应用。2.微结构光栅的MOEMS加速度传感器这种类型的MOEMS加速度传感器是利用MEMS加工工艺，在同一基底上加工出可动光栅和固定光栅两种结构，如图1.13所示1301。在一个基底上通过双面刻蚀制做出传感质量块和可动光栅一体的微结构，该结构包括了四个折叠的悬臂梁、传感质量块以及一组可动
32、光栅组成，而固定光栅则制做在固定基底上。光源照射在光栅上，这样一组可动光栅和固定光栅形成发射相位光栅。当垂直于质量块的表面方向上的加速度作用到质量块上时，质量块会带动可动光栅发生上下移动，形成明暗相间的衍射条纹。当可动光栅与固定光栅的高度差发生变化时，由光栅反射形成的衍射条纹各级衍射极大的位置将发生变化，这样探测器上所探测到光强就会发生变化，从而达到测量加速度大小的目的。衍射光栅式的MOEMS加速计体积很小，整个结构在同一基底上制做完成，有很高的集成度，而且在理论上有这很高的分辨率，可以达到声g量级。但是，为了获得较高的分辨率，就必须提高光栅周期数，即在有限的尺寸下减小光栅间距，但是光栅间距的
33、减小给加工工艺提出了更高的要求。由于传感质量块的厚度较大，因此需要在反面质量块的制做过程中采用深度反应离子束刻蚀，这样的设备非常昂贵，而且深反离子刻蚀的过程中需对正面制作好的光栅结构进行保护，由于光栅线条很细，因此在最后的结构释放时由于保护层残余应力的作用，很容易造成微光栅结构的变形和断裂，制作难度非常大，成品率很低。普通的设备和工艺很难满足该结构的加工要求。3.光波导光强检测的MOEMS加速度传感器这种结构的加速度传感器是将光纤、光波导和MEMS技术集成在一起，传感质量块和悬臂梁的结构依然是采用双面的体硅刻蚀方法制做而成，四个直角悬臂梁分布在质最块的两侧，在质量块的表面集成了由Si 3N4和
34、SiO 2构成的直线光波导结构作为传感器件。如图1.14a)所示。在周围的固定硅基底上，传感质量块上直线光波导的两端也分别集成了输入和输出光波导，传输光通过光纤导入和接收。当Z轴方向上的加速度作用到传感结构上时，质量块会带动传感的光波导沿Z 轴方向移动，这时，传感光波导和输入输出波导端面就会方向相对位移，使输入波导祸合进入传感光波导的光强发生变化。同样，由传感光波导祸合到输出波导的光强也会发生相应的变化。通过探测输出光纤的光强就能反映出传感质量块所受Z 轴方向上加速度的大小，如图1 一14b)所示。该结构的MOEMS加速度传感器采用了硅基底与光波导一体化的结构，并且四个直角悬臂梁接收使得其自然
35、谐振频率比普通悬臂梁结构要高，但是在实用化过程中，输入和输出端的光纤和基底光波导之间的插入损耗、以及光波导本身的传输损耗都是需要解决的问题，而且由于光波导端面尺寸的限制，传感质量块上集成的光波导在Z轴方向上能移动距离非常有限，这使得该结构的MOEMS加速度传感器测量范围和精度都很难做高。参考文献：1. 李同海，吴国俊等。椭圆微透镜的制备及在LD光束整形中的应用。科学技术与工程，2005；24(5) : 23-252. 任大海，杜杰等。静电微反射镜的发展与应用。激光杂志，2006 ；27（6）：3-53.高仁喜，陈抱雪等。聚合物波导折射率渐变型Spot一size converter 设计。上海理
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