引用本文:

赵玉娇,周震. 离面型双层亚波长光栅微位移传感系统研究[J]. 光通信技术,2019,43(12):39-44.

离面型双层亚波长光栅微位移传感系统研究

赵玉娇,周 震

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100089)

【下载PDF全文】 【下载Word】

摘要:随着微电子机械系统(MEMS)惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高,微位移检测技术已经成为惯性传感领域的研究热点,亚波长光栅的出现为微位移测量提供了一个全新的发展前景。以离面型双层亚波长光栅位移传感系统为研究对象,分别研究了亚波长光栅等周期与不等周期时系统的位移传感特性,利用Rsoft软件对2种结构中双光栅相对运动时系统透射率与光栅位移量之间的关系以及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响规律进行模拟仿真,并对2种双光栅位移传感系统进行了结构优化设计与性能仿真,理论验证了离面型双层亚波长光栅位移传感系统结构的灵活性及方案的可行性。

关键词:亚波长光栅;倏逝波;微位移检测

中图分类号:TP212 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)12-0039-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.12.009

0 引言
       亚波长光栅是指周期小于入射光波长的光栅结构。近年来,亚波长光栅在位移传感领域中的高精度检测优势已引起越来越多研究者的关注[1]。亚波长光栅位移传感系统通常由双层亚波长光栅组成。目前,已报道的双层亚波长光栅位移传感系统多基于共面型结构,即通过检测双层亚波长光栅相对共面运动引起的系统透射/反射光强的变化实现位移传感[2-5]。这种共面型位移传感方式检测灵敏度高,已应用在微电子机械系统(MEMS)加速度计等多种基于位移检测的传感器中[6-9]。但共面型双层光栅结构及工作方式灵活度较低、工作范围较低、工艺流程复杂、加工精度要求高和成品率低。相比于共面型双层亚波长光栅位移传感系统,离面型双层亚波长光栅的结构及工作方式更为灵活,更易工艺实现[10-12]。
   本文以离面型双层亚波长光栅位移传感系统为研究对象,基于严格耦合波理论建立理论模型,重点分析等周期与不等周期双层亚波长光栅离面运动时系统光学特性与光栅垂直位移的关系,完成这2种离面型亚波长光栅位移传感系统的优化设计与性能仿真验证,并对其传感性能进行分析对比。

3 结束语
      本文利用Rsoft软件对等周期、不等周期2种离面型双层亚波长光栅位移传感系统的透射率及位移检测灵敏度进行仿真对比分析,完成了系统结构的优化设计与性能验证。优化后的离面型双层等周期亚波长光栅位移传感系统的位移检测灵敏度约为0.923%/nm,离面型双层不等周期亚波长光栅位移传感系统的位移检测灵敏度约为0.12%/nm。
   本文设计的2种亚波长光栅位移传感系统均可应用在MEMS惯性器件中。目前,亚波长光栅位移传感结构已显现出明显的精度优势。针对亚波长光栅光学特性及其在微位移检测方面的研究,对推动亚波长光学元件在高端商用和军事领域应用等方面的新一代光学系统的发展,以及微位移检测技术水平的提高,具有重要的应用价值与理论意义。