11/06/2022，光纖在線訊，編者按，微型化陀螺儀和聚合物集成光波導(dǎo)是編輯長期以來關(guān)注的兩個(gè)方向。以往，光纖陀螺儀因?yàn)槌叽鐔栴}一直打不開消費(fèi)級(jí)的市場(chǎng)，而聚合物光波導(dǎo)性能突出，卻也是打不開市場(chǎng)。東南大學(xué)電子學(xué)院張彤教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)近日在“光學(xué)快報(bào)”（Optical Express）上發(fā)表了一篇了不起的論文，讓編輯看到了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的曙光。張老師說他的幾任博士生前仆后繼從事這一研究，終于看到了成果。祝賀張老師和他的學(xué)生們，也感謝張老師特別囑咐其博士生將這一成果寫成短文讓我們了解。

01 導(dǎo)讀
近日，東南大學(xué)張彤教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了全聚合物的諧振式集成光學(xué)陀螺（RIOG）芯片。該工作瞄準(zhǔn)片上全光集成的諧振式光學(xué)陀螺，首次利用聚合物材料實(shí)現(xiàn)了具有傳感、調(diào)制、分束及耦合等多種功能的片上集成光學(xué)系統(tǒng)，基于先進(jìn)的半導(dǎo)體加工工藝研制了諧振式光學(xué)陀螺光子集成芯片，在高精密傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究以“All-Polymer Monolithic Resonant Integrated Optical Gyroscope為題于2022年11月04日發(fā)表在Optics Express上。

02 研究背景
諧振式集成光學(xué)陀螺能實(shí)現(xiàn)高精密的角速度傳感，兼顧高精度和小型化、集成化的優(yōu)勢(shì)，是光學(xué)陀螺微型化發(fā)展的重要方向，有望成為下一代光學(xué)陀螺的首選。為了實(shí)現(xiàn)高性能的諧振式光學(xué)陀螺，角速度傳感和信號(hào)檢測(cè)都至關(guān)重要，其核心器件分別是諧振腔和調(diào)制器。然而，無源諧振腔和有源調(diào)制器的集成面臨著材料和工藝兼容性的問題，給陀螺的單片集成帶來了挑戰(zhàn)。

03 研究創(chuàng)新點(diǎn)
為了實(shí)現(xiàn)諧振式光學(xué)陀螺的集成化，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于聚合物的諧振式集成光學(xué)陀螺（圖1a），單片集成了諧振腔、調(diào)制器、分束器及耦合器多種功能器件，并利用光波導(dǎo)進(jìn)行互聯(lián)實(shí)現(xiàn)片上的光子集成系統(tǒng)。其中，采用低損耗聚合物和電光聚合物分別作為研制諧振腔和電光調(diào)制器的芯層材料，上下包層材料為同種聚合物，具有較好的兼容性。在芯片制備中，充分發(fā)揮了聚合物波導(dǎo)工藝靈活的優(yōu)勢(shì)，利用半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)研制了全聚合物的諧振式光學(xué)陀螺光子集成芯片（圖1e）。
 
圖1 諧振式光學(xué)陀螺：a) 典型的諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)示意圖，包括：激光器、探測(cè)器和集成了諧振腔、調(diào)制器、分束器及耦合器的全聚合物單片諧振式集成光學(xué)陀螺芯片。b) 電光調(diào)制器的截面示意圖。c) LFR波導(dǎo)的模式分布。d) DR19-PUI波導(dǎo)的模式分布。e) 研制的4寸諧振式集成光學(xué)陀螺芯片
諧振式集成光學(xué)陀螺中的調(diào)制器由電光聚合物研制而成。相比于無機(jī)材料，電光聚合物有更強(qiáng)的非線性效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)高性能的電光調(diào)制器。研究團(tuán)隊(duì)利用酯化反應(yīng)自主合成了用于研制電光調(diào)制器的電光聚合物，其分子結(jié)構(gòu)如圖2a所示。研制的電光調(diào)制器具有小于2V的半波電壓，是現(xiàn)有鈮酸鋰調(diào)制器的一半。此外，電光響應(yīng)（圖2d，圖2e）表明研制的電光調(diào)制器滿足陀螺的檢測(cè)需求。

圖2 調(diào)制器性能測(cè)試：a) 電光聚合物DR19-PUI的分子結(jié)構(gòu)。b) DR19-PUI光波導(dǎo)的傳輸損耗。插圖是基于DR19-PUI的電光調(diào)制器的輸出光斑。c)電光調(diào)制器在三角波下的電光響應(yīng)。d)調(diào)制器在30MHz正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)下的響應(yīng)。e)調(diào)制器在5MHz方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)下的響應(yīng)。
諧振腔是諧振式光學(xué)陀螺的核心傳感單元，其性能直接決定了陀螺的傳感精度。研究團(tuán)隊(duì)采用低損耗的氟化聚合物材料研制陀螺諧振腔，在TM偏振態(tài)下實(shí)現(xiàn)了近百萬的Q值。

圖3 RIOG諧振特性測(cè)試：a) TE偏振態(tài)下的諧振特性測(cè)試時(shí)，施加于可調(diào)激光器的鋸齒波信號(hào)。b) TE偏振態(tài)下，RIOG芯片在CCW方向的諧振譜線。插圖是CCW方向的光信號(hào)傳輸路徑示意圖。c) TE偏振態(tài)下，RIOG芯片在CW方向的諧振譜線。插圖是CW方向的光信號(hào)傳輸路徑示意圖。d) TM偏振態(tài)下的諧振特性測(cè)試時(shí)，施加于可調(diào)激光器的鋸齒波信號(hào)。e) TM偏振態(tài)下，RIOG芯片在CCW方向的諧振譜線。f) TM偏振態(tài)下，RIOG芯片在CW方向的諧振譜線。
基于研制的聚合物諧振式集成光學(xué)陀螺芯片，搭建了陀螺性能測(cè)試系統(tǒng)，如圖4a所示。通過轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試首次驗(yàn)證了基于聚合物的單片諧振式集成光學(xué)陀螺的陀螺效應(yīng)。

圖4 RIOG測(cè)試。a)陀螺信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。b)陀螺在轉(zhuǎn)速±500°/s、±400°/s、±350°/s、/300°/s、/250°/s、±200°/s和±100°/s下的輸出。靜止?fàn)顟B(tài)下的輸出由虛線表示。黃色箭頭標(biāo)出了陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下的波動(dòng)。插圖是陀螺在轉(zhuǎn)速為±500°/s和±100°/s時(shí)的輸出。c)RIOG芯片4小時(shí)靜態(tài)輸出的Allan方差。d)陀螺輸出與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
04 總結(jié)與展望
該工作展示了利用聚合物波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)無源、有源器件單片集成的優(yōu)勢(shì)，以及用于研制諧振式集成光學(xué)陀螺的技術(shù)可行性，為未來實(shí)現(xiàn)單片全集成化、低成本、低功耗、高性能的集成光學(xué)陀螺提供了技術(shù)基礎(chǔ)，在慣性導(dǎo)航、姿態(tài)控制、機(jī)器人控制、智能車輛等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
    論文第一作者為東南大學(xué)博士生薛小枚，張彤教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國家自然基金面上項(xiàng)目等資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OE.474447