集成光路（PIC）已經革新了光通信和信息處理領域，但其在高精度慣性傳感方面的潛力仍未得到充分開發。迄今為止，光子加速度計的發展一直受到讀出復雜性高、動態范圍有限以及實驗驗證不足等因素的制約。
據麥姆斯咨詢報道，近日，德克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的研究團隊提出了一種集成光子MEMS加速度計的設計、建模與實驗表征方法。該加速度計通過引入相位展開（phase-unwrapping）技術，在實現高靈敏度的同時顯著提升了動態范圍。實驗測得該器件的噪聲底為2.0 μg/√Hz，通過同步增加輸入光功率以及懸臂梁上波導環路數量，有望進一步將噪聲水平降低至約10 ng/√Hz。二者共同作用，預計可使輸入等效散粒噪聲限制靈敏度達到熱機械噪聲極限。通過結合基于橢圓擬合的相位展開算法，該加速度計能夠在顯著擴展的測量范圍內實現精確的相位恢復。
這是首個在單片光子集成芯片中實現條紋計數（fringe-counting）功能的MEMS加速度計，也是首次針對該策略在集成光子慣性傳感器中的應用開展系統性研究。這些研究結果表明，集成光子技術為實現高動態范圍慣性傳感提供了一種具有潛力的平臺，并為發展超越現有芯片級技術的片上集成MEMS加速度計提供了一條新的技術路徑。上述研究成果以“An integrated monolithic photonic accelerometer with on-chip fringe-counting”為題，發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
集成光子MEMS加速度計設計
該集成光子MEMS加速度計基于同一懸臂梁上的兩個馬赫–曾德爾干涉儀（MZI）構建而成。如圖1a所示的三維CAD模型展示了該加速度計懸臂梁及光纖陣列的連接位置。光信號通過與光柵耦合器相連的光纖陣列耦合進入芯片。進入芯片后的光被分為三路：一路為參考臂，另外兩路分別為兩個獨立的傳感臂。圖1b、1c中的CAD版圖給出了參考臂和傳感臂的位置布局。兩個傳感臂均位于柔性懸臂梁的上表面，并沿懸臂梁延伸。圖1d為器件工作原理示意圖，展示了輸入光功率在各光路中的分配方式。參考臂輸出的光進一步分為兩路，分別與兩條傳感臂輸出的光相干合束，從而構成兩個相互獨立的MZI。兩個MZI的輸出光分別通過光柵耦合器離開芯片。當加速度作用于光子芯片基底時，懸臂梁發生機械變形，使每個干涉儀中傳感臂與參考臂之間產生光學相位差。該相位差進一步轉化為輸出光功率的變化，并由芯片外部的光纖耦合光電探測器進行檢測。圖1e為集成光子MEMS加速度計芯片實物照片，可見經刻蝕形成的機械懸臂梁結構；圖1f為雙MZI波導區域的顯微照片。
圖1 基于雙MZI讀出的集成光子MEMS加速度計（Z軸）設計原理與結構
集成光子MEMS加速度計制造
該光子芯片采用標準的SiN波導工藝進行制造。其中，SiN表示采用低壓化學氣相沉積（LPCVD）制備的化學計量比氮化硅波導層；SiO?表示二氧化硅包層/緩沖層。光子芯片制造完成后，在大學潔凈室設施中對其進行了后處理工藝。如圖2所示，其中步驟a–e在德克薩斯大學奧斯汀分校潔凈室完成，而步驟f–g則在德克薩斯農工大學潔凈室完成。
圖2 集成光子MEMS加速度計制造工藝流程
實驗測試與性能評估
研究人員對完成封裝的加速度計進行了實驗測試與性能表征。芯片安裝于激振器（Wilcoxon F4）上，并由Polytec公司PSV-500型掃描激光多普勒測振儀（SLDV）的數據采集系統（DAQ）產生的受控激勵信號進行激勵。采用PSV-500對芯片整個表面的振動響應進行非接觸式測量，獲取其在周期性測試信號激勵下的表面振動分布，同時同步記錄兩個MZI的輸出信號。圖3b展示了PSV-500激光多普勒測振儀的激光測量頭及激振器測試平臺。圖3c和圖3d分別為不同放大倍率下的芯片照片。
圖3 封裝后的加速度計的振動測試與性能表征平臺
為了獲得魯棒的橢圓擬合，兩個MZI產生的相位信號應覆蓋足夠大的變化范圍。為此，在接近懸臂梁一階固有諧振頻率（1315 Hz）處，向激振器施加正弦激勵信號，以產生較大的相位變化。圖4a給出了利用激光多普勒測振儀掃描得到的懸臂梁在一階機械振動模態下的撓曲分布；圖4b展示了兩個MZI對應的光電探測器輸出電壓波形。對于所示的每一路波形，首先減去其靜態偏置電壓，再對信號進行歸一化處理，使其取值范圍為?1至+?1之間。圖4c中歸一化處理后的電壓信號軌跡呈現為清晰的橢圓，而圖4d中展開后的相位呈現出規則的正弦波形，這與LDV測得的懸臂梁自由端位移一致。這證實了兩路信號之間的底層映射關系正是預期的余弦和正弦函數對。
獲得橢圓參數后，集成光子MEMS加速度計完成標定，隨后的所有測量均可通過該方法獲得展開后的相位信號。接下來，研究人員向激振器施加了一個持續時間為4 s、占空比為50%的突發正弦激勵信號。該激勵信號包含約2600個激勵周期，足以使懸臂梁振動達到穩態振動狀態。光電探測器1和2電壓輸出的快速傅里葉變換（FFT）如圖4e所示，圖4f為展開光學相位的FFT幅值。圖4f中標注的1.61906 rad和0.00444 rad分別表示1315 Hz處基頻信號分量和2630 Hz處最大幅值諧波分量（主導失真諧波）的幅值。兩者的比值即對應于低于1%的總諧波失真（THD）。上述結果表明，所提出的方法能夠顯著提升動態范圍，并有效抑制諧波失真。
圖4 集成光子MEMS加速度計諧振響應與正交光學相位讀出
最后，研究人員對集成光子MEMS加速度計的靈敏度與噪聲特性進行了表征，結果如圖5所示。在實驗中，光電探測器處的光功率為33 μW。在平坦頻帶區域內，對應的散粒噪聲為2.0 μg/√Hz。理論上，如果輸出光功率提高至1 mW，則輸入等效散粒噪聲將降低至363 ng/√Hz。熱機械噪聲底與光學系統參數無關，因此也作為參考值繪制在圖中。考慮到懸臂梁的19 mg有效質量，在平坦頻帶區域內，該噪聲約為10 ng/√Hz。
圖5 集成光子MEMS加速度計頻率響應與噪聲性能
結論
綜上所述，這項研究工作提出了一種新型光機械加速度計，并對其設計、制造及性能表征進行了系統研究。該加速度計將柔性機械結構與光學檢測所帶來的高靈敏度相結合。兩個具有不同靜態相位偏置的MZI被集成于同一機械懸臂梁上，從而實現了一種基于橢圓擬合和相位展開的零差檢測（homodyne detection）方案。該方法無需將加速度計偏置在固定工作點，并克服了噪聲底與最大可測加速度之間的權衡限制。與傳統的MZI結構相比，本文所提出的集成光子MEMS加速度計實現了動態范圍的大幅提升。
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