[发明专利]一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法

说明书

本发明一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法包括一个激光器、一个光隔离器、一个可动亚波长硅光栅及覆盖于其上的银膜、一层覆盖在硅基底上的亚波长银膜光栅、一层空气间隙、一个硅基底和一个分光棱镜；利用近场光学谐振腔的谐振增强原理，设计了光栅组的结构参数和相对位置，使得谐振腔出射的反射光强对可动亚波长硅光栅的面内位移非常敏感，从而实现超高灵敏度的面内位移测量。本发明用两组银膜代替了寻常光学纳米谐振腔中的两组光栅，整个传感单元由单片绝缘体上硅晶圆制作而成，大大降低了加工难度；优化后的结构参数使得传感单元拥有比现有谐振腔方案更高的光强位移灵敏度，因此可实现高集成度、可靠性和精度的面内位移测量。

技术领域

本发明属于位移传感单元领域，具体涉及一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法。

背景技术

高精度光学位移传感器的测量原理通常是基于光的波动性，即利用光信号的干涉、衍射效应进行位移测量。但是基于光的波动性的位移测量无法突破光的衍射极限，测量精度受到光波长的限制。虽然可以通过电子细分、调制解调等方式将位移测量精度提升至λ/100甚至更高，但是各种细分方式的引入也会增加系统复杂度和位移传感器的成本，并且对于位移测量系统而言，细分对理论极限灵敏度和精度的提升并无帮助。

利用近场光学谐振增强和伍德异常等手段可以突破标量衍射的极限，将位移测量的灵敏度和精度提升至皮米甚至飞米量级[DW C,JP S,TA F.Laterally deformablenanomechanical zeroth-order gratings:anomalous diffraction studied byrigorous coupled-wave analysis[J].Opt Lett,2003,28(18):1636-8.]。但是，现有的近场光学谐振结构通常是由多种材料的多层纳米结构组成的，一般包括三种甚至更多种材料，并且包含悬空的复杂结构。这就导致其加工难度极大，良品率也不高；另外，很难实现超灵敏位移测量。

例如Dustin提出的光纳米机电位移传感器[KEELER B E N,BOGART G R,CARR DW.Laterally deformable optical NEMS grating transducers for inertial sensingapplications；proceedings of the Nanofabrication:Technologies,Devices,andApplications,F,2005[C].]由两个可动纳米光栅、空气间隙和基底组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，基底材料为二氧化硅和氮化硅；又比如王晨等人提出的光栅组位移传感器[WANG C,LU Q,BAI J,et al.Highly sensitive lateral deformableoptical MEMS displacement sensor:anomalous diffraction studied by rigorouscoupled-wave analysis[J].Appl Optics,2015,54(30):8935-43.和中国专利号为CN201410636890的专利“组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法”]，同样由两组可动亚波长光栅、空气间隙和基底组成，可动光栅的材料为单晶硅，基底材料为二氧化硅和氮化硅；Rogers提出的亚波长光栅组的位移传感器虽然结构相对简单，但是因为该方案仅仅使用两组亚波长光栅等效一个正常的衍射光栅，因此光强位移灵敏度仅为0.5％/nm，远未达到超灵敏位移测量的需求[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,et al.Verification ofevanescent coupling from subwavelength grating pairs[J].Applied Physics B-Lasers and Optics,2011,105(4):833-7.]。由此可见，基于近场光学谐振腔的方案或结构复杂，或灵敏度不高，并且由于近场光学谐振增强对结构参数敏感，现有方案加工难度大，对材料要求极高，存在成本高和可靠性不高的缺点。

发明内容