东大张彤团队在光学快报发表重要成果：基于聚合物波导的微型陀螺仪

11/06/2022，光纤在线讯，编者按，微型化陀螺仪和聚合物集成光波导是编辑长期以来关注的两个方向。以往，光纤陀螺仪因为尺寸问题一直打不开消费级的市场，而聚合物光波导性能突出，却也是打不开市场。东南大学电子学院张彤教授带领的团队近日在“光学快报”（Optical Express）上发表了一篇了不起的论文，让编辑看到了一个新兴产业的曙光。张老师说他的几任博士生前仆后继从事这一研究，终于看到了成果。祝贺张老师和他的学生们，也感谢张老师特别嘱咐其博士生将这一成果写成短文让我们了解。

01 导读
近日，东南大学张彤教授研究团队报道了全聚合物的谐振式集成光学陀螺（RIOG）芯片。该工作瞄准片上全光集成的谐振式光学陀螺，首次利用聚合物材料实现了具有传感、调制、分束及耦合等多种功能的片上集成光学系统，基于先进的半导体加工工艺研制了谐振式光学陀螺光子集成芯片，在高精密传感领域具有广阔的应用前景。
相关研究以“All-Polymer Monolithic Resonant Integrated Optical Gyroscope为题于2022年11月04日发表在Optics Express上。

02 研究背景
谐振式集成光学陀螺能实现高精密的角速度传感，兼顾高精度和小型化、集成化的优势，是光学陀螺微型化发展的重要方向，有望成为下一代光学陀螺的首选。为了实现高性能的谐振式光学陀螺，角速度传感和信号检测都至关重要，其核心器件分别是谐振腔和调制器。然而，无源谐振腔和有源调制器的集成面临着材料和工艺兼容性的问题，给陀螺的单片集成带来了挑战。

03 研究创新点
为了实现谐振式光学陀螺的集成化，研究团队提出了基于聚合物的谐振式集成光学陀螺（图1a），单片集成了谐振腔、调制器、分束器及耦合器多种功能器件，并利用光波导进行互联实现片上的光子集成系统。其中，采用低损耗聚合物和电光聚合物分别作为研制谐振腔和电光调制器的芯层材料，上下包层材料为同种聚合物，具有较好的兼容性。在芯片制备中，充分发挥了聚合物波导工艺灵活的优势，利用半导体工艺实验研制了全聚合物的谐振式光学陀螺光子集成芯片（图1e）。
 
图1 谐振式光学陀螺：a) 典型的谐振式光学陀螺系统示意图，包括：激光器、探测器和集成了谐振腔、调制器、分束器及耦合器的全聚合物单片谐振式集成光学陀螺芯片。b) 电光调制器的截面示意图。c) LFR波导的模式分布。d) DR19-PUI波导的模式分布。e) 研制的4寸谐振式集成光学陀螺芯片
谐振式集成光学陀螺中的调制器由电光聚合物研制而成。相比于无机材料，电光聚合物有更强的非线性效应，有利于实现高性能的电光调制器。研究团队利用酯化反应自主合成了用于研制电光调制器的电光聚合物，其分子结构如图2a所示。研制的电光调制器具有小于2V的半波电压，是现有铌酸锂调制器的一半。此外，电光响应（图2d，图2e）表明研制的电光调制器满足陀螺的检测需求。

图2 调制器性能测试：a) 电光聚合物DR19-PUI的分子结构。b) DR19-PUI光波导的传输损耗。插图是基于DR19-PUI的电光调制器的输出光斑。c)电光调制器在三角波下的电光响应。d)调制器在30MHz正弦波驱动信号下的响应。e)调制器在5MHz方波驱动信号下的响应。
谐振腔是谐振式光学陀螺的核心传感单元，其性能直接决定了陀螺的传感精度。研究团队采用低损耗的氟化聚合物材料研制陀螺谐振腔，在TM偏振态下实现了近百万的Q值。

图3 RIOG谐振特性测试：a) TE偏振态下的谐振特性测试时，施加于可调激光器的锯齿波信号。b) TE偏振态下，RIOG芯片在CCW方向的谐振谱线。插图是CCW方向的光信号传输路径示意图。c) TE偏振态下，RIOG芯片在CW方向的谐振谱线。插图是CW方向的光信号传输路径示意图。d) TM偏振态下的谐振特性测试时，施加于可调激光器的锯齿波信号。e) TM偏振态下，RIOG芯片在CCW方向的谐振谱线。f) TM偏振态下，RIOG芯片在CW方向的谐振谱线。
基于研制的聚合物谐振式集成光学陀螺芯片，搭建了陀螺性能测试系统，如图4a所示。通过转动测试首次验证了基于聚合物的单片谐振式集成光学陀螺的陀螺效应。

图4 RIOG测试。a)陀螺信号测试系统结构示意图。b)陀螺在转速±500°/s、±400°/s、±350°/s、/300°/s、/250°/s、±200°/s和±100°/s下的输出。静止状态下的输出由虚线表示。黄色箭头标出了陀螺在静止状态下的波动。插图是陀螺在转速为±500°/s和±100°/s时的输出。c)RIOG芯片4小时静态输出的Allan方差。d)陀螺输出与转速的关系。
04 总结与展望
该工作展示了利用聚合物波导实现无源、有源器件单片集成的优势，以及用于研制谐振式集成光学陀螺的技术可行性，为未来实现单片全集成化、低成本、低功耗、高性能的集成光学陀螺提供了技术基础，在惯性导航、姿态控制、机器人控制、智能车辆等领域有广泛的应用前景。
    论文第一作者为东南大学博士生薛小枚，张彤教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然基金面上项目等资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.474447