阅读说明：本技术 一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制系统 (Magnetic and thermal noise double-path differential suppression system based on magneto-optical rotation micro-optical accelerometer ) 是由 郭浩 刘俊 唐军 武亮伟 马宗敏 李中豪 温焕飞 石云波 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制系统,包括双端固支悬臂梁质量块结构(9),所述双端固支悬臂梁质量块结构(9)的中心质量块上嵌入磁性薄膜(8),该磁性薄膜结构进行海尔贝克排列；所述双端固支悬臂梁质量块结构(9)上方平行布置有两条玻璃基底(7),其中一条玻璃基底(7)表面沉积有磁光晶体Ⅰ(6a),另一条玻璃基底(7)表面沉积有磁光晶体Ⅱ(6b)。本发明采用双路原位同步调制解调差分技术来实现对温度、磁噪声的共模抑制,解决了传统微光学加速度计技术依赖温控系统来抑制温噪技术的抑制比低、难以集成的技术难题,为高效温度噪声抑制技术研究提供了技术支撑。(The invention discloses a magneto-optical rotation micro-optical accelerometer-based magnetic and thermal noise two-way differential suppression system, which comprises a double-end fixedly-supported cantilever beam mass block structure (9), wherein a magnetic thin film (8) is embedded in a central mass block of the double-end fixedly-supported cantilever beam mass block structure (9), and the magnetic thin film structure is arranged in a Halbach manner; two glass substrates (7) are arranged above the double-end fixed cantilever beam mass block structure (9) in parallel, a magneto-optical crystal I (6 a) is deposited on the surface of one glass substrate (7), and a magneto-optical crystal II (6 b) is deposited on the surface of the other glass substrate (7). The invention adopts a two-way in-situ synchronous modulation-demodulation differential technology to realize common-mode rejection of temperature and magnetic noise, solves the technical problems of low rejection ratio and difficult integration of the traditional micro-optical accelerometer technology which relies on a temperature control system to suppress the temperature and noise technology, and provides technical support for the research of the high-efficiency temperature noise suppression technology.)

一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制 系统

技术领域

本发明涉及微光学加速计技术领域，具体为一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制系统。

背景技术

加速度传感器作为一种位置和速度测量的惯性传感器件，在惯性导航、空间引力波探测、卫星重力梯度测量、高轨卫星精密定轨和导航、航天器微重力环境监测等领域中起着至关重要的作用。加速度计是武器装备的“眼睛”，决定目标打击的精准度和毁伤威力，也是卫星、航天器的“大脑”核心，可以实时监测飞行轨道。因此，加速度传感器性能是标志着国防军事实力，也是世界各国争相追逐的核心技术之一。

微光学加速度传感技术（MOEMS）兼顾了MEMS技术的微型化、低成本和光学式高精度检测优点，成为加速度传感器发展的主要方向之一。近年来，随着光量子精密测量技术的不断发展，基于法拉第旋光效应的旋光角检测精度不断提升，以及高维尔德（Verdet）常数的磁光晶体的合成，为微光学传感技术检测提供了新的测量方法。微光学加速度计结构受到温度、振动等噪声，通常采用温控系统来进行噪声抑制，但是在进行更高精度的加速度测量时，对温度噪声要求更加苛刻，成为微光学加速度计研制的关键技术瓶颈之一。

发明内容

本发明针对磁致旋光微光学加速度计，提出一种双路原位同步调制解调差分技术来实现对温度、磁噪声的共模抑制系统，相比传统温控系统具有更高的抑制效果。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制系统，包括双端固支悬臂梁质量块结构，所述双端固支悬臂梁质量块结构的中心质量块上嵌入磁性薄膜，该磁性薄膜结构进行海尔贝克排列；所述双端固支悬臂梁质量块结构上方平行布置有两条玻璃基底，其中一条玻璃基底表面沉积有磁光晶体Ⅰ，另一条玻璃基底表面沉积有磁光晶体Ⅱ，所述磁光晶体Ⅰ和磁光晶体Ⅱ一端分别通过光纤Ⅰ和光纤Ⅱ连接Y波导分束器，所述Y波导分束器的入射端连接起偏器，所述起偏器的入射光方向设有平凸镜Ⅰ，所述平凸镜Ⅰ的入射光方向设有激光器。

所述磁光晶体Ⅰ和磁光晶体Ⅱ另一端分别通过光纤Ⅲ和光纤Ⅳ连接弹光调制器Ⅰ和弹光调制器Ⅱ，所述弹光调制器Ⅰ的出射光方向上依次设有检偏器Ⅰ、平凸镜Ⅱ、光电探测器Ⅰ、前置放大器Ⅰ、锁相放大器Ⅰ，所述弹光调制器Ⅱ的出射光方向上依次设有检偏器Ⅱ、平凸镜Ⅲ、光电探测器Ⅱ、前置放大器Ⅱ、锁相放大器Ⅱ。

工作时，由激光器发出的激光经过平凸镜后通过起偏器，进而通过Y波导分束器形成两路光束由光纤接入两条磁光晶体中。当提供加速度信号后，即悬臂梁质量块结构和磁性薄膜发生移动，从而引起磁薄膜周围磁场变化，导致检测磁光晶体中发生法拉第旋光效应，产生旋光角。通过对磁性薄膜结构进行海尔贝克排列，根据海尔贝克阵列结构特性，使得磁性薄膜结构一侧的磁场强度显著增强，另一侧显著减弱。使用两条磁光晶体，其中一条磁光晶体在磁性薄膜正上方用于加速度信息敏感，作为旋光角测量单元（检测端）；另一条磁光晶体在在加速度计结构框架边缘处，作为噪声测量单元（参考端），远离磁性薄膜。磁性薄膜对参考磁光晶体影响很小，使其只受环境磁噪声和温度噪声影响，用于进行温度、外界磁场等噪声测量，作为参考信号，通过同步差分来实现对共模噪声的高效抑制。将两路出射偏振光通过弹光调制器同步调制后，通过检偏器、平凸镜后分别进入光电探测器。光电探测器将光信号转换为电信号，并由前置放大器将信号放大后，运用锁相放大器技术处理分别得到参考信号旋光角测量值和检测信号旋光角测量值，对双路信号进行差分处理，最后通过解算和分析双路差分后测得的法拉第旋光角，得到加速度信息。

本发明采用磁光晶体、磁性薄膜对温度较为敏感，为进行磁噪声和温度噪声高效抑制，针对该加速度计，提出双路同步锁定温度噪声抑制系统，相比传统温控系统具有更高的抑制效果。

本发明采用双路原位同步调制解调差分技术来实现对温度、磁噪声的共模抑制，解决了传统微光学加速度计技术依赖温控系统来抑制温噪技术的抑制比低、难以集成的技术难题，为高效温度噪声抑制技术研究提供了技术支撑。

附图说明

图1表示基于磁致旋光微光学加速度计的噪声抑制系统示意图。

图2表示光互连结构布局图。

图3表示基于磁致旋光微光学加速度计的噪声抑制工作流程图。

图4表示双端固支悬臂梁质量块结构的加工工艺流程图。

图中：1-激光器，2a-平凸镜Ⅰ，2b-平凸镜Ⅱ，2c-平凸镜Ⅲ，3-起偏器，4-Y波导分束器，5-光纤，5a-光纤Ⅰ，5b-光纤Ⅱ，5c-光纤Ⅲ，5d-光纤Ⅳ，6-磁光晶体，6a-磁光晶体Ⅰ，6b-磁光晶体Ⅱ，7-玻璃基底，8-磁性薄膜，9-双端固支悬臂梁质量块结构，10-提供加速度信号的装置，11a-弹光调制器Ⅰ，11b-弹光调制器Ⅱ，12a-检偏器Ⅰ，12b-检偏器Ⅱ，13a-光电探测器Ⅰ，13b-光电探测器Ⅱ，14a-前置放大器Ⅰ，14b-前置放大器Ⅱ，15a-锁相放大器Ⅰ，15b-锁相放大器Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于磁旋光微光学加速度计磁、热噪声双路差分抑制系统，用于对周围环境的磁噪声和温度噪声进行抑制，包括：激光器、平凸镜、起偏器、Y波导分束器、光纤、磁性薄膜、双端固支悬臂梁质量块结构、磁光晶体、玻璃基底、弹光调制器、检偏器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器等。

如图1所示，双端固支悬臂梁质量块结构9的中心质量块上嵌入磁性薄膜8，该磁性薄膜结构进行海尔贝克排列；双端固支悬臂梁质量块结构9上方平行布置有两条玻璃基底7，其中一条玻璃基底7表面沉积有磁光晶体Ⅰ6a（作为检测端），另一条玻璃基底7表面沉积有磁光晶体Ⅱ6b（作为参考端），磁光晶体Ⅰ6a和磁光晶体Ⅱ6b一端分别通过光纤Ⅰ5a和光纤Ⅱ5b连接Y波导分束器4的两个出射端，Y波导分束器4的入射端连接起偏器3，起偏器3的入射光方向设有平凸镜Ⅰ2a，平凸镜Ⅰ2a的入射光方向设有激光器1。

如图1所示，磁光晶体Ⅰ6a和磁光晶体Ⅱ6b另一端分别通过光纤Ⅲ5c和光纤Ⅳ5d连接弹光调制器Ⅰ11a和弹光调制器Ⅱ11b，弹光调制器Ⅰ11a的出射光方向上依次设有检偏器Ⅰ12a、平凸镜Ⅱ2b、光电探测器Ⅰ13a、前置放大器Ⅰ14a、锁相放大器Ⅰ15a，弹光调制器Ⅱ11b的出射光方向上依次设有检偏器Ⅱ12b、平凸镜Ⅲ2c、光电探测器Ⅱ13b、前置放大器Ⅱ14b、锁相放大器Ⅱ15b。

对于磁光晶体，当没有外界磁场时，线偏振光沿磁光晶体介质入射后，在介质内部分解为左旋圆和右旋圆两束偏振光，且具有相同的传输特性；当存在外界磁场时，磁光晶体介质层表现出各向异性，导致线偏振光中的左旋圆偏振光部分和右旋圆偏振光部分在各向异性介质中传播时不再具有相同的传输特性，出射线偏振光的振动方向相对入射线偏振光发生改变，从而产生法拉第旋光角。基于磁致旋光微光学加速度计，利用磁性薄膜嵌入质量块结构表面，当有加速度信号时，诱导磁性薄膜磁场变化，从而引起磁光晶体线偏振光发生旋光效应，产生旋光角，通过测量旋光角来实现对加速度信号的高精度测量。

通过对磁性薄膜结构进行海尔贝克排列，使得磁性薄膜结构一侧的磁场强度显著增强，另一侧显著减弱。使用两条磁光晶体，其中一条磁光晶体在磁性薄膜正上方用于加速度信息敏感，作为旋光角测量单元（检测端）；另一条磁光晶体在在加速度计结构框架边缘处，作为噪声测量单元（参考端），远离磁性薄膜，磁性薄膜对其影响很小，用于进行温度、外界磁场等噪声测量，作为参考信号，通过同步差分来实现对共模噪声的高效抑制。

双端固支悬臂梁质量块结构的加工工艺如图4所示，首先在硅衬底上外延生长钕铁硼薄，采取方法对正面器件加以保护，在背面适当布局的掩模下，用湿法腐蚀和干法深刻蚀相结合的办法，从背面成型并释放梁和质量块结构，最终制备出双端固支悬臂梁质量块结构。

Y波导分束器将线偏振光形成两路光束分别通过检测端和参考端两条磁光晶体结构。

光纤采用光纤端面耦合方法实现磁光晶体与光纤进行端面对准连接。

磁光晶体为YIG磁光晶体，首先采用化学气相淀积法在玻璃基底上生长YIG磁光材料薄膜，并利用硬掩膜方法制备脊型磁光晶体波导结构。玻璃基底置于悬臂梁质量块结构之上。

弹光调制器通过光纤接收出射偏振光，由光电探测器接收；前置放大器接收光电探测器的信号并放大后接入锁相放大器。

具体的步骤如下：

（1）、搭建磁致旋光微光学加速度计系统，激光器1产生的激光通过平凸镜Ⅰ2a、起偏器3后，线偏振光通过Y波导分束器4，并利用光纤端面耦合方法实现磁光晶体结构与光纤进行端面对准连接，形成两路光束分别通过检测端和参考端两条磁光晶体结构。其中一条磁光晶体在磁性薄膜正上方，另一条磁光晶体在在加速度计结构框架（双端固支悬臂梁质量块结构）边缘处。

（2）、当提供加速度信号后，即固定在转台的悬臂梁质量块和磁性薄膜产生移动，引起磁性薄膜周围磁场变化，进而引起检测磁光晶体中线偏振光发生法拉第旋光效应，产生法拉第旋光角；参考磁光晶体主要受周围环境的磁噪声和温度噪声影响。

（3）、两束出射线偏振光分别通过光纤耦合接入弹光调制器（PEM）进行同步调制后，透过PEM的光经过检偏器、平凸镜后，分别被光电探测器探测，光电探测器将光信号转换为电信号，并利用前置放大器将信号进行放大。随后信号经锁相放大器鉴频处理，实现对信号锁定，从而分别测得旋光角的大小，并对测得的旋光角进行差分处理。

（4）、通过解算和分析双路差分后测得的法拉第旋光角，从而得到高精度的加速度信息，进而实现对周围环境的磁噪声和温度噪声的抑制。

实施时，将双端固支悬臂梁质量块结构9位于提供加速度信号的装置10上，可以提 供微小的轴向重力加速度。激光器1发出的激光经过平凸镜Ⅰ2a后通过起偏器3，进而通过Y 波导分束器4接入磁光晶体Ⅰ6a和磁光晶体Ⅱ6b中。当加载重力加速度后，产生加速度信号， 即悬臂梁质量块结构9和磁性薄膜8发生移动，从而引起磁薄膜8周围磁场变化，导致磁光晶 体中发生法拉第旋光效应，产生旋光角。将两束出射偏振光分别射入弹光调制器Ⅰ11a和弹 光调制器Ⅱ11b调制后，透过弹光调制器Ⅰ11a和弹光调制器Ⅱ11b的光再分别通过检偏器Ⅰ 12a和检偏器Ⅱ12b、平凸镜Ⅱ2b和平凸镜2c后进入光电探测器探测Ⅰ13a和光电探测器13b， 光电探测器将光信号转换为电信号，由前置放大器Ⅰ14a和前置放大器Ⅱ14b放大后，运用锁 相放大器Ⅰ15a和锁相放大器Ⅱ15b技术处理得到光学旋光角，然后通过解算和分析双路差 分后测得的法拉第旋光角，最后根据旋光角与磁场的公式θ=VBL，从而得到磁场B的大小，其 中V为维尔德常数，L为光在晶体中传播的距离。当加速度信号使磁性薄膜磁场变化时，根据 公式F=ma=kx，其中k为悬臂梁的弹性系数，x为悬臂梁的弹性形变，而磁场B=xS，S为磁场梯 度变化斜率。再基于旋光角与磁场公式，建立了加速度计量程解算的模型，得到了加速度与 旋光角的关系式：，通过解析计算得到加速度信息。

而且，本发明的特点在于对微小加速度信号的测量，有助于提高加速度检测精度。具体实验时，针对1μg的加速度信息检测，并利用现阶段旋光角10^-8rad的测量精度，根据旋光角与磁场的公式θ=VBL，其中V为维尔德常数，L为光在磁光晶体中传播的距离。结合本发明使用的磁光晶体物理参数维尔德常数V和磁光晶体长度L，通过旋光角θ的变化，得到磁场B的变化。同时再根据B=xS，S为磁场梯度变化斜率，从而得到1μg加速度信息下，质量块的位移大小x，并以此指标设计双端悬臂梁质量块结构，以此建立起旋光角与加速度的线性比例关系，从而通过检测的旋光角计算求得加速度信息，实现基于法拉第旋光效应的加速度传感器对微小加速度的检测。

总之，本发明通过对磁性薄膜采用海尔贝克排列结构，使得磁薄膜微结构一侧的磁场强度显著增强，另一侧显著减弱。使用两条磁光晶体，一条作为检测端位于磁薄膜正上方用于加速度信息敏感，一条作为参考端远离磁性薄膜，用于进行温度、外界磁场等噪声测量。整体传感利用线偏振光通过Y波导分束器，形成两路光束分别通过检测端和参考端磁光晶体结构，最后通过光电探测进行双路同步检测，并利用锁相放大技术实现对旋光角的检测，最后对双路信号进行差分处理，从而实现对周围环境的温度、磁噪声的抑制。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。