集成光學(xué)環(huán)形諧振腔的研究.pdf

1、諧振式光學(xué)陀螺是基于Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的諧振頻率差來測量旋轉(zhuǎn)角速度的一種新型光學(xué)傳感器。諧振式集成光學(xué)陀螺采用先進(jìn)的微米/納米集成光電子技術(shù)，用光波導(dǎo)集成光路制作環(huán)形諧振腔。這種陀螺與干涉式光纖陀螺或者由分立元件組成的環(huán)形激光陀螺相比，在微小型化和集成化上都具有更大的優(yōu)勢。利用光波導(dǎo)集成光路制作的光學(xué)環(huán)形諧振腔簡稱集成光學(xué)環(huán)形諧振腔是諧振式集成光學(xué)陀螺的核心敏感部件，是此種陀螺設(shè)計和制造的關(guān)鍵。基于諧振式集成光學(xué)陀螺這樣一個應(yīng)用背景，

2、論文開展了諧振腔基本特性、多圈諧振腔性能以及偏振擾動和溫度波動對諧振腔的影響等相關(guān)研究工作，并實(shí)際制作了多種耦合系數(shù)的單圈和多圈集成光學(xué)環(huán)形諧振腔芯片，其中單圈諧振腔芯片包括普通單模和保偏光波導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)，在研制的諧振腔芯片上順利觀察到了陀螺效應(yīng)。具體來說，本論文的主要工作如下： 采用基于Fabry-Perot干涉儀的多光束干涉疊加法分析得到環(huán)形諧振腔的諧振曲線表達(dá)式，并研究了諧振腔的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振特性的影響關(guān)系；通過在諧振腔

3、芯片上制作和諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致的參考直波導(dǎo)，對比參考直波導(dǎo)輸出電壓獲取諧振腔傳遞系數(shù)的最大值，根據(jù)諧振腔諧振曲線獲取諧振腔清晰度和諧振深度，利用上述三個諧振腔指標(biāo)，建立了無破壞性測試諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括定向耦合器的耦合系數(shù)、附加損耗以及環(huán)形波導(dǎo)的傳輸損耗，為諧振腔的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)；結(jié)合諧振式集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)，分析了諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振式集成光學(xué)陀螺極限靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)在一定損耗條件和芯片尺寸下，適

4、當(dāng)增加諧振腔圈數(shù)可以提高陀螺系統(tǒng)的極限靈敏度。 為分析多圈集成光學(xué)環(huán)形諧振腔中光波在交叉點(diǎn)上的傳輸特性，利用菲涅耳衍射效應(yīng)建立通用分析模型，獲得任意交叉角度下交叉點(diǎn)損耗的計算表達(dá)式；并進(jìn)一步利用基于有限差分的寬角多步光束傳輸法分析了光波在交叉點(diǎn)的傳輸特性，在透明邊界條件下利用追趕法計算得到交叉點(diǎn)損耗與交叉角度的關(guān)系；并實(shí)際制作了各種不同交叉角度的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述兩種模型的計算精度和適用范圍；根據(jù)諧振腔諧振曲線對諧振

5、腔損耗的敏感性，通過對照測試單圈和多圈環(huán)形諧振腔的諧振特性，建立無破壞性測試多圈諧振腔中交叉點(diǎn)損耗的測試方法；進(jìn)一步分析了多圈諧振腔對諧振式集成光學(xué)陀螺極限靈敏度的影響，得到只有當(dāng)交叉點(diǎn)損耗小于一定值即交叉角度大于一定值時，適當(dāng)增加諧振腔圈數(shù)，可以提高陀螺系統(tǒng)的極限靈敏度；也就是說，在一定的損耗條件和芯片尺寸下，存在一個最佳耦合系數(shù)和最佳的諧振腔圈數(shù)使得諧振式集成光學(xué)陀螺的極限靈敏度最高。研究了集成光學(xué)環(huán)形諧振腔的偏振擾動，特別是外界溫

6、度波動對集成光學(xué)環(huán)形諧振腔偏振特性的影響，利用瓊斯矩陣法建立諧振腔偏振特性的分析模型，利用這個模型可以分析諧振腔各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振腔偏振特性的影響關(guān)系、溫度波動導(dǎo)致的偏振擾動對陀螺系統(tǒng)頻率鎖定的影響及溫度變化引起的諧振頻率的漂移。 利用低壓化學(xué)氣相淀積和反應(yīng)離子刻蝕處理技術(shù)在硅基片上制作了多種耦合系數(shù)的單圈和多圈集成光學(xué)環(huán)形諧振腔芯片，其中單圈諧振腔芯片包括普通單模和保偏光波導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)；分別測試了單圈和多圈諧振腔的諧振曲線，其中