集成光學陀螺環(huán)形諧振器的理論與實驗研究.pdf

1、光學陀螺是一種基于Sagnac效應的高精度慣性角速度傳感器，它在各種導航和制導系統(tǒng)中有著重要應用，如飛機、導彈、艦船、車輛的導航、雷達的方位測量和控制等。集成光學陀螺是激光陀螺和光纖陀螺的進一步小型化、微型化，和激光陀螺和光纖陀螺等其他光學陀螺相比，集成光學陀螺具有無閉鎖現(xiàn)象，更容易集成等眾多優(yōu)點，具有非常好的學術研究價值和巨大的軍民應用前景。本文的選題正是在此背景下提出的。
　　光波導環(huán)形諧振器是集成光學陀螺的核心敏感部件，其性

2、能直接影響陀螺系統(tǒng)的整體性能，是集成光學陀螺設計與制造的關鍵。本論文在光波導環(huán)形諧振器的理論分析基礎上，對其進行了優(yōu)化設計與制備，搭建了相應的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)以光纖激光器作為窄線寬光源，半徑為2cm、硅基二氧化硅跑道式環(huán)形諧振器作為核心敏感元件，采用聲光頻移器作為控制元件。測試了諧振曲線，得到諧振曲線特性參數(shù).測試了解調(diào)曲線及系統(tǒng)鎖定時間，證明閉環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對諧振頻率的跟蹤。測試了陀螺的實際轉動信號和零漂，系統(tǒng)零漂峰峰值4.9°/s。

3、
　　具體的工作和成果如下：
　　1、光波導環(huán)形諧振器是集成光學陀螺的核心敏感部件，因此對它的特性進行研究具有重要意義。本文對無源光波導環(huán)形諧振器作了理論上的研究，主要研究諧振器的諧振特性和損耗特性，采用單耦合環(huán)形諧振器的測量方案，在給定陀螺靈敏度為1°/h的情況下，確定了精細度大于30。分別從材料選取、單模波導設計、環(huán)面積選取、定向耦合器設計這幾個方面來完成跑道式硅基二氧化硅光波導環(huán)形諧振器的設計，并用光束傳播方法對其進行

4、了優(yōu)化設計。
　　2、以光波導理論為基礎，利用矩形波導的應力分析理論并結合模式分析方法，設計了一種用于集成光學陀螺中的單模單偏振光波導環(huán)形諧振器，使兩個正交模式中的TM模式被截止，TE模式得以通過。其中單模單偏振光波導環(huán)形諧振器由二氧化硅襯底層、鍺摻雜二氧化硅波導芯層和二氧化硅上包層組成，整個結構可用硅熱氧化技術和PECVD技術生長在硅襯底上。同時用三維有限差分光束傳輸法(3DFD-BPM)對其設計的單偏振環(huán)形諧振器的傳輸特性進行

5、仿真分析。
　　3、研究了硅基二氧化硅的制備工藝，采用PECVD技術，制備了硅基二氧化硅環(huán)形諧振器。
　　4、研究了光波在集成光學陀螺系統(tǒng)中的傳播，按照光的傳輸方向，討論光波經(jīng)過激光器、聲光晶體移頻器、光波導環(huán)形諧振器、探測器上述器件后最終在探測器得到的波形變化情況，并分析和干涉式光學陀螺的輸出信號的區(qū)別，為實驗檢測提供理論分析數(shù)據(jù)。
　　5、建立了基于激光頻率調(diào)制技術的集成光學陀螺實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用硅基二氧化硅環(huán)形

6、諧振器作為旋轉角速度的敏感元件，以光纖激光器作為光源，實現(xiàn)了集成光學陀螺的開環(huán)檢測系統(tǒng)，測試了硅基二氧化硅環(huán)形諧振器的諧振曲線，得到自由譜寬、半高全寬及精細度分別為3.0GHz，73MHz，41。測試了解調(diào)曲線及系統(tǒng)鎖定時間，測試了陀螺的實際轉動信號和聲光等效模擬轉動。得到基于轉動測試，聲光移頻等效旋轉和半高全寬線性近似的擬合斜率分別為3.154，0.330，0.085mV/(°/s)，實驗結果表明解調(diào)曲線由很強的非線性和線性近似受到很