面向諧振式微光學(xué)陀螺的高Q平面光波導(dǎo)諧振腔研究.pdf

1、近年來，諧振式微光學(xué)陀螺儀逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點之一。以薩格納克效應(yīng)為原理的諧振式微光學(xué)陀螺在集成化、小型化的發(fā)展方面非常具有潛力。諧振式微光學(xué)陀螺利用成熟的半導(dǎo)體加工工藝將光源、調(diào)制器、探測器以及諧振腔和其他關(guān)鍵器件集成在芯片上，具有體積小、全固態(tài)、抗沖擊等優(yōu)點。
　　光波導(dǎo)諧振腔作為諧振式微光學(xué)陀螺的核心敏感元件，其光學(xué)特性嚴(yán)重影響著陀螺的性能。本文深入分析了光波導(dǎo)諧振腔的光學(xué)傳輸特性，對影響陀螺性能的諧振腔關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行

2、了討論。針對目前光波導(dǎo)諧振腔品質(zhì)因數(shù)低、對諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)缺乏優(yōu)化等關(guān)鍵問題開展了系統(tǒng)的研究，提出了二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔的設(shè)計加工方法，提高了諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。論文主要研究內(nèi)容可分為以下幾個方面:
　　1)提出了高Q鍺摻雜二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔的設(shè)計加工方法。
　　針對諧振式微光學(xué)陀螺應(yīng)用對光波導(dǎo)諧振腔的需求，采用有效折射率法和光束傳播法對掩埋型鍺摻雜二氧化硅光波導(dǎo)進(jìn)行了分析，計算出了光波導(dǎo)的深寬、最大彎曲弧度等參數(shù)。在硅基底

3、上采用等離子體化學(xué)氣相沉積、光刻以及反應(yīng)離子刻蝕等工藝制備了鍺摻雜二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔。所制備的硅光波導(dǎo)的橫截面尺寸為6μm×6μm，傳輸損耗為0.017 dB/cm，光波導(dǎo)諧振腔為環(huán)形跑道結(jié)構(gòu)，尺寸為2 cm×3.6 cm。構(gòu)建了光波導(dǎo)諧振腔諧振曲線測試系統(tǒng)，測試得到所制備的鍺摻雜二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔品質(zhì)因數(shù)高達(dá)107。
　　2)提出了面向諧振式微光學(xué)陀螺的光波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
　　結(jié)合諧振式光波導(dǎo)陀螺的信號檢測原理

4、，從陀螺靈敏度的角度提出了欠耦合狀態(tài)且諧振深度等于0.75是光波導(dǎo)諧振腔應(yīng)用于諧振式微光學(xué)陀螺的設(shè)計參數(shù)。通過對諧振腔的分析發(fā)現(xiàn)，在不同的耦合狀態(tài)下，諧振腔所表現(xiàn)出來的諧振譜的半高與諧振深度等特征參量都有所不同。對比了理論上與實驗上諧振腔的品質(zhì)因數(shù)、諧振深度在不同耦合狀態(tài)下的變化趨勢，結(jié)合諧振式微光學(xué)陀螺的三角波調(diào)制解調(diào)過程，得出了使陀螺靈敏度最大化的光波導(dǎo)諧振腔的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　3)提出了雙圈光波導(dǎo)諧振腔設(shè)計結(jié)構(gòu)。
　

5、　根據(jù)諧振腔腔長與諧振譜半高全寬的關(guān)系，提出了一種雙圈式光波導(dǎo)諧振腔的設(shè)計結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在有限的芯片空間內(nèi)通過提升光波導(dǎo)諧振腔的腔長來提高其品質(zhì)因數(shù)。論文通過對光纖耦合器進(jìn)行熔接上不同長度的光纖實驗驗證了諧振腔的腔長對其品質(zhì)因數(shù)的影響，最高得到了腔長100米，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)6.74×109的光纖環(huán)形諧振腔。在硅基底上，也設(shè)計加工出雙圈式設(shè)計結(jié)構(gòu)，腔長21.6 cm的二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔，測試得到其品質(zhì)因數(shù)達(dá)到2×107。
　　通