集成光學(xué)陀螺環(huán)形諧振器的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光學(xué)陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的高精度慣性角速度傳感器，它在各種導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、車(chē)輛的導(dǎo)航、雷達(dá)的方位測(cè)量和控制等。集成光學(xué)陀螺是激光陀螺和光纖陀螺的進(jìn)一步小型化、微型化，和激光陀螺和光纖陀螺等其他光學(xué)陀螺相比，集成光學(xué)陀螺具有無(wú)閉鎖現(xiàn)象，更容易集成等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有非常好的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和巨大的軍民應(yīng)用前景。本文的選題正是在此背景下提出的。
　　光波導(dǎo)環(huán)形諧振器是集成光學(xué)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(xué)陀螺設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵。本論文在光波導(dǎo)環(huán)形諧振器的理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備，搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以光纖激光器作為窄線(xiàn)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(cè)試了諧振曲線(xiàn)，得到諧振曲線(xiàn)特性參數(shù).測(cè)試了解調(diào)曲線(xiàn)及系統(tǒng)鎖定時(shí)間，證明閉環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諧振頻率的跟蹤。測(cè)試了陀螺的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)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(dǎo)環(huán)形諧振器是集成光學(xué)陀螺的核心敏感部件，因此對(duì)它的特性進(jìn)行研究具有重要意義。本文對(duì)無(wú)源光波導(dǎo)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(cè)量方案，在給定陀螺靈敏度為1°/h的情況下，確定了精細(xì)度大于30。分別從材料選取、單模波導(dǎo)設(shè)計(jì)、環(huán)面積選取、定向耦合器設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面來(lái)完成跑道式硅基二氧化硅光波導(dǎo)環(huán)形諧振器的設(shè)計(jì)，并用光束傳播方法對(duì)其進(jìn)行

4、了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　2、以光波導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，利用矩形波導(dǎo)的應(yīng)力分析理論并結(jié)合模式分析方法，設(shè)計(jì)了一種用于集成光學(xué)陀螺中的單模單偏振光波導(dǎo)環(huán)形諧振器，使兩個(gè)正交模式中的TM模式被截止，TE模式得以通過(guò)。其中單模單偏振光波導(dǎo)環(huán)形諧振器由二氧化硅襯底層、鍺摻雜二氧化硅波導(dǎo)芯層和二氧化硅上包層組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)可用硅熱氧化技術(shù)和PECVD技術(shù)生長(zhǎng)在硅襯底上。同時(shí)用三維有限差分光束傳輸法(3DFD-BPM)對(duì)其設(shè)計(jì)的單偏振環(huán)形諧振器的傳輸特性進(jìn)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(shù)，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(xué)陀螺系統(tǒng)中的傳播，按照光的傳輸方向，討論光波經(jīng)過(guò)激光器、聲光晶體移頻器、光波導(dǎo)環(huán)形諧振器、探測(cè)器上述器件后最終在探測(cè)器得到的波形變化情況，并分析和干涉式光學(xué)陀螺的輸出信號(hào)的區(qū)別，為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(shù)的集成光學(xué)陀螺實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)角速度的敏感元件，以光纖激光器作為光源，實(shí)現(xiàn)了集成光學(xué)陀螺的開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試了硅基二氧化硅環(huán)形諧振器的諧振曲線(xiàn)，得到自由譜寬、半高全寬及精細(xì)度分別為3.0GHz，73MHz，41。測(cè)試了解調(diào)曲線(xiàn)及系統(tǒng)鎖定時(shí)間，測(cè)試了陀螺的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)和聲光等效模擬轉(zhuǎn)動(dòng)。得到基于轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，聲光移頻等效旋轉(zhuǎn)和半高全寬線(xiàn)性近似的擬合斜率分別為3.154，0.330，0.085mV/(°/s)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明解調(diào)曲線(xiàn)由很強(qiáng)的非線(xiàn)性和線(xiàn)性近似受到很