聲光移頻集成光學(xué)陀螺及Si基SiO2波導(dǎo)光移頻技術(shù)研究.pdf

1、集成光學(xué)陀螺(IOG)是一種基于Sagnac效應(yīng)的慣性角速度傳感器，在現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中具有重要作用。本文對(duì)諧振式集成光學(xué)陀螺(R-IOG)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)可實(shí)現(xiàn)單片結(jié)構(gòu)的IOG方案中閉環(huán)控制的關(guān)鍵技術(shù)-集成光學(xué)聲光移頻技術(shù)進(jìn)行研究，得到了以下研究成果：
　　(1)采用反射式諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于聲光移頻技術(shù)的R-IOG開環(huán)和閉環(huán)兩種檢測(cè)方案，完成了聲光移頻集成光學(xué)陀螺的總體設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。從理論上研究了光源光譜

2、線寬對(duì)諧振腔諧振特性的影響及由光探測(cè)器散粒噪聲所限制的IOG極限分辨率，確定了IOG對(duì)光源線寬的要求、諧振腔各光路參數(shù)、最佳調(diào)制頻率和最佳調(diào)制指數(shù)，分析了為了使陀螺達(dá)到1°/h的分辨率，對(duì)聲光移頻技術(shù)的要求。
　　(2)數(shù)值計(jì)算了SiO2平板波導(dǎo)型和矩形波導(dǎo)型聲光Bragg器件中的光場(chǎng)分布及聲表面波分布，并對(duì)器件的聲光互作用特性進(jìn)行了研究。對(duì)SiO2平板波導(dǎo)型聲光Bragg器件討論了聲頻率與光波導(dǎo)模式及厚度對(duì)重疊積分的影響及波導(dǎo)模

3、式、聲功率和聲孔徑對(duì)衍射效率的影響。對(duì)SiO2矩形波導(dǎo)型聲光Bragg器件，建立了矩形波導(dǎo)聲光重疊積分計(jì)算模型，計(jì)算分析了聲頻率、波導(dǎo)厚度和寬度對(duì)重疊積分的影響。
　　(3)理論推導(dǎo)了層狀叉指換能器(IDT)結(jié)構(gòu)傳輸瑞利SAW的基本方程及其滿足的邊界條件，計(jì)算了層狀I(lǐng)DT結(jié)構(gòu)的頻散曲線及機(jī)電耦合系數(shù)，討論了頻散效應(yīng)對(duì)層狀I(lǐng)DT中心頻率及頻寬的影響。由于聲頻率越高，電極的二次效應(yīng)越顯著，因此建立了帶電極的IDT有限元模型，并對(duì)電極的

4、質(zhì)量效應(yīng)和反射效應(yīng)進(jìn)行了定量分析。
　　(4)對(duì)集成式聲表面波聲光移頻器(SAW-AOFS)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了減小驅(qū)動(dòng)聲功率，增大聲光互作用域，在AOFS的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，用taper波導(dǎo)作為過(guò)渡增大了聲光互作用域的波導(dǎo)寬度，為了獲得較大的機(jī)電耦合系數(shù)，選擇ZnO/IDE/SiO2/Si層狀I(lǐng)DT底電極結(jié)構(gòu)，并將SiO2和ZnO的厚度分別優(yōu)化設(shè)計(jì)為2∧和0.4∧。用有限差分光束傳播法對(duì)SAW-AOFS的衍射特性進(jìn)行分析，得

5、到了聲光互作用域波導(dǎo)的理想寬度為Woptimal=50μm，與之對(duì)應(yīng)的理想聲孔徑為L(zhǎng)optimal=2500μm，衍射效率可達(dá)85％，所需要的聲功率約為0.28W。
　　(5)建立了基于聲光移頻技術(shù)的R-IOG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：測(cè)試了環(huán)形諧振腔的諧振曲線，得到自由譜寬為3179.23MHz，半高全寬為42MHz，精細(xì)度為74.4；測(cè)試了系統(tǒng)的解調(diào)曲線，得到的順、逆時(shí)針?lè)较虻慕庹{(diào)曲線在線性區(qū)重合得很好，說(shuō)明環(huán)形諧