聲光移頻集成光學陀螺及Si基SiO2波導光移頻技術(shù)研究.pdf

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

2、線寬對諧振腔諧振特性的影響及由光探測器散粒噪聲所限制的IOG極限分辨率，確定了IOG對光源線寬的要求、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到1°/h的分辨率，對聲光移頻技術(shù)的要求。
　　(2)數(shù)值計算了SiO2平板波導型和矩形波導型聲光Bragg器件中的光場分布及聲表面波分布，并對器件的聲光互作用特性進行了研究。對SiO2平板波導型聲光Bragg器件討論了聲頻率與光波導模式及厚度對重疊積分的影響及波導模

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

4、質(zhì)量效應和反射效應進行了定量分析。
　　(4)對集成式聲表面波聲光移頻器(SAW-AOFS)的總體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，為了減小驅(qū)動聲功率，增大聲光互作用域，在AOFS的波導結(jié)構(gòu)中，用taper波導作為過渡增大了聲光互作用域的波導寬度，為了獲得較大的機電耦合系數(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)計為2∧和0.4∧。用有限差分光束傳播法對SAW-AOFS的衍射特性進行分析，得

5、到了聲光互作用域波導的理想寬度為Woptimal=50μm，與之對應的理想聲孔徑為Loptimal=2500μm，衍射效率可達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實驗系統(tǒng)，并對陀螺系統(tǒng)進行了實驗研究：測試了環(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，精細度為74.4；測試了系統(tǒng)的解調(diào)曲線，得到的順、逆時針方向的解調(diào)曲線在線性區(qū)重合得很好，說明環(huán)形諧