聲光移頻集成光學陀螺及Si基SiO2波導光移頻技術研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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)構的IOG方案中閉環(huán)控制的關鍵技術-集成光學聲光移頻技術進行研究,得到了以下研究成果:
  (1)采用反射式諧振腔結(jié)構設計了基于聲光移頻技術的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)構傳輸瑞利SAW的基本方程及其滿足的邊界條件,計算了層狀IDT結(jié)構的頻散曲線及機電耦合系數(shù),討論了頻散效應對層狀IDT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)構進行了優(yōu)化設計,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IDT底電極結(jié)構,并將SiO2和ZnO的厚度分別優(yōu)化設計為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

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