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声光移频集成光学陀螺及Si基SiO_2波导声光移频技术研究

陈晨  
【摘要】:集成光学陀螺(IOG)是一种基于Sagnac效应的惯性角速度传感器,在现代惯性导航系统中具有重要作用。本文对谐振式集成光学陀螺(R-IOG)进行了理论和实验研究,并对可实现单片结构的IOG方案中闭环控制的关键技术—集成光学声光移频技术进行研究,得到了以下研究成果: (1)采用反射式谐振腔结构设计了基于声光移频技术的R-IOG开环和闭环两种检测方案,完成了声光移频集成光学陀螺的总体设计、信号检测和系统实验。从理论上研究了光源光谱线宽对谐振腔谐振特性的影响及由光探测器散粒噪声所限制的IOG极限分辨率,确定了IOG对光源线宽的要求、谐振腔各光路参数、最佳调制频率和最佳调制指数,分析了为了使陀螺达到1°/h的分辨率,对声光移频技术的要求。 (2)数值计算了SiO2平板波导型和矩形波导型声光Bragg器件中的光场分布及声表面波分布,并对器件的声光互作用特性进行了研究。对Si02平板波导型声光Bragg器件讨论了声频率与光波导模式及厚度对重叠积分的影响及波导模式、声功率和声孔径对衍射效率的影响。对Si02矩形波导型声光Bragg器件,建立了矩形波导声光重叠积分计算模型,计算分析了声频率、波导厚度和宽度对重叠积分的影响。 (3)理论推导了层状叉指换能器(IDT)结构传输瑞利SAW的基本方程及其满足的边界条件,计算了层状IDT结构的频散曲线及机电耦合系数,讨论了频散效应对层状IDT中心频率及频宽的影响。由于声频率越高,电极的二次效应越显著,因此建立了带电极的IDT有限元模型,并对电极的质量效应和反射效应进行了定量分析。 (4)对集成式声表面波声光移频器(SAW-AOFS)的总体结构进行了优化设计,为了减小驱动声功率,增大声光互作用域,在AOFS的波导结构中,用taper波导作为过渡增大了声光互作用域的波导宽度,为了获得较大的机电耦合系数,选择ZnO/IDE/SiO2/Si层状IDT底电极结构,并将Si02和ZnO的厚度分别优化设计为2Λ和0.4Λ。用有限差分光束传播法对SAW-AOFS的衍射特性进行分析,得到了声光互作用域波导的理想宽度为Woptimal=50μ m,与之对应的理想声孔径为Loptimal=2500μ m,衍射效率可达85%,所需要的声功率约为0.28W。 (5)建立了基于声光移频技术的R-IOG实验系统,并对陀螺系统进行了实验研究:测试了环形谐振腔的谐振曲线,得到自由谱宽为3179.23MHz,半高全宽为42MHz,精细度为74.4;测试了系统的解调曲线,得到的顺、逆时针方向的解调曲线在线性区重合得很好,说明环形谐振腔具有良好的互易性;测试了不同旋转角速度下陀螺的开环输出信号,用最小二乘法拟合出了陀螺信号与旋转角速度的线性关系,得到标度因数为5.1699mV/(°/s),拟合零位为-2.2331mV;测试了系统静止状态下的零漂,得到6秒和12秒内的陀螺零漂峰峰值约为3.87。/s;最后进行了声光移频等效模拟实验,利用两个AOFS引入等效Sagnac频差,测试了陀螺系统的开环输出。


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