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再入式微型光学陀螺Sagnac效应敏感环关键技术的研究

黄仁果  
【摘要】: 随着微纳技术、光电子技术的发展,集成光学和光电子器件生产技术及工艺的进步,集成化、易于批量生产的微型化光学陀螺成为了光学陀螺的一个重要发展趋势。目前,国内外研制较多的微型化光学陀螺主要有微型环形激光陀螺、谐振型微光学陀螺及再入式干涉型微光学陀螺三种方案。在这三种实现微型化陀螺的结构中,再入式干涉型微光学陀螺在原理上、结构上与成熟的干涉型光纤陀螺相似,很多噪声抑制技术、标度因素线性化技术、外围电路设计等相关技术可以采用干涉型光纤陀螺的技术,这给微型光学陀螺的设计带来了方便。但同时,微型化、集成化也带来了偏振误差的抑制困难、再入信号光功率弱、信噪比低等问题。本文在干涉式光学陀螺的基础上,针对上述问题,主要进行了保偏波导、光波导放大器的分析及优化设计。具体工作主要有: 首先,从Sagnac效应原理出发,详细阐述了干涉式光学陀螺的信号检测原理,光学陀螺调制解调方法,将开环、闭环检测系统进行了对比。在此基础上,推导了再入式光学陀螺的信号检测原理,并介绍了多次循环光束Sagnac相移信号的提取方案。接着详细分析了导致Sagnac相移误差的几种非互易误差因素及其抑制方案。 其次,重点分析了波导环的双折射效应。从理论上推导了波导双折射跟波导应力分布的关系。然后从结构、材料应力两方面分别分析了影响硅基二氧化硅光波导、SOI(绝缘体上的硅)光波导的双折射的因素,并指出了提高双折射的方案,分析了模场在双折射波导中的传输。最后,进行了保偏微光学陀螺的偏振误差的理论分析。 最后,为补偿波导中光强的损耗以及耦合输出光强,提高多次循环光束的信号强度,对光波导放大器进行了分析及优化设计。通过对耦合器的设计,确定了适当耦合比,以使对Sagnac相移的探测灵敏度最优化。然后,从光波导放大器的速率方程及传输方程出发,对波导增益特性进行了理论分析,在此基础上从波导长度、掺杂浓度、泵浦光功率等角度进行了优化。


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