集成光学环形谐振腔的研究

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1、浙江人学信息学院硕士学位论文集成光学环形谐振腔的研究姓名：王世军申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：马慧莲20080501浙江人学硕士学位论文摘要谐振式光学陀螺是基于Sagnac效应产生的谐振频率差來测量旋转角速度的一种新型光学传感器。谐振式集成光学陀螺采用先进的微米/纳米集成光电子技术，用光波导集成光路制作环形谐振腔。这种陀螺与干涉式光纤陀螺或者由分立元件组成的环形激光陀螺相比，在微小型化和集成化上都具有更大的优势。利用光波导集成光路制作的光学环形谐振腔简称集成光学环形谐振腔是谐振式集

2、成光学陀螺的核心敏感部件，是此种陀螺设计和制造的关键。基于谐振式集成光学陀螺这样一个应用背景，论文开展了谐振腔基本特性、多圈谐振腔性能以及偏振扰动和温度波动对谐振腔的影响等相关研究T作，并实际制作了多种耦合系数的单圈和多圈集成光学环形谐振腔芯片，其中单圈谐振腔芯片包括普通单模和保偏光波导两种结构，在研制的谐振腔芯片上顺利观察到了陀螺效应。具体来说，木论文的主要工作如下：采用基于Fabry.Perot干涉仪的多光束干涉叠加法分析得到环形谐振腔的谐振曲线表达式，并研究了谐振腔的基本结构参数对谐振特性的影响关系

3、；通过在谐振腔芯片上制作和谐振腔波导结构一致的参考直波导，对比参考直波导输出电压获取谐振腔传递系数的最人值，根据谐振腔谐振曲线获取谐振腔清晰度和谐振深度，利用上述三个谐振腔指标，建立了无破坏性测试谐振腔基本结构参数的测试模型，结构参数包括定向耦合器的耦合系数、附加损耗以及环形波导的传输损耗，为谐振腔的进一步优化设计提供理论基础；结合谐振式集成光学陀螺系统,分析了谐振腔基本结构参数对谐振式集成光学陀螺极限灵敏度的影响，发现在一定损耗条件和芯片尺寸下，适当增加谐振腔圈数可以提高陀螺系统的极限灵敏度。为分析多圈

4、集成光学环形谐振腔中光波在交叉点上的传输特性，利用菲涅耳衍射效应建立通用分析模型，获得任意交叉角度下交叉点损耗的计算表达式；并进一步利用基于有限差分的宽角多步光束传输法分析了光波在交叉点的传输特性，在透明边界条件下利用追赶法计算得到交义点损耗与交义角度的关系；并实际制作了各种不同交叉角度的交叉波导结构，进一步验证了上述两种模型浙江大学硕士学位论文的计算精度和适用范围；根据谐振腔谐振曲线对谐振腔损耗的敏感性，通过对照测试单圈和多圈环形谐振腔的谐振特性，建立无破坏性测试多圈谐振腔屮交义点损耗的测试方法；进一步

5、分析了多圈谐振腔对谐振式集成光学陀螺极限灵敏度的影响，得到只有当交叉点损耗小于一定值即交叉角度大于一定值时，适当増加谐振腔圈数，可以提高陀螺系统的极限灵敏度；也就是说，在一定的损耗条件和芯片尺寸下，存在一个最佳耦合系数和最佳的谐振腔圈数使得谐振式集成光学陀螺的极限灵敏度最高。研究了集成光学环形谐振腔的偏振扰动，特别是外界温度波动对集成光学环形谐振腔偏振特性的影响，利用琼斯矩阵法建立谐振腔偏振特性的分析模型，利用这个模型可以分析谐振腔各个结构参数对谐振腔偏振特性的影响关系、温度波动导致的偏振扰动对陀螺系统频

6、率锁泄的影响及温度变化引起的谐振频率的漂移。利用低压化学气相淀积和反应离了刻蚀处理技术在硅基片上制作了多种耦合系数的单圈和多圈集成光学环形谐振腔芯片，其中单圈谐振腔芯片包括普通单模和保偏光波导两种结构；分别测试了单圈和多圈谐振腔的谐振曲线，其中单圈集成光学环形谐振腔芯片的测试清晰度高达67.7,保偏谐振腔的偏振消光比为21.4dB；而由于交叉点损耗过大导致两圈和四圈谐振腔的测试清晰度分別只有19.3和10.0o利用研制的集成光学谐振腔芯片作为核心敛感部件，建立基于调相谱检测技术的谐振式集成光学陀螺系统，进

7、一步测试得到陀螺效应。关键字：谐振式集成光学陀螺，集成光学环形谐振腔，偏振，交叉波导，多圈谐振腔11浙江大学硕士学位论文AbstractRes0nat0r0pt•1cGyr0(ROG)•1san0Ve10pt■1ca1sens0rwh•1ch•1susedt0measurether0tat10nrateduet0theres0nance行equencyd■1fferencebased0nthe0pt■1ca1sagnaeeffect■Res0nat0rIntegrated0pt■1cGyr0(R—I0G)

8、ad0ptsadVancedm•1cr0andnan0•1ntegrated0Pt0e1ectr0n•1ctechn■1que9wh0ser•1ngres0nat0r•1smadeby0pt•1ca1•1ntegratedc•1rcu■1t•TheR—I0GhasmanyadVantages1nm1n■1atur•1zat■10nand■1ntegrat•10nc0mparedw■1thInterfer0met•1c0pt•1