波導(dǎo)諧振環(huán)(WRR)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述1.1國外集成光學(xué)陀螺儀波導(dǎo)諧振環(huán)研究現(xiàn)狀國外開展諧振式集成光學(xué)陀螺儀的研究更早，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始了集成光學(xué)波導(dǎo)諧振腔的研究。1983年美國Northrop公司首次提出微光學(xué)陀螺儀，并于1990年制備出了第一臺微光學(xué)陀螺儀樣機(jī)[19]。其波導(dǎo)諧振環(huán)是通過離子交換技術(shù)，在玻璃襯底上沉積氧化鋅薄膜制備的。1989年日本NTT公司在硅片上制備了二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，其直徑約為5cm，微環(huán)的清晰度為10，將其與光纖進(jìn)行對接封裝后，搭建了一個閉環(huán)光學(xué)陀螺儀系統(tǒng)，其系統(tǒng)圖如圖1.6所示。這個閉環(huán)系統(tǒng)在其中一束光路上增加了200米的光纖延遲線以抑制由相反光束帶來的背散射噪聲。其測量轉(zhuǎn)動信號顯示，在積分為1秒的情況下，陀螺儀靈敏度為9rad/s。圖1.5日本NTT實(shí)驗(yàn)室制備的RMOG示意圖Figure1.5SchematicdiagramofRMOGpreparedbyNTTlaboratory1998年，NTT公司與日本東京大學(xué)合作，借助二氧化硅平面光波導(dǎo)工藝，研制成了集成光學(xué)陀螺，將微環(huán)波導(dǎo)諧振腔、光電調(diào)制器、分束器、光開關(guān)、耦合器集成在同一芯片上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.7所示[20]。圖1.6二氧化硅基集成光學(xué)陀螺儀示意圖Figure1.6Schematicdiagramofsilicondioxidebasedintegratedopticalgyroscope此課題組提出在芯片的波導(dǎo)諧振環(huán)局部采用非晶硅波導(dǎo)淀積技術(shù)，用以調(diào)整波導(dǎo)的雙折射效應(yīng)從而抑制波動偏振噪聲。他們制備的波導(dǎo)諧振環(huán)環(huán)長為14.8cm，波導(dǎo)的傳輸損耗為0.024dB/cm，定向耦合器的插入損耗為0.23dB。其陀螺儀最終測到了角速度為120°/s的輸出信號。2000年美國Intellisense公司報道了產(chǎn)品化的集成光學(xué)陀螺儀樣機(jī)，其樣機(jī)如圖所1.8所示[21]。其封裝包括電路檢測部分和光路輸出部分，兩部分由光電探測器連接。該公司對研制的樣機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)動性能測試，，其在1h的積分情況下零偏穩(wěn)定性小于2°/s，但是未見該公司后續(xù)相關(guān)報道。2007年，德國帕德博恩大學(xué)的C.Vannahme等人在鋰酸鈮(LiNbO3)襯底通過摻鈦調(diào)節(jié)折射率制備了波導(dǎo)諧振環(huán)，如圖1.9所示[22]。所研制的鈮酸鋰波導(dǎo)諧振環(huán)直徑為6cm，其使用的波導(dǎo)傳輸損耗為0.03dB/cm，此波導(dǎo)諧振環(huán)的品質(zhì)因數(shù)達(dá)到了2.4×106，其理論對應(yīng)的陀螺極限靈敏度為6.7°/h。圖1.7鋰酸鈮波導(dǎo)諧振腔Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator2016年，意大利巴里理工大學(xué)C.Ciminelli課題組實(shí)現(xiàn)了單一磷化銦襯底集成的波導(dǎo)諧振環(huán)，InP材料可以用來制備有源器件和無源器件，從而能夠?qū)⒓す馄?，檢測器，調(diào)制器和光學(xué)諧振器同時制備在同一單一芯片，這可以減小器件尺寸，并提高器件在振動和溫度下的性能。他們通過COBRA工藝在InP襯底上制造了波導(dǎo)諧振環(huán)，其品質(zhì)因數(shù)達(dá)到0.6×106，面積為10mm2，。COBRA工藝首先是在InGaAs層上淀積一層無摻雜的外包層，用來制備無源器件的區(qū)域由硬掩模保護(hù)。通過MOVPE生長技術(shù)將Zn擴(kuò)散進(jìn)入包層，通過控制擴(kuò)散時間來控制Zn擴(kuò)散到InP中p摻雜區(qū)域的深度，以此控制有源區(qū)的器件制備。雖然使用COBRA工藝可以極大的提高工藝的流暢性，并且能夠降低有源器件無源器件工藝整合的難度，但是此工藝方法制備的InP波導(dǎo)的傳輸損耗大于1dB/cm。通過采用多環(huán)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)諧振環(huán)，可以有效提高波導(dǎo)諧振環(huán)的質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.10所示[23]。其最終制備出的RMOG的分辨率為150°/h。通過進(jìn)一步增加WRR的面積，其理論精度可以達(dá)到1°/h。圖1.8InP多環(huán)波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Figure1.8StructurediagramofInPmultiringwaveguideresonato2014年，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校S.Srinivasan研究團(tuán)隊(duì)提出了一種干涉式集成光學(xué)陀螺，如圖1.11所示[24]。他們制備了多圈氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，其長度可達(dá)10米，整個波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片的尺寸為6.5cm2。陀螺儀其他器件如激光器、相位調(diào)制器和探測器等制備在一Ⅲ-Ⅴ族芯片上，通過異質(zhì)波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光場在兩波導(dǎo)之間的傳輸。經(jīng)過對陀螺中各噪聲因素對陀螺系統(tǒng)檢測精度的影響的理論分析，他們指出當(dāng)波導(dǎo)傳輸損耗小于0.1dB/m時，可實(shí)現(xiàn)的最小檢測靈敏度為4.2°/h/Hz2017年，該團(tuán)隊(duì)報道了這一氮化硅波導(dǎo)微環(huán)諧振腔集成光學(xué)陀螺實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1.12所示[25]。借助TriPlex工藝，使用低壓化學(xué)氣相沉積的方法制備氮化硅波導(dǎo)芯層，他們制備了輸損耗小于0.78dB/m的氮化硅波導(dǎo)，總線圈達(dá)3m長的低損耗氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)。該陀螺進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺測試，其陀螺角度隨機(jī)游走系數(shù)為8.52°/h，零偏穩(wěn)定性為58.7°/h圖1.9異質(zhì)集成氮化硅波導(dǎo)陀螺儀示意圖Figure1.9SchematicdiagramofheterogeneousintegratedSi3N4opticalgyroscope2017年，美國加利福尼亞大學(xué)ANDREYB.MATSKO團(tuán)隊(duì)研制出了基于回音壁模式氟化鈣波導(dǎo)諧振環(huán)的諧振式集成光學(xué)陀螺儀[26]。此陀螺儀示意圖如圖1.13所示。應(yīng)用于其中的波導(dǎo)諧振環(huán)直徑為7mm，品質(zhì)因子達(dá)到109，其瑞利散射噪聲小于10ppm，陀螺儀的量子噪聲角速度隨機(jī)游走為0.02deg/h。其偏置漂移小于3deg/h。圖1.10回音壁模式集成光學(xué)陀螺儀Figure1.10whispergallerymodeintegratedopticalgyroscope2018年，美國加州理工大學(xué)研制出了基于SOI光波導(dǎo)的可控光開關(guān)、波導(dǎo)環(huán)形諧振腔和探測器單片集成的陀螺儀[27]。通過采用一個馬赫增德爾干涉儀，可以將光路傳入兩組波導(dǎo)環(huán)形諧振腔中，并被光探測器檢測并輸出信號，由于其結(jié)構(gòu)采用了互易性結(jié)構(gòu)，因此可以極大的減小其中存在的互易性噪聲，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.14所示，整個芯片的尺寸為4.5mm2，波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的直徑為1mm。圖1.11互易性波導(dǎo)諧振環(huán)制備的集成光學(xué)陀螺儀Figure1.11Integratedopticalgyroscopebasedonreciprocalwaveguideringresonant1.2國內(nèi)集成光學(xué)陀螺儀波導(dǎo)諧振環(huán)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于集成光學(xué)陀螺儀的研究較晚，但是經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，在集成光學(xué)陀螺儀的波導(dǎo)諧振環(huán)方面也開展了廣泛的研究，并取得了一定的研究成果。2006年，浙江大學(xué)馬慧蓮課題組首次提出了基于二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)的集成光學(xué)陀螺儀，其波導(dǎo)諧振環(huán)的環(huán)長為6cm，諧振深度為70%，清晰度為54.8。其探測靈敏度可以達(dá)到7.3×10-5rad/s[28]。2011年他們又制備了環(huán)長為7.9cm，清晰度為46的二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，并以此搭建了采用雙相位調(diào)制技術(shù)的集成光學(xué)陀螺儀系統(tǒng)。優(yōu)化了調(diào)制參數(shù)之后，集成光學(xué)陀螺儀的零偏穩(wěn)定性可以達(dá)到38°/h[29]。2017年他們制備出了環(huán)長7.9cm，諧振深度為98%，清晰度高達(dá)196.7的二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，其波導(dǎo)尺寸為6×6μm，考慮到波導(dǎo)損耗與耦合損耗，諧振環(huán)的總損耗控制在0.079dB,其示意圖如圖1.15所示[30]。通過單偏光纖與波導(dǎo)諧振環(huán)芯片耦合，提高了偏振消光比，減小了系統(tǒng)中的偏振波動噪聲，使得該陀螺儀性能得到了巨大的提升，其零偏穩(wěn)定性為0.004°/s。此陀螺儀的最大檢測精度為3.74°/h，達(dá)到了檢測地球自轉(zhuǎn)速度的水平。圖1.12單偏光纖與二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)Figure1.12Monopolarfiberandsilicawaveguideringresonant2009年北京航空航天大學(xué)馮麗爽課教授題組設(shè)計(jì)制備并測試了透射型二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，其平面結(jié)構(gòu)如圖1.16所示[8]。其制備的波導(dǎo)諧振環(huán)的傳輸損耗為0.01dB/m，清晰度可達(dá)70，此諧振環(huán)理論上可達(dá)到散粒噪聲極限靈敏度為1.6°/h的陀螺儀的要求。圖1.13二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)示意圖Figure1.13Schematicdiagramofsilicawaveguideringresonant2013年，他們制備了環(huán)長為12.8cm，清晰度為59的二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)，并以此搭建了集成光學(xué)陀螺原型樣機(jī)，利用三角波調(diào)制和鋸齒波調(diào)制相結(jié)合的調(diào)制技術(shù)來抑制系統(tǒng)中的背散射噪聲，陀螺儀的零偏穩(wěn)定性減小到了0.22°/s[31]。2018年，他們利用直徑為6cm，清晰度為82透射式二氧化硅波導(dǎo)諧振環(huán)建立了另一臺集成光學(xué)陀螺原型樣機(jī)，通過采用新型的均方指數(shù)穩(wěn)定的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來優(yōu)化陀螺儀的檢測精度和動態(tài)響應(yīng)特性，其長期零偏穩(wěn)定性達(dá)到了7.04°/h，是目前報道的陀螺儀樣機(jī)的最好水平[32]。2016年，東南大學(xué)張彤教授課題組針對聚合物波導(dǎo)在集成光學(xué)陀螺儀上的應(yīng)用開展了研究[33]。他們設(shè)計(jì)并制備了橫截面為25μm2，傳輸損耗為0.5dB/cm的聚合物波導(dǎo)諧振環(huán)，其半高全寬為15pm，諧振深度為10dB,品質(zhì)因子可以達(dá)到105，可以滿足諧振式光學(xué)陀螺儀的應(yīng)用要求，理論上可以達(dá)到0.09°/s的檢測精度。1.3前沿波導(dǎo)諧振環(huán)的研究進(jìn)展波導(dǎo)諧振環(huán)作為集成光學(xué)陀螺儀中的核心器件，已經(jīng)受到了廣泛的研究，許多高品質(zhì)波導(dǎo)諧振環(huán)的制備技術(shù)同樣有機(jī)會應(yīng)用在集成光學(xué)陀螺儀上。因此，本小節(jié)主要對前沿波導(dǎo)諧振環(huán)的制備進(jìn)行簡單地介紹。2017年，美國加利福尼亞大學(xué)TaranArthurHuffman教授團(tuán)隊(duì)制備了高品質(zhì)大面積氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)[34]。他們分別制備了半徑為9mm，3mm，1mm，0.3mm尺寸的氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)如圖1.17所示，其中，9mm尺寸氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)的波導(dǎo)傳輸損耗為0.2-0.5dB/m，品質(zhì)因子達(dá)到6.2×108，清晰度為412.4，同時由于其采用了大橫縱比結(jié)構(gòu)氮化硅波導(dǎo)，其TE模式的傳輸損耗為0.001dB/m，TM模式的傳輸損耗大于1000dB/m，其偏振消光比高于75dB，并且可以根據(jù)器件要求選擇不同尺寸的波導(dǎo)諧振環(huán)。圖1.14不同尺寸氮化硅波導(dǎo)諧振環(huán)Figure1.14Differentsizesofsiliconnitridewaveguideringresonant2017年，哈佛大學(xué)MARKOLON?AR教授團(tuán)隊(duì)制備了低損耗集成鋰酸鈮波導(dǎo)諧振環(huán)[35]。波導(dǎo)的傳輸損耗為2.7dB/m，波導(dǎo)諧振環(huán)的品質(zhì)因子為107。此工藝是在SOI襯底上生長了一層X晶向的鋰酸鈮薄膜，通過電子束曝光完成圖形轉(zhuǎn)移，此諧振環(huán)制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝兼容，因此，對于芯片集成度的提高有很大的幫助。其制備出的鋰酸鈮波導(dǎo)諧振環(huán)如圖1.18所示。圖1.15鋰酸鈮波導(dǎo)諧振環(huán)Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator1.4總結(jié)與分析現(xiàn)在國內(nèi)外對于集成光學(xué)陀螺儀的研究重點(diǎn)放在了其核心器件波導(dǎo)諧振環(huán)上，大多數(shù)的集成光學(xué)陀螺還是將波導(dǎo)諧振環(huán)芯片經(jīng)過光纖與光電探測器耦合再與后端電路互相連接。表1總結(jié)了目前已經(jīng)應(yīng)用在集成光學(xué)陀螺儀樣機(jī)上的波導(dǎo)諧振環(huán)。表1.1已經(jīng)應(yīng)用于MOG原型機(jī)中的波導(dǎo)諧振環(huán)基本特性Table1.1BasicfeaturesofWRRsalreadyusedinMOGprototypesGyrosQfactorDiameterBiasstability（deg/h）Sensitivity(deg/h)Silicamicrogyro[30]1.46×1072.5cm0.0043.74InPMicrogyro[23]6×1053mmAfew150CaF2Microgyro[36]1×1097mm3--PolymerMicrogyro[33]1×1051cm--324集成光學(xué)陀螺儀目前還存在著下列問題：（1）如何制備低傳輸損耗和高偏振消光比的波導(dǎo)諧振環(huán)。光纖的傳輸損耗典型值在1dB/km左右，而目前平面光波導(dǎo)的典型值在1dB/m左右。平面光波導(dǎo)的傳輸損耗比較大，因此WRR的清晰度較低，嚴(yán)重影響了RIOG的極限靈敏度。如何進(jìn)一步提升波導(dǎo)諧振環(huán)的品質(zhì)，提高它的清晰度是接下來的研究目標(biāo)。（2）目前，集成光學(xué)陀螺儀的發(fā)展主要分為兩個方向，一個是單片集成（monolithicintegration）；另一個是異質(zhì)混合集成(hybridintegration)。單片集成陀螺儀受限于材料特性，主要以磷化銦和鋰酸鈮材料為主，但是制備出低損耗的波導(dǎo)仍是需要克服的難題。異質(zhì)混合集成可以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，選取性能最好的器件構(gòu)成集成陀螺，因此，異質(zhì)混合集成陀螺受到了更加廣泛的關(guān)注。設(shè)計(jì)波導(dǎo)諧振環(huán)芯片與其他器件的異質(zhì)耦合結(jié)構(gòu)的需求日益迫切。參考文獻(xiàn)[1] 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