全固态微型化三轴谐振式光学陀螺应用基础研究

As the key component of the inertial navigation system, gyroscope with high sensitivity is extremely important for the long time navigation applications in the fields such as aerospace flight, airplanes, ships and some other equipments. A novel three-axis optical gyro gyroscope based on microsphere resonator is proposed in this project. Using the coupling method of evanescent field, combined with the microsphere resonator prepared by the hot-melt method to form the coupling unit, focusing on the breakthrough of sub-nanometer precision manufacturing and integrated design technology, research on the suppression of gyro system Backscatter noise and polarization fluctuation noise. This method is more suitable for the sensor chip design and integration.

发展新一代的三轴高精度陀螺仪，满足航空航天与装备技术领域的长航时自主导航应用需求，具有十分重要的战略意义。项目提出一种新型的全固态三轴谐振式陀螺传感检测模式，拟以三轴耦合球形光学微谐振腔为谐振式光学陀螺系统的敏感功能单元，研制一种全固态三轴微光机电陀螺；采用锥形光纤倐逝场耦合方法，结合热熔融法制备的微球谐振腔形成耦合单元，重点突破硅基纳米光波导结构亚纳米精度制造及一体化集成设计技术难题，研究陀螺系统中的背向散射噪声和偏振波动噪声的产生机理及相应的解决方案；采用时分复用方案，实现陀螺系统信号的三轴输出检测，解决三轴微光机电陀螺的集成问题，为新一代导航级固态微光机电陀螺的研制提供关键技术支撑。

本项目针对高精度、低成本、小体积、大动态范围、抗高过载的集成三轴微光机电陀螺仪的应用需求，从理论分析入手，在研究激光在纳米光纤与高Q值球形光学微谐振腔传输与耦合机理的基础上，对三轴耦合球形光学微谐振腔陀螺进行系统论证，重点开展陀螺系统非互易性噪声研究，阐明三轴耦合球形光学微谐振腔研制加工过程中的关键技术，研发微光学谐振腔加工制备工艺，突破高Q值三轴耦合球形光学微谐振腔制造工艺及耦合封装瓶颈技术，解决激光在纳米光纤与球形谐振腔中传输及耦合输出的检测问题，分析并抑制微光机电陀螺系统中的非互易性噪声，提出了二次谐波法对陀螺系统中的强度噪声进行抑制消除，通过理论分析与实验验证二次谐波法具有响应时间快、可抑制强度调制范围大等优势。提出单相位调制器方案，即将铌酸锂相位调制器移至分束器前，此方案减少一个相位调制器，具有低成本、低功耗、集成度高等优点。由于CW、CCW两路具有相同的调制电压及调制频率，通过理论和实验验证针对铌酸锂相位调制器存在的残余强度调制效应进行抑制。提出双法拉第旋转系统，利用回拨抑制法抑制了陀螺系统中的背向噪声，高偏振消光比抑制偏振波动噪声，打破了基于铌酸锂相位调制器的载波抑制法及旋转熔接技术抑制背向噪声和偏振波动噪声的常规。搭建了实验测试平台，验证得到此方案可将背向噪声和偏振波动噪声降低至极限灵敏度以下。. 本项目为研制高精度、低成本、小体积、大动态范围、抗高过载的微型光学陀螺仪奠定技术基础，将惯性器件的设计和制造水平提高到一个新的层次，实现微光学惯性器件的微型化、集成化、轻量化及高灵敏化。本项目发表论文10篇，其中SCI收录7篇，受理国家发明专利2项；培养硕士研究生8名，其中已毕业4名，在读研究生4名。