基于芯片级环形微腔光学频率梳耦合传输特性的陀螺效应机理研究

本项目针对深空探测、登月计划、实施小卫星群战略布署、军事小飞机侦察探测群对高精度、低功耗、小体积和集成化微光机电角速率陀螺仪的需求，从理论分析入手，研究激光在纳米光纤与高Q值环形微腔传输与耦合机理，重点开展平面环形微腔光谱特性、腔量子效应及环形微腔中的回廊模相干叠加效应的研究；阐明该系统研制、加工过程中的关键技术，研究可调激光稳定控制技术、飞瓦高速探测及脉冲计数技术，开发一套光纤与环形微腔集成加工工艺，解决激光在纳米光纤与环形微腔中传输及耦合输出的检测问题，为研制高精度、小体积的微型光学惯性器件仪奠定技术基础，将微光学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、集成化及高灵敏化。

为了满足深空探测、实施小卫星群战略布署及特殊导航领域高精度需求，新概念微光机电角速率陀螺仪已经成为相关领域研究的热点。一方面,通过对纳米锥形光纤与平面环形微腔耦合机制及微腔耦合系统的光学特性理论分析与仿真，我们熟练掌握了纳米锥形光纤的加工制备技术；另一方面，我们理论分析了环形微腔各参数对腔模体积V和品质因数Q的影响机制；进而，通过多批次MEMS工艺研究，课题组掌握了微谐振腔制备关键技术，创新性提出光学微腔耦合系统测试及封装技术，解决了耦合系统的稳定性难题，获得了高Q值、低功耗微谐振腔耦合系统，为高灵敏度新概念激光角速率陀螺研究奠定了基础。设计了基于高品质微腔角速度传感测试方案，采用单路测试结构，利用高精细度、超低损耗微腔，通过对高品质谐振腔谐振点的快速跟踪锁定，利用PID反馈信号作为表征谐振点变化的物理量，从而完成了微小频差的检测以及角速度传感的定性验证。. 研究对比了锯齿波、三角波、正弦波三种调制信号在900kHz时的调制效果，结果表明正弦波调制效果略优于其它两种调制方法。PID控制电路通过闭环负反馈，使误差信号达到零值点，系统处于稳定平衡位置，实现了谐振点的锁定。系统中所用的微谐振腔锁定前谐振信号的半高全宽（FWHM）为20MHz，对应Q值约为107，谐振频率锁定后通过测量鉴频曲线的波动幅度，可计算出谐振点锁定精度约为10kHz。通过对不同角速度敏感测试数据分析，信号整体趋于平稳，且输出信号的变化与测试平台的旋转角速度瞬时变化情况相对应，初步验证了微谐振腔的角速度敏感特性。系统旋转角速度线性增大，对应PID闭环反馈控制的激光器频率变化量也线性增加。测试中，旋转平台初速度为0r/s，以0.0625r/s2的加速度进行匀加速旋转，达到预定速度2r/s后匀速旋转。实验数据表明在0—30s的加速旋转过程中反馈输出信号强度呈近似线性上升变化；在30s后的匀速旋转时间里输出信号保持相对稳定，当角速度达到2r/s时，频率变化量趋于稳定，输出信号的整个变化过程与测试平台的旋转角速度变化情况相对应，验证了微谐振腔角速度敏感特性,为微集成陀螺的进一步研究奠定基础。