【《波导谐振环(WRR)国内外分析现状文献综述》4500字】

波导谐振环(WRR)国内外研究现状文献综述1.1国外集成光学陀螺仪波导谐振环研究现状国外开展谐振式集成光学陀螺仪的研究更早，在20世纪80年代就已经开始了集成光学波导谐振腔的研究。1983年美国Northrop公司首次提出微光学陀螺仪，并于1990年制备出了第一台微光学陀螺仪样机[19]。其波导谐振环是通过离子交换技术，在玻璃衬底上沉积氧化锌薄膜制备的。1989年日本NTT公司在硅片上制备了二氧化硅波导谐振环，其直径约为5cm，微环的清晰度为10，将其与光纤进行对接封装后，搭建了一个闭环光学陀螺仪系统，其系统图如图1.6所示。这个闭环系统在其中一束光路上增加了200米的光纤延迟线以抑制由相反光束带来的背散射噪声。其测量转动信号显示，在积分为1秒的情况下，陀螺仪灵敏度为9rad/s。图1.5日本NTT实验室制备的RMOG示意图Figure1.5SchematicdiagramofRMOGpreparedbyNTTlaboratory1998年，NTT公司与日本东京大学合作，借助二氧化硅平面光波导工艺，研制成了集成光学陀螺，将微环波导谐振腔、光电调制器、分束器、光开关、耦合器集成在同一芯片上，其结构示意图如图1.7所示[20]。图1.6二氧化硅基集成光学陀螺仪示意图Figure1.6Schematicdiagramofsilicondioxidebasedintegratedopticalgyroscope此课题组提出在芯片的波导谐振环局部采用非晶硅波导淀积技术，用以调整波导的双折射效应从而抑制波动偏振噪声。他们制备的波导谐振环环长为14.8cm，波导的传输损耗为0.024dB/cm，定向耦合器的插入损耗为0.23dB。其陀螺仪最终测到了角速度为120°/s的输出信号。2000年美国Intellisense公司报道了产品化的集成光学陀螺仪样机，其样机如图所1.8所示[21]。其封装包括电路检测部分和光路输出部分，两部分由光电探测器连接。该公司对研制的样机进行了转动性能测试，，其在1h的积分情况下零偏稳定性小于2°/s，但是未见该公司后续相关报道。2007年，德国帕德博恩大学的C.Vannahme等人在锂酸铌(LiNbO3)衬底通过掺钛调节折射率制备了波导谐振环，如图1.9所示[22]。所研制的铌酸锂波导谐振环直径为6cm，其使用的波导传输损耗为0.03dB/cm，此波导谐振环的品质因数达到了2.4×106，其理论对应的陀螺极限灵敏度为6.7°/h。图1.7锂酸铌波导谐振腔Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator2016年，意大利巴里理工大学C.Ciminelli课题组实现了单一磷化铟衬底集成的波导谐振环，InP材料可以用来制备有源器件和无源器件，从而能够将激光器，检测器，调制器和光学谐振器同时制备在同一单一芯片，这可以减小器件尺寸，并提高器件在振动和温度下的性能。他们通过COBRA工艺在InP衬底上制造了波导谐振环，其品质因数达到0.6×106，面积为10mm2，。COBRA工艺首先是在InGaAs层上淀积一层无掺杂的外包层，用来制备无源器件的区域由硬掩模保护。通过MOVPE生长技术将Zn扩散进入包层，通过控制扩散时间来控制Zn扩散到InP中p掺杂区域的深度，以此控制有源区的器件制备。虽然使用COBRA工艺可以极大的提高工艺的流畅性，并且能够降低有源器件无源器件工艺整合的难度，但是此工艺方法制备的InP波导的传输损耗大于1dB/cm。通过采用多环结构的波导谐振环，可以有效提高波导谐振环的质量，其结构示意图如图1.10所示[23]。其最终制备出的RMOG的分辨率为150°/h。通过进一步增加WRR的面积，其理论精度可以达到1°/h。图1.8InP多环波导谐振腔结构示意图Figure1.8StructurediagramofInPmultiringwaveguideresonato2014年，美国加州大学圣芭芭拉分校S.Srinivasan研究团队提出了一种干涉式集成光学陀螺，如图1.11所示[24]。他们制备了多圈氮化硅波导谐振环，其长度可达10米，整个波导环形谐振腔芯片的尺寸为6.5cm2。陀螺仪其他器件如激光器、相位调制器和探测器等制备在一Ⅲ-Ⅴ族芯片上，通过异质波导耦合结构实现了光场在两波导之间的传输。经过对陀螺中各噪声因素对陀螺系统检测精度的影响的理论分析，他们指出当波导传输损耗小于0.1dB/m时，可实现的最小检测灵敏度为4.2°/h/Hz2017年，该团队报道了这一氮化硅波导微环谐振腔集成光学陀螺实验结果，如图1.12所示[25]。借助TriPlex工艺，使用低压化学气相沉积的方法制备氮化硅波导芯层，他们制备了输损耗小于0.78dB/m的氮化硅波导，总线圈达3m长的低损耗氮化硅波导谐振环。该陀螺进行了转台测试，其陀螺角度随机游走系数为8.52°/h，零偏稳定性为58.7°/h图1.9异质集成氮化硅波导陀螺仪示意图Figure1.9SchematicdiagramofheterogeneousintegratedSi3N4opticalgyroscope2017年，美国加利福尼亚大学ANDREYB.MATSKO团队研制出了基于回音壁模式氟化钙波导谐振环的谐振式集成光学陀螺仪[26]。此陀螺仪示意图如图1.13所示。应用于其中的波导谐振环直径为7mm，品质因子达到109，其瑞利散射噪声小于10ppm，陀螺仪的量子噪声角速度随机游走为0.02deg/h。其偏置漂移小于3deg/h。图1.10回音壁模式集成光学陀螺仪Figure1.10whispergallerymodeintegratedopticalgyroscope2018年，美国加州理工大学研制出了基于SOI光波导的可控光开关、波导环形谐振腔和探测器单片集成的陀螺仪[27]。通过采用一个马赫增德尔干涉仪，可以将光路传入两组波导环形谐振腔中，并被光探测器检测并输出信号，由于其结构采用了互易性结构，因此可以极大的减小其中存在的互易性噪声，其结构示意图如图1.14所示，整个芯片的尺寸为4.5mm2，波导环形谐振腔的直径为1mm。图1.11互易性波导谐振环制备的集成光学陀螺仪Figure1.11Integratedopticalgyroscopebasedonreciprocalwaveguideringresonant1.2国内集成光学陀螺仪波导谐振环研究现状国内对于集成光学陀螺仪的研究较晚，但是经过二十几年的发展，在集成光学陀螺仪的波导谐振环方面也开展了广泛的研究，并取得了一定的研究成果。2006年，浙江大学马慧莲课题组首次提出了基于二氧化硅波导谐振环的集成光学陀螺仪，其波导谐振环的环长为6cm，谐振深度为70%，清晰度为54.8。其探测灵敏度可以达到7.3×10-5rad/s[28]。2011年他们又制备了环长为7.9cm，清晰度为46的二氧化硅波导谐振环，并以此搭建了采用双相位调制技术的集成光学陀螺仪系统。优化了调制参数之后，集成光学陀螺仪的零偏稳定性可以达到38°/h[29]。2017年他们制备出了环长7.9cm，谐振深度为98%，清晰度高达196.7的二氧化硅波导谐振环，其波导尺寸为6×6μm，考虑到波导损耗与耦合损耗，谐振环的总损耗控制在0.079dB,其示意图如图1.15所示[30]。通过单偏光纤与波导谐振环芯片耦合，提高了偏振消光比，减小了系统中的偏振波动噪声，使得该陀螺仪性能得到了巨大的提升，其零偏稳定性为0.004°/s。此陀螺仪的最大检测精度为3.74°/h，达到了检测地球自转速度的水平。图1.12单偏光纤与二氧化硅波导谐振环Figure1.12Monopolarfiberandsilicawaveguideringresonant2009年北京航空航天大学冯丽爽课教授题组设计制备并测试了透射型二氧化硅波导谐振环，其平面结构如图1.16所示[8]。其制备的波导谐振环的传输损耗为0.01dB/m，清晰度可达70，此谐振环理论上可达到散粒噪声极限灵敏度为1.6°/h的陀螺仪的要求。图1.13二氧化硅波导谐振环示意图Figure1.13Schematicdiagramofsilicawaveguideringresonant2013年，他们制备了环长为12.8cm，清晰度为59的二氧化硅波导谐振环，并以此搭建了集成光学陀螺原型样机，利用三角波调制和锯齿波调制相结合的调制技术来抑制系统中的背散射噪声，陀螺仪的零偏稳定性减小到了0.22°/s[31]。2018年，他们利用直径为6cm，清晰度为82透射式二氧化硅波导谐振环建立了另一台集成光学陀螺原型样机，通过采用新型的均方指数稳定的双闭环控制系统来优化陀螺仪的检测精度和动态响应特性，其长期零偏稳定性达到了7.04°/h，是目前报道的陀螺仪样机的最好水平[32]。2016年，东南大学张彤教授课题组针对聚合物波导在集成光学陀螺仪上的应用开展了研究[33]。他们设计并制备了横截面为25μm2，传输损耗为0.5dB/cm的聚合物波导谐振环，其半高全宽为15pm，谐振深度为10dB,品质因子可以达到105，可以满足谐振式光学陀螺仪的应用要求，理论上可以达到0.09°/s的检测精度。1.3前沿波导谐振环的研究进展波导谐振环作为集成光学陀螺仪中的核心器件，已经受到了广泛的研究，许多高品质波导谐振环的制备技术同样有机会应用在集成光学陀螺仪上。因此，本小节主要对前沿波导谐振环的制备进行简单地介绍。2017年，美国加利福尼亚大学TaranArthurHuffman教授团队制备了高品质大面积氮化硅波导谐振环[34]。他们分别制备了半径为9mm，3mm，1mm，0.3mm尺寸的氮化硅波导谐振环如图1.17所示，其中，9mm尺寸氮化硅波导谐振环的波导传输损耗为0.2-0.5dB/m，品质因子达到6.2×108，清晰度为412.4，同时由于其采用了大横纵比结构氮化硅波导，其TE模式的传输损耗为0.001dB/m，TM模式的传输损耗大于1000dB/m，其偏振消光比高于75dB，并且可以根据器件要求选择不同尺寸的波导谐振环。图1.14不同尺寸氮化硅波导谐振环Figure1.14Differentsizesofsiliconnitridewaveguideringresonant2017年，哈佛大学MARKOLONČAR教授团队制备了低损耗集成锂酸铌波导谐振环[35]。波导的传输损耗为2.7dB/m，波导谐振环的品质因子为107。此工艺是在SOI衬底上生长了一层X晶向的锂酸铌薄膜，通过电子束曝光完成图形转移，此谐振环制备工艺与标准硅工艺兼容，因此，对于芯片集成度的提高有很大的帮助。其制备出的锂酸铌波导谐振环如图1.18所示。图1.15锂酸铌波导谐振环Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator1.4总结与分析现在国内外对于集成光学陀螺仪的研究重点放在了其核心器件波导谐振环上，大多数的集成光学陀螺还是将波导谐振环芯片经过光纤与光电探测器耦合再与后端电路互相连接。表1总结了目前已经应用在集成光学陀螺仪样机上的波导谐振环。表1.1已经应用于MOG原型机中的波导谐振环基本特性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集成光学陀螺仪目前还存在着下列问题：（1）如何制备低传输损耗和高偏振消光比的波导谐振环。光纤的传输损耗典型值在1dB/km左右，而目前平面光波导的典型值在1dB/m左右。平面光波导的传输损耗比较大，因此WRR的清晰度较低，严重影响了RIOG的极限灵敏度。如何进一步提升波导谐振环的品质，提高它的清晰度是接下来的研究目标。（2）目前，集成光学陀螺仪的发展主要分为两个方向，一个是单片集成（monolithicintegration）；另一个是异质混合集成(hybridintegration)。单片集成陀螺仪受限于材料特性，主要以磷化铟和锂酸铌材料为主，但是制备出低损耗的波导仍是需要克服的难题。异质混合集成可以充分发挥不同材料的优势，选取性能最好的器件构成集成陀螺，因此，异质混合集成陀螺受到了更加广泛的关注。设计波导谐振环芯片与其他器件的异质耦合结构的需求日益迫切。参考文献[1] 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