面向角速度傳感的高Q值微諧振腔及其耦合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、氧化硅光學(xué)微諧振腔可獲得目前為止最高的Q值，在開展高Q值微諧振腔角速度傳感研究上具有較大潛力，有望應(yīng)用其超高Q值特性實(shí)現(xiàn)小型化角速度傳感測(cè)試系統(tǒng)。
　　結(jié)合Sagnac效應(yīng)，本文分析了光學(xué)微諧振腔角速度傳感原理，指出微諧振腔穩(wěn)定的諧振模式是開展角速度傳感研究的前提。然而，由于自身耦合結(jié)構(gòu)的分立特點(diǎn)，傳統(tǒng)氧化硅高Q值微諧振腔及其耦合結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于角速度傳感研究中面臨多方面挑戰(zhàn)，包括：光學(xué)微諧振腔耦合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，傳感選擇性難以保證，諧

2、振腔Q值難以保持等。這些挑戰(zhàn)集中體現(xiàn)為如何抑制影響諧振模式穩(wěn)定性的相關(guān)噪聲，即機(jī)械噪聲，環(huán)境折射率噪聲，熱噪聲以及激光器頻率噪聲。本文面向高Q值光學(xué)微諧振腔角速度傳感應(yīng)用，開展高Q值微諧振腔及其耦合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究。相關(guān)研究內(nèi)容可歸納為以下幾個(gè)方面：
　　1、搭建了氧化硅光學(xué)微諧振腔與錐形光纖制造平臺(tái)，構(gòu)建了微諧振腔耦合結(jié)構(gòu)及其測(cè)試系統(tǒng)。
　　設(shè)計(jì)并搭建氧化硅光學(xué)微諧振腔（球形微諧振腔、盤形微諧振腔及環(huán)形微諧振腔）的制造和后

3、處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了諧振腔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化制造。搭建錐形光纖耦合器制備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了腰錐直徑為1~3μm的低損耗（-0.15~-0.29dB）錐形光纖制備。構(gòu)建了光學(xué)微諧振腔及錐形光纖的耦合結(jié)構(gòu)并搭建了其諧振特性測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得到光學(xué)微諧振腔Q值高達(dá)108。
　　2、設(shè)計(jì)、制備并測(cè)試了光學(xué)微諧振腔耦合封裝結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)光學(xué)微諧振腔制約角速度傳感研究的因素，首次提出了應(yīng)用低折射率可固化光學(xué)材料對(duì)光學(xué)微諧振腔的分立耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝處理使

4、之成為一體結(jié)構(gòu)的方法。分析了封裝結(jié)構(gòu)對(duì)封裝材料的要求，討論了封裝體系光損耗機(jī)制以及與封裝材料特性的關(guān)系。
　　設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試了兩種封裝結(jié)構(gòu)：點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)和全封裝結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，兩種封裝結(jié)構(gòu)的Q值可高達(dá)107，指出全封裝結(jié)構(gòu)更適用于光學(xué)微諧振腔角速度傳感研究。通過改進(jìn)制造方法首次實(shí)現(xiàn)了便攜式微諧振腔功能模塊，打破了傳統(tǒng)光學(xué)微諧振腔耦合結(jié)構(gòu)需用龐大位置控制伺服平臺(tái)的常規(guī)。
　　3、設(shè)計(jì)并搭建了全封裝結(jié)構(gòu)性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試了該

5、結(jié)構(gòu)的抗機(jī)械震動(dòng)性能、隔離性能，測(cè)試結(jié)果表明：
　　1）全封裝結(jié)構(gòu)健壯性良好。在低轉(zhuǎn)速測(cè)試中保持了良好的諧振特性，且能承受高于1g的過載沖擊，克服了傳統(tǒng)光學(xué)微諧振腔耦合結(jié)構(gòu)不具備抗震動(dòng)能力的缺點(diǎn)。
　　2）全封裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)微諧振腔與外界環(huán)境的隔離。解決了角速度傳感應(yīng)用中“非倏逝場(chǎng)傳感”與“倏逝場(chǎng)傳感”間的解耦問題，有利于實(shí)現(xiàn)角速度傳感的高選擇性。
　　4、理論和實(shí)驗(yàn)分析了光學(xué)微諧振腔所處外界環(huán)境中灰塵和水分子對(duì)光學(xué)

6、微諧振腔諧振特性的影響，建立了帶有實(shí)際應(yīng)用環(huán)境因素的光學(xué)微諧振腔Q值構(gòu)成模型，打破了理想條件 Q值建模的常規(guī)。全封裝結(jié)構(gòu)消除了外界環(huán)境 Q值破壞因素，首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜、惡劣環(huán)境下Q值長時(shí)間保持（保存時(shí)間決定于固化后封裝材料的保質(zhì)期），克服了傳統(tǒng)光學(xué)微諧振腔在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下不具備Q值保持能力的缺點(diǎn)。
　　5、提出了基于全封裝結(jié)構(gòu)的頻率參考單元，并構(gòu)建了帶有參考單元的測(cè)試系統(tǒng)。分析了熱噪聲對(duì)光學(xué)微諧振腔諧振譜特性的影響。提出了應(yīng)用冰水混

7、合物作為測(cè)試環(huán)境來有效抑制熱噪聲的方法。首次應(yīng)用諧振腔全封裝結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了可用于光學(xué)微諧振腔傳感測(cè)試的頻率標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，進(jìn)而提出了帶有頻率參考單元的光學(xué)微諧振腔測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了參考單元及帶參考單元測(cè)試系統(tǒng)對(duì)抑制熱噪聲以及激光頻率噪聲的有效性。
　　通過上述研究，獲得了較為穩(wěn)定的光學(xué)微諧振腔諧振單元，滿足了光學(xué)微諧振腔角速度傳感總體設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)微諧振腔單元的要求。此外，相關(guān)工作還可推進(jìn)其它類型光學(xué)微諧振腔傳感器件（壓力傳感、微位移傳感、