【《波導諧振環(WRR)國內外分析現狀文獻綜述》4500字】

波導諧振環(WRR)國內外研究現狀文獻綜述1.1國外集成光學陀螺儀波導諧振環研究現狀國外開展諧振式集成光學陀螺儀的研究更早，在20世紀80年代就已經開始了集成光學波導諧振腔的研究。1983年美國Northrop公司首次提出微光學陀螺儀，并于1990年制備出了第一臺微光學陀螺儀樣機[19]。其波導諧振環是通過離子交換技術，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諧振環，其直徑約為5cm，微環的清晰度為10，將其與光纖進行對接封裝后，搭建了一個閉環光學陀螺儀系統，其系統圖如圖1.6所示。這個閉環系統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實驗室制備的RMOG示意圖Figure1.5SchematicdiagramofRMOGpreparedbyNTTlaboratory1998年，NTT公司與日本東京大學合作，借助二氧化硅平面光波導工藝，研制成了集成光學陀螺，將微環波導諧振腔、光電調制器、分束器、光開關、耦合器集成在同一芯片上，其結構示意圖如圖1.7所示[20]。圖1.6二氧化硅基集成光學陀螺儀示意圖Figure1.6Schematicdiagramofsilicondioxidebasedintegratedopticalgyroscope此課題組提出在芯片的波導諧振環局部采用非晶硅波導淀積技術，用以調整波導的雙折射效應從而抑制波動偏振噪聲。他們制備的波導諧振環環長為14.8cm，波導的傳輸損耗為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公司報道了產品化的集成光學陀螺儀樣機，其樣機如圖所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進行了轉動性能測試，，其在1h的積分情況下零偏穩定性小于2°/s，但是未見該公司后續相關報道。2007年，德國帕德博恩大學的C.Vannahme等人在鋰酸鈮(LiNbO3)襯底通過摻鈦調節折射率制備了波導諧振環，如圖1.9所示[22]。所研制的鈮酸鋰波導諧振環直徑為6cm，其使用的波導傳輸損耗為0.03dB/cm，此波導諧振環的品質因數達到了2.4×106，其理論對應的陀螺極限靈敏度為6.7°/h。圖1.7鋰酸鈮波導諧振腔Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator2016年，意大利巴里理工大學C.Ciminelli課題組實現了單一磷化銦襯底集成的波導諧振環，InP材料可以用來制備有源器件和無源器件，從而能夠將激光器，檢測器，調制器和光學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襯底上制造了波導諧振環，其品質因數達到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域由硬掩模保護。通過MOVPE生長技術將Zn擴散進入包層，通過控制擴散時間來控制Zn擴散到InP中p摻雜區域的深度，以此控制有源區的器件制備。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波導的傳輸損耗大于1dB/cm。通過采用多環結構的波導諧振環，可以有效提高波導諧振環的質量，其結構示意圖如圖1.10所示[23]。其最終制備出的RMOG的分辨率為150°/h。通過進一步增加WRR的面積，其理論精度可以達到1°/h。圖1.8InP多環波導諧振腔結構示意圖Figure1.8StructurediagramofInPmultiringwaveguideresonato2014年，美國加州大學圣芭芭拉分校S.Srinivasan研究團隊提出了一種干涉式集成光學陀螺，如圖1.11所示[24]。他們制備了多圈氮化硅波導諧振環，其長度可達10米，整個波導環形諧振腔芯片的尺寸為6.5cm2。陀螺儀其他器件如激光器、相位調制器和探測器等制備在一Ⅲ-Ⅴ族芯片上，通過異質波導耦合結構實現了光場在兩波導之間的傳輸。經過對陀螺中各噪聲因素對陀螺系統檢測精度的影響的理論分析，他們指出當波導傳輸損耗小于0.1dB/m時，可實現的最小檢測靈敏度為4.2°/h/Hz2017年，該團隊報道了這一氮化硅波導微環諧振腔集成光學陀螺實驗結果，如圖1.12所示[25]。借助TriPlex工藝，使用低壓化學氣相沉積的方法制備氮化硅波導芯層，他們制備了輸損耗小于0.78dB/m的氮化硅波導，總線圈達3m長的低損耗氮化硅波導諧振環。該陀螺進行了轉臺測試，其陀螺角度隨機游走系數為8.52°/h，零偏穩定性為58.7°/h圖1.9異質集成氮化硅波導陀螺儀示意圖Figure1.9SchematicdiagramofheterogeneousintegratedSi3N4opticalgyroscope2017年，美國加利福尼亞大學ANDREYB.MATSKO團隊研制出了基于回音壁模式氟化鈣波導諧振環的諧振式集成光學陀螺儀[26]。此陀螺儀示意圖如圖1.13所示。應用于其中的波導諧振環直徑為7mm，品質因子達到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陀螺儀Figure1.10whispergallerymodeintegratedopticalgyroscope2018年，美國加州理工大學研制出了基于SOI光波導的可控光開關、波導環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環形諧振腔中，并被光探測器檢測并輸出信號，由于其結構采用了互易性結構，因此可以極大的減小其中存在的互易性噪聲，其結構示意圖如圖1.14所示，整個芯片的尺寸為4.5mm2，波導環形諧振腔的直徑為1mm。圖1.11互易性波導諧振環制備的集成光學陀螺儀Figure1.11Integratedopticalgyroscopebasedonreciprocalwaveguideringresonant1.2國內集成光學陀螺儀波導諧振環研究現狀國內對于集成光學陀螺儀的研究較晚，但是經過二十幾年的發展，在集成光學陀螺儀的波導諧振環方面也開展了廣泛的研究，并取得了一定的研究成果。2006年，浙江大學馬慧蓮課題組首次提出了基于二氧化硅波導諧振環的集成光學陀螺儀，其波導諧振環的環長為6cm，諧振深度為70%，清晰度為54.8。其探測靈敏度可以達到7.3×10-5rad/s[28]。2011年他們又制備了環長為7.9cm，清晰度為46的二氧化硅波導諧振環，并以此搭建了采用雙相位調制技術的集成光學陀螺儀系統。優化了調制參數之后，集成光學陀螺儀的零偏穩定性可以達到38°/h[29]。2017年他們制備出了環長7.9cm，諧振深度為98%，清晰度高達196.7的二氧化硅波導諧振環，其波導尺寸為6×6μm，考慮到波導損耗與耦合損耗，諧振環的總損耗控制在0.079dB,其示意圖如圖1.15所示[30]。通過單偏光纖與波導諧振環芯片耦合，提高了偏振消光比，減小了系統中的偏振波動噪聲，使得該陀螺儀性能得到了巨大的提升，其零偏穩定性為0.004°/s。此陀螺儀的最大檢測精度為3.74°/h，達到了檢測地球自轉速度的水平。圖1.12單偏光纖與二氧化硅波導諧振環Figure1.12Monopolarfiberandsilicawaveguideringresonant2009年北京航空航天大學馮麗爽課教授題組設計制備并測試了透射型二氧化硅波導諧振環，其平面結構如圖1.16所示[8]。其制備的波導諧振環的傳輸損耗為0.01dB/m，清晰度可達70，此諧振環理論上可達到散粒噪聲極限靈敏度為1.6°/h的陀螺儀的要求。圖1.13二氧化硅波導諧振環示意圖Figure1.13Schematicdiagramofsilicawaveguideringresonant2013年，他們制備了環長為12.8cm，清晰度為59的二氧化硅波導諧振環，并以此搭建了集成光學陀螺原型樣機，利用三角波調制和鋸齒波調制相結合的調制技術來抑制系統中的背散射噪聲，陀螺儀的零偏穩定性減小到了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諧振環建立了另一臺集成光學陀螺原型樣機，通過采用新型的均方指數穩定的雙閉環控制系統來優化陀螺儀的檢測精度和動態響應特性，其長期零偏穩定性達到了7.04°/h，是目前報道的陀螺儀樣機的最好水平[32]。2016年，東南大學張彤教授課題組針對聚合物波導在集成光學陀螺儀上的應用開展了研究[33]。他們設計并制備了橫截面為25μm2，傳輸損耗為0.5dB/cm的聚合物波導諧振環，其半高全寬為15pm，諧振深度為10dB,品質因子可以達到105，可以滿足諧振式光學陀螺儀的應用要求，理論上可以達到0.09°/s的檢測精度。1.3前沿波導諧振環的研究進展波導諧振環作為集成光學陀螺儀中的核心器件，已經受到了廣泛的研究，許多高品質波導諧振環的制備技術同樣有機會應用在集成光學陀螺儀上。因此，本小節主要對前沿波導諧振環的制備進行簡單地介紹。2017年，美國加利福尼亞大學TaranArthurHuffman教授團隊制備了高品質大面積氮化硅波導諧振環[34]。他們分別制備了半徑為9mm，3mm，1mm，0.3mm尺寸的氮化硅波導諧振環如圖1.17所示，其中，9mm尺寸氮化硅波導諧振環的波導傳輸損耗為0.2-0.5dB/m，品質因子達到6.2×108，清晰度為412.4，同時由于其采用了大橫縱比結構氮化硅波導，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，并且可以根據器件要求選擇不同尺寸的波導諧振環。圖1.14不同尺寸氮化硅波導諧振環Figure1.14Differentsizesofsiliconnitridewaveguideringresonant2017年，哈佛大學MARKOLON?AR教授團隊制備了低損耗集成鋰酸鈮波導諧振環[35]。波導的傳輸損耗為2.7dB/m，波導諧振環的品質因子為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移，此諧振環制備工藝與標準硅工藝兼容，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諧振環如圖1.18所示。圖1.15鋰酸鈮波導諧振環Figure1.7Lithiumniobatewaveguideringresonator1.4總結與分析現在國內外對于集成光學陀螺儀的研究重點放在了其核心器件波導諧振環上，大多數的集成光學陀螺還是將波導諧振環芯片經過光纖與光電探測器耦合再與后端電路互相連接。表1總結了目前已經應用在集成光學陀螺儀樣機上的波導諧振環。表1.1已經應用于MOG原型機中的波導諧振環基本特性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諧振環。光纖的傳輸損耗典型值在1dB/km左右，而目前平面光波導的典型值在1dB/m左右。平面光波導的傳輸損耗比較大，因此WRR的清晰度較低，嚴重影響了RIOG的極限靈敏度。如何進一步提升波導諧振環的品質，提高它的清晰度是接下來的研究目標。（2）目前，集成光學陀螺儀的發展主要分為兩個方向，一個是單片集成（monolithicintegration）；另一個是異質混合集成(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仍是需要克服的難題。異質混合集成可以充分發揮不同材料的優勢，選取性能最好的器件構成集成陀螺，因此，異質混合集成陀螺受到了更加廣泛的關注。設計波導諧振環芯片與其他器件的異質耦合結構的需求日益迫切。參考文獻[1] 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