● 摘要
耦合谐振腔光波导(CROWs)结构自提出以来，就以其丰富的时域和频域特性以及极高的设计灵活度，吸引越来越多人探索其潜在的科学问题与应用价值。它为物理现象研究以及相关应用提供了广阔的平台，已经在广泛的应用领域中展现出极佳性能。值得注意的是，CROW展现出的高色散特性，将为提高集成光学陀螺性能提供一个新的解决思路。然而在近些年耦合谐振环光波导陀螺的研究中，人们普遍面临波导传输损耗过大以及相邻谐振环之间Sagnac效应相互抵消的问题。因此，寻找一种用于解决上述问题的实际可行的方案变得尤为重要与紧迫。
本文提出并分析了一种有源垂直耦合光波导陀螺的方案，它利用飞秒激光微刻写工艺在掺Er3+磷酸盐玻璃内部制备空间垂直耦合的谐振环阵列，这样有利于同时解决传播方向和损耗限制两大问题。文中首先以稀土元素Er3+作为增益介质，用其简化二能级模型推导出单谐振环内损耗补偿及自发辐射噪声模型，并推广至复杂情况——耦合谐振环结构，获得有源CROW的自发辐射噪声模型。
基于修正的自发辐射噪声模型，本文深入分析了陀螺构型的性能，提出增益速率、耦合系数、输入信号光率和泵浦功率的优化方法，获得了特定环数下陀螺的最优设计参数。理论结果表明，给定相同本征损耗0.5dB/cm时，相比传统无源CROW陀螺，经损耗补偿和垂直分布设计的新型陀螺的极限灵敏度比前者要高三个量级以上。本文又进一步研究了实际参数扰动对陀螺最终性能的影响。文中讨论了半径、耦合系数和实际粒子数扰动对透射曲线的影响，验证了在参数扰动下耦合模理论与传输矩阵方法依然能够较好的吻合。分析了不同环数下平均极限分辨率与最佳耦合系数的频率分布，最后得出最佳谐振环的个数为N=5，而且指出即使在考虑实际扰动情形下，该结构依然有85%概率低于10deg/hr的较高分辨率以及较好的鲁棒性。