题目：集成光学陀螺的集成化技术研究

在惯性技术发展中，用于深空探测的惯性制导技术和远距离投送的惯性导航平台技术，在推动军事技术的发展方面具有重要地位。惯导捷联体系和惯性测量组合的微型化发展趋势，对其核心陀螺仪表也提出了更高的技术要求，即不但要求精度高，更要求体积小、重量轻、微型化和高可靠性。因此，随着集成光学和微电子集成技术的发展，将光学陀螺仪像集成电路一样集成在多功能芯片上，实现陀螺的微小型和低成本，成为重要的发展趋势。

本论文依托于国家自然科学基金“单片式集成光学陀螺基础研究”，以集成光学陀螺为研究核心，重点针对陀螺的集成化技术展开研究。从陀螺的集成化方案出发，结合导波光学、半导体物理、材料学以及微加工理论，遵循理论研究、数学建模、仿真计算与分析、实验验证的研究思路，分别对集成化设计方案、混合式集成光学陀螺用敏感腔芯片和窄线宽半导体激光器芯片进行了详细研究，并搭建陀螺系统进行了实验验证，最后对硅基单片式集成光学陀螺技术的发展提出展望。

论文开展的主要工作和成果如下：

（1）集成光学陀螺的集成化方案设计。通过分析分立式集成光学陀螺系统的结构特性，提出集成光学陀螺的单片式集成方案和混合式集成方案，并进行了方案分析和比较。在此基础上确定选用无外部调制器的混合式集成光学陀螺方案，从光信号传输模型、信号的调制解调以及系统的锁频及检测等方面，详细阐述了陀螺系统的工作原理。

（2）混合式集成光学陀螺用敏感腔研究。应用Rsoft软件的光束传播仿真模块建立混合式集成光学陀螺用敏感腔的结构参数仿真模型，对SiO2波导敏感腔内的Y分支、定向耦合器和环形谐振腔进行优化设计，得到最优的结构参数。理论推导出谐振曲线输出特性和环形谐振腔结构参数的精确关系。结合谐振曲线斜率、输出非线性度和陀螺动态范围等因素，提出一种谐振腔结构参数优化方法，得到陀螺系统最大输出与谐振腔直径的关系。对优化后的芯片进行了加工，搭建实验平台进行了谐振特性的测试，并对测试结果和仿真结果进行了比较。

（3）混合式集成光学陀螺用半导体激光器研究。提出一种基于硅基波导光栅外腔的半导体激光器结构。应用激光器纵模原理、耦合模理论以及等离子色散机理建立了激光器芯片的设计仿真模型，重点针对波导光栅的性能进行了仿真分析，得到了光栅反射率和反射谱宽与结构参数的关系。应用波导外腔调制器结构实现了高调制精度和低调制伴随损耗。对硅基集成半导体激光器的加工工艺进行了探索。

（4）混合式集成光学陀螺系统实验研究。应用硅基SiO2敏感腔芯片、半导体激光器、光电探测器和信号检测电路搭建了集成光学陀螺实验系统，成功实现了系统的转台实验和静态测试实验，对系统的零偏稳定性、标度因数和非线性度等性能参数进行了计算和分析。

（5）硅基单片式集成光学陀螺方案探索研究。提出基于硅基调制器的单片式集成光学陀螺方案，重点针对硅基调制器性能特性展开研究。应用有限差分光束传播法、等离子色散效应和载流子运输理论建立了硅基调制器的仿真平台，分析了硅基调制器的调制效率和调制线性度两大性能参数，并对结构进行了优化设计。在此基础上提出一种基于谐振腔内调制的单片式集成光学陀螺方案。对基于谐振腔内置调制器的调制解调技术进行了详细阐述。应用光束传播法和谐振腔优化设计理论，对内置调制器的谐振腔芯片进行了优化设计。应用硅基SOI波导完成芯片的加工，并搭建实验平台进行了谐振特性的测试，对测试结果进行了分析。