基于慢光效应光学陀螺仪的研究

摘要

随着人类社会物质文明和精神文明的高度发展，对社会信息的需求量、传输速度有了更高的要求。为了解决电子瓶颈限制问题，在未来的全光传感网络中，光子成为一种新的信息载体来代替电子。微环谐振腔作为实现全光网络传感技术的基础器件，在信息技术中有广泛的应用，其中一项重要的应用就是用来构成微环谐振光学陀螺仪，微环谐振光学陀螺仪在光域上能实现对角速度的检测，是航海、航空、航天和石油勘探系统等的关键器件。由于普通的干涉式光学陀螺仪精度的惯性级极大地限制了传感技术的发展，为了提高光学陀螺仪的灵敏度，基于相位调制的光学陀螺仪也受到了关注。尽管能够提高光学陀螺仪灵敏度，但是还不能解决这个“瓶颈”，而光在微环谐振腔中的慢光的发现解决了这一难题，并且使得微环谐振陀螺仪近年来备受关注。从而基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪也逐渐成为人们关注的焦点。本文主要对基于相位调制的光学陀螺仪和基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪进行了研究，具体的工作和主要研究结果如下：
　　首先，论文简要地介绍了光纤耦合器的结构，利用它的耦合模理论，得到光纤耦合器的传输矩阵。同时还概述了微型谐振腔的工作原理，利用耦合器的耦合原理，分别对单耦合器和双耦合器谐振腔以及级联微环谐振腔进行了分析，并且介绍了电光调制器的结构，并分析了利用电光晶体调相的原理。
　　其次，论文通过分支器将一束光分成两路相等的信号，利用耦合器的相位调制作用，以及两束光信号在旋转的微环中所产生的萨格纳克效应，进一步对光学陀螺仪的灵敏度特性进行了分析。通过仿真最终输出信号功率与旋转速度的关系曲线，与未经相位调制的光陀螺仪的关系曲线相比较。研究指出：光学陀螺仪在线性区域工作，便于测量的同时，也能够更好地确定旋转方向。另外，论文还比较了不同耦合系数的情况下光学陀螺仪的灵敏度关系曲线，研究表明，在光纤耦合器耦合系数的某一点，光纤陀螺仪的灵敏度达到最大。由此可见，论文不仅可以通过对信号进行相位调制提高光纤陀螺仪的灵敏度，还可以改变光纤耦合器的耦合系数来实现。
　　再次，主要介绍了基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪，利用光信号在旋转闭合回路中传播时所产生的萨格纳克效应，对于光信号在单个微型谐振腔和级联微环谐振腔的相移进行了推导。考虑慢光效应与萨格纳克相结合，最终得到光学陀螺仪的传输矩阵和最终输出。为了研究慢光效应的特性，论文仿真了不同波长情况下，慢光效应引起的信号幅度、相位以及时间延迟的变化曲线。研究结果表明在波长谐振点处，发生了信号相位的跳变和时间的延迟。同时为研究光学陀螺仪的灵敏度，论文仿真了光学陀螺仪灵敏度随着旋转角速度的变化曲线。研究表明，利用级联微环的结构，实现了提高光学陀螺仪灵敏度。并且论文分别仿真不同参数改变时，光学陀螺仪灵敏度曲线，研究表明，光学陀螺仪灵敏度随着半径的增加而增加，随着微环耦合系数的增加而增加。
　　最后，论文研究了基于双耦合微环谐振腔的光学陀螺仪中的非线性效应对于灵敏度的影响，通过利用双耦合微环的结构，对于光信号进行调制，从而提高了光学陀螺仪的灵敏度。并且论文分别比较了硅和二氧化硅两种材料制成微环的情况下，非线性效应对于灵敏度的影响。结果表明，二氧化硅材料的非线性效应对于灵敏度的影响可以忽略不计，而硅材料的非线性效应会导致光学陀螺仪灵敏度下降。

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第1章 绪论

1.1 光学陀螺仪的概论及意义

1.2 光学陀螺仪的分类

1.3基于相位调制的光纤陀螺仪的研究现状

1.4基于微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪的研究现状

1.5 论文的主要研究内容和结构安排

第2章 耦合器、电光调制器及微型谐振腔的工作原理

2.1光纤耦合器结构

2.2 电光相位调制器的结构

2.3 微型谐振腔的结构

2.4 本章小结

第3章 基于相位调制的光纤陀螺仪分析与研究

3.1 基于相位调制的光纤陀螺仪的结构

3.2 耦合模方程

3.3 基于相位调制的光纤陀螺仪的特性分析

3.4本章小结

第4章 基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪的研究

4.1 基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪的结构

4.2 耦合模方程

4.3 基于级联微环谐振腔慢光效应的光学陀螺仪的特性分析

4.4本章小结

第5章 基于双耦合谐振腔光学陀螺仪的非线性效应的研究

5.1双耦合器谐振腔的基本结构

5.2 基于双耦合微环谐振腔的光学陀螺仪

5.3基于双耦合微环谐振腔的光学陀螺仪灵敏度的分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录