有源谐振腔中快光调控及其对Sagnac效应的增强机制

In this project, active resonator optical waveguide, modulated to generate fast light, and its enhancement of Sagnac effect will be investigated. Based on theoretical analysis, structure design and property simulation of glasses, crystals and Si-based passive and active resonator optical waveguide, several kinds of active resonator prototypes, with and without active rare-earth codoping, will be fabricated by fs laser writting and standard microelectronic process. We will investigate the optical dispersion relation and its dependence, fast-light effect and boundary limitation of structure geometry in active resonator optical waveguide. Waveguide materials, structural geometry, optical coupling coefficient, loss and active optical gain mechanism in modulation of active resonator will be demonstrated. Fast-light will be generated in active resonator when it meets critically anomalous dispersion parameters and coupled to an active waveguide. The role of fast light on active resonator properties and Sagnac effect will also be investigated. The key scientific issue for this project is to realize optical dispersion relation, fast-light generation mechanism and its influence on Sacnac effect in active waveguide resonators. The project embodies the demanding and tendency for high sensitivity, small size and weight, and integrated optical inertia technology. It is aslo locating in the frontier of the optical precision metrology, which will be potential for exploring new precision metrology devices and breaking through in the foreland of inertia technology field in future.

本项目拟研究有源谐振腔中快光的产生与调控，并探讨其对光学Sagnac效应的增强机制。在对玻璃、晶体和硅基等无源和有源光波导谐振腔进行理论计算、结构设计和性能模拟的基础上，分别采用飞秒激光和微电子工艺制备有源稀土元素掺杂的光波导谐振腔原型。分析有源谐振腔中光传输色散关系及其影响因素；探讨波导材料、结构型式、耦合状态、损耗和光增益对调控谐振腔色散性质的作用，揭示反常色散关系形成条件及快光产生与调控机制；探索快光对谐振腔性能和Sagnac效应的影响。主要解决的科学问题是芯片级有源谐振腔中光传输的色散关系、快光产生与调控机制及其对光学Sagnac效应的增强机制。这一项目是基于国际光学精密测量物理的学术前沿和航空航天惯性导航的高端需求，结合了光学惯性技术向高精度、小型化、轻重量和可集成的发展趋势，将对提升我国光学精密测量和惯性技术前沿基础研究水平具有重要意义。

项目基于国际光学精密测量物理的学术前沿和惯性导航的高端需求，结合了光学惯性导航技术向高精度、小型化、轻重量和可集成的发展趋势，研究有源谐振腔中快光的产生与调控，并探讨其对光学Sagnac效应的增强机制，为实现高精度微纳光波导提供科学依据。重要的结果和数据有：.（1）利用先进的钛宝石飞秒激光加工平台，在Er3+和Yb3+共掺磷酸玻璃内直写一批有源谐振腔芯片，研究了光增益引入双耦合谐振环陀螺结构中不同部分的性能影响。在大谐振环中引入光增益，可以有效的改变结构色散性质，使陀螺灵敏度进一步提升。此方法易于进行精确控制，并实现了稀土离子光增益和反常色散对谐振型光学陀螺进行“损耗补偿”和“色散调制”的双重效果。.（2）提出了一种基于 SOI的马赫-曾德尔 MZI集成光学陀螺结构，参数优化后通过热光效应调制 MZI 两臂的相位，使陀螺在其动态范围内始终工作在最佳灵敏度的状态。当陀螺处于静止状态时，通过对陀螺参数的优化，找出使陀螺灵敏度最佳的参数。当传输损耗为3dB/cm时，最佳的谐振腔周长为0.0554m，最佳耦合系数0.8046，偏置相位1.2353 rad，最小可检测角速度0.1247°/h。.（3）采用铌酸锂薄膜掺杂Er3+作为有源的激光腔，由MZI相位调制整个激光腔的色散，通过反常色散增强陀螺的灵敏度。这种结构可以连续的调节群速度，克服加工误差引起的结构参数改变，避免了利用谐振环个数和调节耦合系数改变色散关系的方式，得出无源谐振环之间的最佳耦合系数0.992，在MZI相位分别以0和π为中心时，陀螺的灵敏度至少提升300倍。.利用色散可以大幅度的提高陀螺的性能，为实现高性能的集成光波导陀螺提供了可能性和理论依据，代表了下一代光学陀螺技术的发展趋势。我国将在新一代光学陀螺缩短与国外差距，提升空天海作战平台及武器的性能，是国防安全和国民经济的重大变革。这一项目是基于国际光学精密测量物理的学术前沿和航空航天惯性导航的高端需求，结合了光学惯性技术向高精度、小型化、轻重量和可集成的发展趋势，将对提升我国光学精密测量和惯性技术前沿基础研究水平具有重要意义。