论文摘要：基于光子带隙效应的环形谐振腔研究

光子晶体是一种基于光子带隙效应的新型微纳光波导器件。具有微纳结构特征的光子晶体拥有许多独特的性能，如：1）对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低；2）散射低、损耗小、对弯曲不敏感；3）在空芯光子晶体光纤中，光波可等效在真空中传输。因此将光子晶体应用到谐振式光学陀螺中，可以有效的解决传统光纤陀螺所遇到的问题，是新一代小型化和高精度光学陀螺技术发展的重要方向。本论文针对谐振式光子晶体陀螺中的核心器件-谐振腔进行了深入的研究，主要研究内容如下：

1、空芯光子晶体光纤谐振腔设计与仿真

利用电磁波理论中的麦克斯韦方程组建立了光子晶体中的光子能带方程，并对光子晶体的数值分析方法进行了简单的介绍；采用多光束干涉法，详细推导了空芯光子晶体光纤谐振腔的数学模型；基于Sagnac效应和谐振式光纤陀螺原理，给出了陀螺极限灵敏度与谐振腔结构参数之间的关系，通过Matlab建模构建了一套完整的谐振式空芯光子晶体光纤陀螺设计与仿真平台，研究分析了谐振腔中分光比、耦合损耗和光源线宽对谐振腔和陀螺性能的影响。

2、谐振式空芯光子晶体光纤陀螺噪声分析

首先采用Comsol软件建立空芯光子晶体光纤模型，利用有限元方法对空芯光子晶体光纤本身的双折射特性进行了研究；利用传输矩阵法建立了谐振腔的偏振数学模型，对光波传输过程中偏振态的变化对谐振腔谐振曲线的影响进行了分析，基于以上模型建立了陀螺偏振噪声模型，仿真分析了入射光波偏振轴对准、激光器线宽、谐振腔腔长和耦合损耗对陀螺偏振漂移的影响；搭建了空芯光子晶体光纤谐振腔温度测试平台，实验分析了温度对空芯光子晶体光纤谐振腔的影响，并与普通保偏光纤谐振腔实验结果进行了对比；从理论上对克尔效应在陀螺系统中引起的漂移进行了推导，仿真分析了谐振腔腔长和耦合损耗对克尔漂移的影响，并与普通单模光纤构建的陀螺进行了对比，搭建了克尔效应实验测试平台，对空芯光子晶体光纤谐振腔构建的陀螺系统中的克尔漂移进行了研究；最后给出了法拉第效应在陀螺系统中引起漂移的表达式，并仿真分析了法拉第效应对陀螺漂移的影响。研究结果表明，将空芯光子晶体光纤应用到谐振式光纤陀螺系统中，可以有效抑制周围环境因素在陀螺系统中引起的噪声，提高陀螺的检测精度。

3、空芯光子晶体光纤谐振腔实验研究

根据前面章节的仿真分析，建立了基于微光学耦合结构的保偏空芯光子晶体光纤谐振腔方案，首次加工研制了一体化集成的空芯光子晶体光纤谐振腔；搭建实验测试系统对谐振腔性能进行了测试，作为对比，加工测试了其他两种类型的谐振腔，实验结果显示分光比越精确、耦合器附加损耗越小，谐振腔性能就越高。基于以上研究，优化了谐振腔数学模型，并对优化之后的模型进行了仿真分析。

4、谐振式保偏空芯光子晶体光纤陀螺实验研究

利用研制的保偏空芯光子晶体光纤谐振腔样品搭建了谐振式空芯光子晶体光纤陀螺系统，阐述了模拟转台实验原理，以此为基础对陀螺进行了静态和模拟转台实验测试，通过实验验证了该系统的陀螺效应。

5、平面波导型光子晶体环形谐振腔探索研究

利用平面波展开法计算了不同类型光子晶体的禁带结构，分析了晶格排列方式、晶格周期、空气孔半径和偏振模式等因素对光子晶体禁带结构的影响，综合考虑各方面因素，确定所选用的光子晶体类型；利用时域有限差分方法对光子晶体波导耦合器进行了设计仿真，首先对光子晶体内部的耦合器进行研究，仿真分析了耦合区域空气孔直径对耦合器的分光比的影响，其次对光子晶体波导的输入输出端的耦合进行了研究，提出了两种耦合结构并对其结构参数对耦合效率的影响进行了研究；对光子晶体环形谐振腔进行了设计仿真，仿真分析了谐振腔的大小、波导与谐振腔之间的耦合效率以及晶格周期对谐振腔性能的影响；利用电子束曝光和等离子体刻蚀结合的方法加工了光子晶体样片，搭建了实验测试平台对样片进行测试，实验结果与仿真结果取得了比较好的吻合，验证了该类型谐振腔的谐振效应。

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