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0引言
在惯性制导导弹、飞机导航、汽车GPS系统辅助导航、汽车自动驾驶以及一些工业应用中，需要使用小型、高可靠性、廉价的惯性测量组件。光学陀螺（光纤陀螺，激光陀螺）是一种利用Sagnac效应敏感旋转角或旋转角速率的全固态惯性仪表，是在当代光通信和光电子集成等高新技术基础上发展起来的，受到了世界各国特别是军方的普遍关注，发展非常迅速，目前激光陀螺和光纤陀螺已经实现工程化和产品化。为了满足空间应用等领域对体积、质量、功耗等更加严格的要求，对新型的集成化光学陀螺的研究已成为必然趋势。
集成化光学陀螺在本质上与光纤陀螺和激光陀螺相同，都是利用Sagnac效应来检测运动载体的转动角速度，它将光纤传感技术、集成光学技术、微机电系统（MEMS）技术、微光机电系统（MOEMS）技术有机地结合在一起。目前，研制新型的集成化光学陀螺有3个方案：第1种是仍采用光纤环作为敏感单元，但将光源、探测器、耦合器等元器件集成为一个模块，借此来减小体积和降低成本，也就是光纤陀螺的进一步小型化；第2种富有挑战性的方案是采用集成在芯片上的环形波导来取代光纤陀螺的光纤环和由分立元件组成的环型激光谐振腔，环形波导成为陀螺的敏感单元，这可以称之为芯片上的陀螺，它有两种类型，一种是无源谐振式集成光学陀螺，另一种是有源半导体集成光学陀螺；第3种是目前还处于探索阶段的MOEMS陀螺。由于元器件部分或者全部可以集成，因而具有体积小、重量轻的特点。集成化光学陀螺仪大大减少了活动部件，它可以承受更大的冲击力，能够抗更大的振动，具有高可靠性。同时，由于采用已经成熟的半导体平面工艺来制作其芯片，可以降低生产成本，利于批量生产，无论对于军用还是民用，都具有很大的应用价值。
1国内外研究现状分析及采用的技术方案
1.1光源、探测器模块化光纤陀螺
进一步减小光纤陀螺的体积，降低制造成本一直是光纤陀螺制造商所追求的目标之一，将光源与探测器、集成光学调制器集成在一个模块内可以实现光纤陀螺的小型化和低成本。日本的Tokimec公司报道了他们研制的一体化模块样机。如图1所示[1]，通过一个块状的分束器取代了传统干涉式光纤陀螺的3 dB耦合器，分束器的大小为3 mm见方；通过粘结在分束器两个侧面的半球透镜可以实现光从超发光二极管（SLD）到光波导的耦合；探测器直接接收从分束器反射的光，可以进行信号检测和光源功率监视。光源、分束器、探测器集成在一起，并和集成光学芯片相连接，就把除光纤线圈外的所有元器件集成在一个模块中，大大减小了光纤陀螺的体积，降低了封装成本。
集成光学回路的出端连接的是保偏光纤，可以用传统的方法，采用保偏光纤环构成一个保偏的光纤陀螺，也可以再通过一个消偏器与单模光纤环连接，构成一个消偏的光纤陀螺，进一步降低成本。Tokimec公司就是采用消偏单模光纤方案，实现了4°/h(1σ)的偏置稳定性。需要指出的是，这种方案的一个缺点是模块的光耦合率不高，其损耗在30 dB左右的水平，这对于光源的功率提出了更高的要求。
目前，在这种方案的基础上，利用混合集成技术，将光源、3 dB耦合器和探测器都集成在半导体芯片上是一种比较可行的方案。图2是用光波导分束器把SLD芯片、光强监控器、信号探测器和用于固定尾纤的V形槽等元件集成在同一块硅基片上。
光强监控器用于控制SLD的注入电流。这种方案可以降低损耗，提高光耦合效率，还可以进一步减小体积，提高可靠性。清华大学对光路混合集成结构的光纤陀螺进行过前期的理论分析和研究。
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1.2集成光学陀螺
1.2.1无源谐振式集成光学陀螺
a）发展概况。
国外从20世纪80年代就已经开始了集成光学环形波导的研究，并预言其在陀螺上的应用。早在1983年，美国Northrop公司的A.Lawrence提出微光陀螺的概念，并于1988年获得微光陀螺的专利。
在Northrop之后，一些研究机构陆续提出基于环形波导的无源谐振式集成光学陀螺的实现方案。这些研究机构包括：Honneywell与Minnesota大学,Rice System与Lucent,Intellisense，美国Sandia国家实验室,以及日本的NTT公司和东京大学。他们已经研制出微型集成光学陀螺样机，验证了系统方案，并逐渐形成产品。
目前，见诸报道的最接近工程化和产品化的微型集成光学陀螺方案是IntelliSense公司的小型低成本的抗振动集成光学陀螺(Vibration Immune Gyro basedupon Optical Resonator Technology,VIGOR)样机[2]。该公司所采用的环形波导结构以及样机图片分别如图3和图4所示。
器件的光源和探测器采用粘接的方法与环形波导芯片进行连接，它采用开环结构，根据顺反时针方向两个输出信号的相位差来检测旋转速度。样机在1～200（°）/s范围内测试了速率输出，其1 h内的零偏漂移小于2（o）/s，经过补偿的Allan方差数据表明其1 h内的零偏漂移可以到0.5（o）/s以下。Intellisense公司正计划改进其性能使其能达到角随机游走在0.1（o）/h以下、零偏稳定性小于1（o）/h的水平，降低其批量生产的成本到300美元/套，并在某些应用上以低成本取代光纤陀螺。
除Intellisense之外，Rice System与Lucent合作，在美国国防预研计划局（DARPA）的资助下，成功研制了集成光学转动传感器（Integrated Optics Rotation Sensor，IORS）样机，并计划形成产品。样机如图5所示。
清华大学在1996年开始研制集成光学陀螺，并承担了“九五”国防重点项目“光波导陀螺”的研究工作，当时预期研制目标为分辨率0.1~1（o）/h，零偏稳定性为10（o）/h。他们研制了用于集成光学陀螺的声光移频器，建立了谐振型集成光学角速度传感器（R-IORS）的实验装置，研制了玻璃基离子交换波导谐振器。但根据2000年的报道来看，其研制的光波导谐振腔的性能还不是很好，不能满足无源谐振式集成光学陀螺的需要。
b）无源谐振式集成光学陀螺的关键技术。
谐振式集成光学陀螺的主要组成部件有：环形波导谐振器、定向耦合器（和环形波导集成在一起）、窄线宽半导体激光器、移频器（相位调制器）、探测器、信号处理电路等。其中，环形波导谐振器是集成光学陀螺的核心部件，是角速率测量的敏感单元；窄线宽半导体激光器为整个陀螺提供谐振式陀螺所必需的高相干光源；移频器将转动速率转换为频率差，实现陀螺的闭环输出。这三者成为无源谐振式集成光学陀螺的关键技术。
1.2.2有源半导体集成光学陀螺
有源半导体集成光学陀螺用集成在半导体芯片上的半导体环形激光器取代传统的环形He-Ne激光器，是激光陀螺向微型化方向发展的方向。随着集成光学工艺的进步，人们开始研究集成的半导体环形激光器，并探索其作为陀螺的潜在应用价值。
用于半导体集成光学陀螺的材料基本上是InP和GaAlAs材料，这更便于探测器在衬底上的集成。一个用于集成半导体光学陀螺的环形半导体激光器如图6所示，在GaAs衬底上由GaAlAs形成一个环形脊型波导，并形成环形激光器的有源区，有源区采用双量子阱结构以保证有较高的增益和较小的阈值，环形激光器两个方向传播的激光通过定向耦合器由输出波导输出。理论分析表明，这种结构的有源环形光学陀螺具有较高的精度，可以满足空间及机器人等方面的应用。
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在研究过程中注意到，对于如图6所示的环形激光器结构，由于环形激光器输出波导端面存在反射，因而由环形波导和输出波导共同形成的激光振荡会淹没由环形波导本身形成的振荡。即便是输出波导端面镀上抗反射膜，由端面引起的扰动也会影响环形腔内反向传播的激光模式的拍频检测。因此，改为采用弯曲的输出波导，输出波导的两臂通过一个Y分支合为一个波导，并接入集成的光敏二极管。这样的结构，避免了由输出耦合波导端面反射带来的诸多问题，同时也使整个有源半导体光学陀螺更紧凑。图7给出环形激光器的输出特性，图内示出集成在仪器的环形激光器，弯曲波导输出耦合器，用来合波的Y分支和集成的光敏二极管。目前正开展用上述环形激光器来检测Sagnac拍频信号的实验研究。
关于有源集成光学陀螺的更系统的方案是由M.N.Armenise等人提出的，并已经取得欧洲专利。他们提出的有源集成光学陀螺方案如图8所示。
整个器件在一个长15 mm，宽3 mm的GaAs衬底上集成了多量子阱环形激光器、环形定向耦合器、电光相位调制器、Y分支合波器和一个光敏二极管。环形波导半径为1.5 mm，波导宽为0.3μm。环形激光器产生TE偏振两个相向传播的激光模式振荡，这两束激光经由定向耦合器耦合到输出波导的两臂中，并分别经过相位调制器产生相移，通过Y分支合为一束，并由光敏二极管进行探测。由于环形激光器采用多量子阱结构，因而它具有偏振依赖的增益系数，TE模的增益系数比TM模的增益系数大得多，从而在环形激光器中仅产生TE模式的振荡。这样可以消除陀螺中的双折射效应和两个模式之间的耦合以及偏振噪声。电光相位调制器主要起两个作用：一个是用来校准零转速时的输出，即在转速为零时，产生一个相移来补偿可能由制作误差和缺陷带来的光程差；另一个作用就是在两个光束之间产生一个π/2相位差，以便通过对光敏二极管信号电流的快速傅立叶变换来确定角速率的方向。
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干涉式MOEMS陀螺（MIG）是光纤陀螺用MEMS技术的实现，采用MEMS微镜构成螺旋式光路。MOEMS陀螺还是一种新生事物，仍处在实验室研究阶段。
2微型集成化光学陀螺的应用和发展方向
微型集成化光学陀螺采用光纤传感技术、集成光学技术、MEMS技术和MOEMS技术，并将各个光学元件集成到一个芯片上，因而可以减小体积和重量，也减小器件的热效应。由于各个光学元件之间连接没有活动部件，因而大大增强了器件的稳健性和可靠性，可以承受更大的冲击，这一点是其它陀螺所无法实现的。此外，它可以利用成熟的半导体平面工艺来制作，有利于降低成本和实现批量生产。因而集成化光学陀螺具有广泛的应用空间。
从目前集成化光学陀螺研制的情况看，其达到中等精度在理论上、技术上都是可行的，但是其性能还有待继续提高才能与MEMS陀螺和光纤陀螺形成竞争。一旦集成化光学陀螺工程化技术方面实现突破，它必将在中低精度领域以其优越的品质占有相当大的市场。
特别需要指出的是，集成化光学陀螺的抗振动、抗冲击性能，可以使它应用在一些特殊的领域。因为MEMS陀螺是通过测量振动的机械结构的转动偏向力来测量角速度的，一般说来体积的减小必然伴随质量的减小，同时带来陀螺性能的劣化。而集成光学陀螺或MOEMS陀螺可以同时满足上述要求，因而可以用在具有多引信的穿地核武器中。此外，它还可以用于综合孔径雷达（SAR）的运动补偿、空基和陆基导弹，卫星控制以及人员跟踪等方面。
从上面的分析可以看出，微型集成化光学陀螺的发展方向有两个：一个是低精度、低成本陀螺，可以用于民用市场；另一个方向是发展高可靠性的、中等精度的陀螺，满足特殊需要的军用市场。前者可以充分利用批量生产的优势，以低成本占领民用市场，而后者则可以发挥它的无活动部件、抗振动冲击的特性。此外，从技术角度来说，采用硅基衬底的平面光波回路并在其上集成III-V族化合物构成如激光器、探测器有源器件混合集成方案和MOEMS是微型集成化光学陀螺最有前途的发展方向。
参考文献
[1]Laznicka O，et al.A fiber-optic rotation sensor for NASA space missions[J].
AAS Guidance and Control,1993:363-372
[2]Monovoukas C,Swiecki A K,Maseeh F.Integrated optical gyroscopes
offering low cost,small size and vibration immunity[R].Intellisense Corp.Report,2000.
