趙　龍，徐劍蕓，李群生，張　彥，朱亞芬

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽　471009)

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集成光波導(dǎo)陀螺在空空導(dǎo)彈的應(yīng)用展望

趙龍，徐劍蕓，李群生，張彥，朱亞芬

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009)

摘 要:陀螺技術(shù)是現(xiàn)代空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研制的關(guān)鍵。本文簡(jiǎn)要介紹了集成光波導(dǎo)陀螺的原理,并對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。根據(jù)空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn),展望了集成光波導(dǎo)陀螺在未來空空導(dǎo)彈中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:空空導(dǎo)彈;慣性導(dǎo)航系統(tǒng);集成光波導(dǎo)陀螺;光波導(dǎo)諧振腔

0引言

空空導(dǎo)彈作為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主戰(zhàn)武器，其性能水平的高低成為空戰(zhàn)勝負(fù)的重要因素。現(xiàn)代空戰(zhàn)強(qiáng)調(diào)對(duì)目標(biāo)的精確打擊能力，保證在復(fù)雜作戰(zhàn)條件下對(duì)目標(biāo)的高毀傷概率。因此，高性能的精確制導(dǎo)技術(shù)對(duì)發(fā)展先進(jìn)空空導(dǎo)彈至關(guān)重要。

空空導(dǎo)彈精確制導(dǎo)依靠的關(guān)鍵技術(shù)之一是彈載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。從現(xiàn)代空空導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢(shì)來看，要求彈載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)尺寸小、成本低、功耗小[1-2]，這就對(duì)系統(tǒng)的核心器件——陀螺，提出了更高、更新的要求。

集成光波導(dǎo)陀螺(Integrated Optical Waveguide Gyroscope)是繼激光陀螺和光纖陀螺發(fā)展之后的“芯片上陀螺”。它利用硅基上的光波導(dǎo)和微環(huán)諧振腔代替光纖陀螺的長(zhǎng)光纖，使之在有限空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化以及器件功耗和體積的減小。集成光波導(dǎo)陀螺集微電子工藝和集成光波導(dǎo)加工工藝于一身，具有芯片級(jí)尺寸、低功耗、低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)?？v觀近十年集成光波導(dǎo)陀螺的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度提高正吸引著世界科學(xué)研究者的關(guān)注，其優(yōu)勢(shì)將滿足新一代空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。

1集成光波導(dǎo)陀螺原理

集成光波導(dǎo)陀螺是基于Sagnac效應(yīng)[3]測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率的新型慣性儀表。Sagnac效應(yīng)指一個(gè)任意幾何形狀的閉合光學(xué)環(huán)路相對(duì)慣性系沿某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在此光路中沿相反方向傳播的兩束光傳播所積累的頻率差(或相位差)與系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速率的關(guān)系。

集成光波導(dǎo)陀螺用一個(gè)或多個(gè)光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔(Waveguide Ring Resonator，WRR)作為Sagnac效應(yīng)的敏感部件。典型諧振型集成光波導(dǎo)陀螺單環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1典型集成光波導(dǎo)陀螺單環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，左邊的窄線寬激光光源發(fā)出的光波經(jīng)過50/50的光耦合器C1后，產(chǎn)生順時(shí)針CW和逆時(shí)針CCW兩束光波，分別經(jīng)過C2，C3共同匯入C4耦合器進(jìn)入WRR。光探測(cè)器(Photodetector，PD)可探測(cè)到相反兩束光的光功率變化，經(jīng)過處理電路和伺服回路(Servo)，將CCW光波諧振頻率反饋給激光器。角速率檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2典型諧振型集成光波導(dǎo)陀螺角速率測(cè)量原理

當(dāng)環(huán)形諧振腔繞著垂直于平面以角速率Ω順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，CW方向的光程增加，諧振頻率fCW降低; CCW方向的光程減少，諧振頻率fCCW增加。根據(jù)Sagnac角速率敏感關(guān)系可得：

式中： Δf為CCW和CW諧振頻率之差；n為光波導(dǎo)折射率；λ為工作波長(zhǎng)；D為環(huán)形諧振腔直徑大小。通過檢測(cè)頻率差值，可以推得當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角速率Ω大小。

對(duì)于干涉型集成光波導(dǎo)陀螺角速率測(cè)量原理，Sagnac相位差表達(dá)式如下：

式中：L=πD為光波導(dǎo)環(huán)周長(zhǎng)；c為真空中的光速。

集成光波導(dǎo)陀螺環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)由脊形光波導(dǎo)構(gòu)成，其橫截面如圖3所示。

圖3集成光波導(dǎo)陀螺諧振腔脊形光波導(dǎo)橫截面示意圖

在硅襯底上通過沉積以及光刻、刻蝕等工藝制造波導(dǎo)芯層Si，由于硅芯層與SiO2覆蓋層之間有著高折射率差(nSi=3.48，nSiO2=1.45)，此時(shí)Si/SiO2界面處的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)發(fā)生跳變，并滿足全反射條件。兩種介質(zhì)的折射率差越大，光波導(dǎo)的導(dǎo)光特性越好。由于波導(dǎo)尺寸微小，普遍在微納米量級(jí)，單片集成能力優(yōu)越，為集成光波導(dǎo)陀螺的研究奠定基礎(chǔ)。

2集成光波導(dǎo)陀螺國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年光子技術(shù)不斷進(jìn)步，革命性的突破使集成光子材料、器件乃至系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能，促使光學(xué)陀螺從激光陀螺、光纖陀螺到集成光波導(dǎo)陀螺的發(fā)展[4]，集成光波導(dǎo)陀螺的發(fā)展大致經(jīng)歷兩個(gè)階段： 部分光子集成階段和全光子集成階段。

2.1部分光子集成光波導(dǎo)陀螺

部分光子集成階段的陀螺采用多功能集成光學(xué)芯片代替多個(gè)分離元件(如環(huán)形諧振腔)，在一定程度上減小系統(tǒng)體積和成本。國(guó)內(nèi)外部分實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)開展利用微電子刻蝕工藝在硅基上制作單環(huán)結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)諧振腔，探索陀螺系統(tǒng)工程化應(yīng)用前景。

Miguel等人利用光纖耦合技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了一個(gè)46 cm×30 cm×60 cm長(zhǎng)寬高的微光學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)諧振腔集成光波導(dǎo)陀螺測(cè)試系統(tǒng)[5]，如圖4所示。SOI(Silicon-on-Insulator)上微環(huán)光波導(dǎo)諧振腔與光纖粘貼耦合微觀實(shí)物圖見圖5。

測(cè)試結(jié)果顯示，在頻帶寬0.54 Hz內(nèi)，其精度可調(diào)制在27～74.3(°)/s范圍。雖然這個(gè)精度值較低，但無疑給集成光波導(dǎo)陀螺工程上系統(tǒng)模型的研究帶來更多借鑒。北京航空航天大學(xué)馮麗爽等在實(shí)驗(yàn)室里構(gòu)建了如圖6所示的集成光波導(dǎo)陀螺系統(tǒng)模型[6]。窄線寬激光器的光信號(hào)通過Y波導(dǎo)后，經(jīng)過相位調(diào)制器(Phase Modulation)注入中間位置的掩埋型硅光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔WRR(品質(zhì)因數(shù)可達(dá)6.13×106)，分析得出陀螺精度可提升至0.22 (°)/s，并有良好的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定特性。

圖4　集成光波導(dǎo)陀螺加工測(cè)試

圖5環(huán)形諧振腔和光纖粘貼耦合微觀實(shí)物圖

圖6基于掩埋型硅光波導(dǎo)諧振腔的單環(huán)集成光波導(dǎo)陀螺系統(tǒng)

由于光波導(dǎo)陀螺諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中的損耗，無源光波導(dǎo)陀螺的精度提高受到極大的限制，利用光增益機(jī)制去補(bǔ)償波導(dǎo)損耗漸漸引起人們的關(guān)注。陳佳陽等主動(dòng)引入光增益機(jī)制(Er3+-Yb3+摻雜磷酸鹽玻璃)分析了一種三維垂直耦合波導(dǎo)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[7]，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)以新穎的方式構(gòu)造垂直耦合諧振環(huán)，從圖7(a)可看出，光波導(dǎo)可由一端直波導(dǎo)輸入并由另一直波導(dǎo)輸出，垂直耦合諧振環(huán)之間距離關(guān)系及半徑如圖7(b)所示。雖然增益機(jī)制的引入能有效改善波導(dǎo)損耗帶來的局限，但增益介質(zhì)不可避免帶來自發(fā)輻射噪聲，嚴(yán)重影響光信號(hào)輸出質(zhì)量好壞。在討論兩者制約關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析得出該垂直結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)平面耦合諧振環(huán)精度更高，這為有源集成光波導(dǎo)陀螺機(jī)理研制提供新思路，使無源陀螺到有源陀螺的發(fā)展邁進(jìn)了一大步。

圖7三維垂直耦合波導(dǎo)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

陀螺精度進(jìn)一步提高和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷完善，將有力推進(jìn)集成光波導(dǎo)陀螺在部分光子集成階段的工程應(yīng)用。但隨著目前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)陀螺小型化、高精度的需求，集成光波導(dǎo)陀螺將向著全光子集成階段發(fā)展。

2.2全光子集成光波導(dǎo)陀螺

全光子集成能夠?qū)崿F(xiàn)全部器件單片集成化，就是將不同的分離器件包括光源、波導(dǎo)環(huán)、探測(cè)器等集成在同一芯片上，大大減小器件體積、降低成本、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)?；５怯捎谑芟抻诳臻g尺寸的微小，如何在有限的空間內(nèi)延長(zhǎng)光路、增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)顯得尤為重要。僅僅為了代替光纖的作用而在硅片上制造幾百米長(zhǎng)的環(huán)形光波導(dǎo)是沒有意義的。全光子集成波導(dǎo)陀螺必須設(shè)計(jì)成特殊的結(jié)構(gòu)，在硅片上設(shè)計(jì)并制造出具有合理耦合諧振腔耦合形式，如多諧振環(huán)耦合，利用非線性效應(yīng)(如慢光效應(yīng))增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)。

燕路等人設(shè)計(jì)的全光子集成光波導(dǎo)陀螺結(jié)構(gòu)如圖8所示[8]。集成光源模塊、集成光探測(cè)器模塊、Y波導(dǎo)耦合器及環(huán)形諧振腔都集成在同一塊光芯片上，光源模塊發(fā)出光信號(hào)(光波長(zhǎng)1 550 nm)通過3 dB耦合器進(jìn)入耦合諧振環(huán)中，傳播后再經(jīng)過耦合器輸出，最后由探測(cè)器測(cè)得旋轉(zhuǎn)時(shí)的Sagnac相移。

圖8全光子集成光波導(dǎo)陀螺結(jié)構(gòu)示意圖

理論分析可知，當(dāng)小諧振環(huán)和大諧振環(huán)之間的耦合系數(shù)改變時(shí)，可有效調(diào)節(jié)陀螺系統(tǒng)的相靈敏度關(guān)系，相比單一諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，多諧振環(huán)耦合型陀螺精度可大幅提高。

無獨(dú)有偶的是，美國(guó)加州大學(xué)Sudharsanan等人利用多圈低損耗氮化硅波導(dǎo)在不足10 cm2的混合硅基上集成全光子波導(dǎo)陀螺[9]，結(jié)構(gòu)見圖9。

該結(jié)構(gòu)將長(zhǎng)達(dá)10 mm的50 μm Si3N4光波導(dǎo)、超輻射發(fā)光二極管(SLD)、光探測(cè)器及相位調(diào)制器等集成在硅基芯片上，討論分析得出在波導(dǎo)損耗分別為1 dB/m和0.1 dB/m的情況下，陀螺極限精度可達(dá)19 (°)/h和4.2 (°)/h，陀螺芯片級(jí)大小和精度提高大大推進(jìn)了光波導(dǎo)陀螺在全光子集成階段的研究進(jìn)展。

圖9多圈光波導(dǎo)全光子集成陀螺結(jié)構(gòu)示意圖

Sorrentino等人通過一系列耦合環(huán)形諧振腔在硅基芯片上設(shè)計(jì)了一種陀螺結(jié)構(gòu)[10]，其芯片尺寸僅為0.1～1 mm2，結(jié)構(gòu)如圖10所示。光信號(hào)通過3 dB耦合器分束后進(jìn)入五個(gè)連續(xù)耦合的諧振腔兩端，經(jīng)諧振腔后返回耦合器并輸出。該結(jié)構(gòu)以中間諧振腔對(duì)稱，周期性控制諧振腔之間耦合系數(shù)變化。通過調(diào)制耦合系數(shù)，得出陀螺內(nèi)結(jié)構(gòu)色散關(guān)系。推算可知，當(dāng)諧振腔品質(zhì)因數(shù)達(dá)到108以上時(shí)，該結(jié)構(gòu)的理論精度甚至可高達(dá)0.001 (°)/h，和目前使用的高精度激光陀螺同一水平。但由于芯片級(jí)尺寸很小，其單位面積精度遠(yuǎn)高于后者，對(duì)于目前普遍應(yīng)用在空空導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)的激光/光纖陀螺而言，全光子集成光波導(dǎo)陀螺具有更大應(yīng)用潛力。

圖10平面基板上連續(xù)耦合諧振腔結(jié)構(gòu)的集成光波導(dǎo)陀螺

3集成光波導(dǎo)陀螺在空空導(dǎo)彈的應(yīng)用展望

3.1空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)

根據(jù)空空導(dǎo)彈的使用條件和性能以及成本需求，其慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

(1) 體積小、重量輕、功耗低、成本低?？湛諏?dǎo)彈是載機(jī)的負(fù)荷，對(duì)其體積、質(zhì)量、功率等有嚴(yán)格要求，所用器件必須是大批量、低成本的產(chǎn)品。目前空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以激光陀螺或光纖陀螺為主，體積、重量和使用功率都較大，如美國(guó)AIM-120D導(dǎo)彈的LN-201重1 500 g，整機(jī)體積Φ89 mm×85 mm，功耗10 W； 俄羅斯R-77導(dǎo)彈的T700重達(dá)5 500 g，整機(jī)體積Φ180 mm×180 mm，功耗高達(dá)50 W。國(guó)外典型空空導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖11所示。

圖11國(guó)外典型空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

(2) 導(dǎo)航時(shí)間短。近距空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗飛行時(shí)間一般不超過20 s，即便是中距空空導(dǎo)彈，飛行時(shí)間一般也小于3 min，因此陀螺漂移對(duì)系統(tǒng)誤差的影響不是十分嚴(yán)重，陀螺精度允許范圍較寬。

(3) 反應(yīng)時(shí)間短，快速啟動(dòng)能力強(qiáng)。由于空中作戰(zhàn)時(shí)機(jī)的易失性，空空導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間需要盡量小，一般不超過10 s。

(4) 使用環(huán)境惡劣?？湛諏?dǎo)彈典型的使用環(huán)境溫度為-50～75 ℃，隨機(jī)振動(dòng)6g～13g，20～2 000 Hz，沖擊50g～100g，貯存15年。這就要求慣性導(dǎo)航系統(tǒng)抗振動(dòng)、抗沖擊能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

3.2集成光波導(dǎo)陀螺的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無論對(duì)于中遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈的超視距攻擊能力，還是近距格斗彈實(shí)現(xiàn)越肩發(fā)射能力，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)都起著關(guān)鍵性作用，同時(shí)自動(dòng)駕駛儀閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)也需要慣導(dǎo)系統(tǒng)提供彈體姿態(tài)角、速度及線加速度信號(hào)。集成光波導(dǎo)陀螺相比目前應(yīng)用在空空導(dǎo)彈慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的激光陀螺和光纖陀螺，更符合慣性導(dǎo)航器件的需求。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：

(1) 集成小型化、低成本和低功耗

由于空空導(dǎo)彈是一次性使用武器，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本擺在首位，目前應(yīng)用在空空導(dǎo)彈上的激光陀螺或光纖陀螺的成本高，體積、重量和功耗也普遍較大。全光子集成光波導(dǎo)陀螺采用光子集成化設(shè)計(jì)，光源、Y波導(dǎo)、光波導(dǎo)微環(huán)以及光探測(cè)器集成在同一塊硅基光芯片上，重量不超過100 g，整體芯片面積在毫米量級(jí)，系統(tǒng)體積大小與微機(jī)電(MEMS)陀螺類似。另外，集成光波導(dǎo)陀螺屬于全固態(tài)器件，抗震動(dòng)沖擊能力強(qiáng)，且工作功率小，快速啟動(dòng)能力強(qiáng)。

(2) 較高精度

目前集成光波導(dǎo)陀螺在實(shí)驗(yàn)室角速度精度仍處于中低階段，但隨著未來微電子工藝的提高，超低損耗光波導(dǎo)的出現(xiàn)或有源增益機(jī)制的引入，將大大增加環(huán)形光波導(dǎo)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，這無疑對(duì)不斷提高集成光波導(dǎo)陀螺精度起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，配合調(diào)制的光色散非線性效應(yīng)，增強(qiáng)Sagnac旋轉(zhuǎn)角速率靈敏度，使得芯片級(jí)尺寸的集成光波導(dǎo)陀螺比傳統(tǒng)空空導(dǎo)彈的激光或光纖陀螺的應(yīng)用前景更加廣闊。三者的參數(shù)特性對(duì)比如表1所示。

表1典型空空導(dǎo)彈激光/光纖陀螺與集成光波導(dǎo)陀螺參數(shù)特性

參數(shù)激光陀螺光纖陀螺集成光波導(dǎo)陀螺整機(jī)質(zhì)量/g>700>600<100整機(jī)體積/mm3>Φ180×180>Φ89×85<Φ10×10功率消耗/W>10>8<1帶寬/Hz>200>100>100零偏穩(wěn)定性/((°)/h)0.0001～10.001～100.1～10抗沖擊能力較好好好成本高高低

(3) 構(gòu)建小型低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)

空空導(dǎo)彈要求慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在高超音速和高機(jī)動(dòng)情況下仍然保持高精度，可利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星組合導(dǎo)航使慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)能周期性修正[11]，進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度。雖然MEMS陀螺/GPS組合也可以實(shí)現(xiàn)小型化低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)，但MEMS陀螺精度和重復(fù)性都較差，需要GPS接收機(jī)大部分時(shí)間工作，而集成光波導(dǎo)陀螺體積與MEMS陀螺相似，其精度和重復(fù)性都高于前者，對(duì)構(gòu)建小型低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)更有潛力。

4結(jié)論

集成光波導(dǎo)陀螺集先進(jìn)微電子工藝和集成光子學(xué)技術(shù)于一體，逐漸從部分光子集成向全光子集成階段發(fā)展，具有芯片級(jí)尺寸及低成本等優(yōu)勢(shì)。隨著環(huán)形光波導(dǎo)諧振腔品質(zhì)因數(shù)的進(jìn)一步提高，未來更高精度的集成光波導(dǎo)陀螺將從實(shí)驗(yàn)室探索階段走到工程應(yīng)用，有力推動(dòng)空空導(dǎo)彈彈載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向高性能、集成化、低成本方向發(fā)展，對(duì)未來空空導(dǎo)彈小型慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制具有重要意義。

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Application Prospect of Integrated Optical Waveguide Gyroscope in Air-to-Air Missile

Zhao Long, Xu Jianyun, Li Qunsheng, Zhang Yan, Zhu Yafen

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:Gyroscope technology is the key to the development of inertial navigation system for air-to-air missile. The theory and development of integrated optical waveguide gyroscope are introduced briefly. According to the characteristics of inertial navigation system in air-to-air missile, the application prospect of integrated optical waveguide gyroscope is presented.

Key words:air-to-air missile; inertial navigation system; integrated optical waveguide gyroscope; optical waveguide resonator

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.008

收稿日期：2015-04-30

作者簡(jiǎn)介：趙龍(1988-)，男，河南洛陽人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閼T性導(dǎo)航器件與工程應(yīng)用。

中圖分類號(hào):TJ765;TN25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-5048(2016)01-0045-05