趙　龍，徐劍蕓，李群生，張　彥，朱亞芬

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009)

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集成光波導陀螺在空空導彈的應用展望

趙龍，徐劍蕓，李群生，張彥，朱亞芬

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

摘 要:陀螺技術是現(xiàn)代空空導彈慣性導航系統(tǒng)研制的關鍵。本文簡要介紹了集成光波導陀螺的原理,并對國內外發(fā)展現(xiàn)狀進行概述。根據(jù)空空導彈慣性導航系統(tǒng)的特點,展望了集成光波導陀螺在未來空空導彈中的應用前景。

關鍵詞:空空導彈;慣性導航系統(tǒng);集成光波導陀螺;光波導諧振腔

0引言

空空導彈作為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主戰(zhàn)武器，其性能水平的高低成為空戰(zhàn)勝負的重要因素?，F(xiàn)代空戰(zhàn)強調對目標的精確打擊能力，保證在復雜作戰(zhàn)條件下對目標的高毀傷概率。因此，高性能的精確制導技術對發(fā)展先進空空導彈至關重要。

空空導彈精確制導依靠的關鍵技術之一是彈載捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。從現(xiàn)代空空導彈的發(fā)展趨勢來看，要求彈載慣性導航系統(tǒng)尺寸小、成本低、功耗小[1-2]，這就對系統(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和微環(huán)諧振腔代替光纖陀螺的長光纖，使之在有限空間范圍內實現(xiàn)性能優(yōu)化以及器件功耗和體積的減小。集成光波導陀螺集微電子工藝和集成光波導加工工藝于一身，具有芯片級尺寸、低功耗、低成本、可大規(guī)模生產等特點。縱觀近十年集成光波導陀螺的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，它的結構設計及精度提高正吸引著世界科學研究者的關注，其優(yōu)勢將滿足新一代空空導彈慣性導航系統(tǒng)的技術特點。

1集成光波導陀螺原理

集成光波導陀螺是基于Sagnac效應[3]測量旋轉角速率的新型慣性儀表。Sagnac效應指一個任意幾何形狀的閉合光學環(huán)路相對慣性系沿某一方向轉動時，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)旋轉的角速率的關系。

集成光波導陀螺用一個或多個光波導環(huán)形諧振腔(Waveguide Ring Resonator，WRR)作為Sagnac效應的敏感部件。典型諧振型集成光波導陀螺單環(huán)結構如圖1所示。

圖1典型集成光波導陀螺單環(huán)結構示意圖

圖1中，左邊的窄線寬激光光源發(fā)出的光波經過50/50的光耦合器C1后，產生順時針CW和逆時針CCW兩束光波，分別經過C2，C3共同匯入C4耦合器進入WRR。光探測器(Photodetector，PD)可探測到相反兩束光的光功率變化，經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。角速率檢測原理如圖2所示。

圖2典型諧振型集成光波導陀螺角速率測量原理

當環(huán)形諧振腔繞著垂直于平面以角速率Ω順時針旋轉時，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角速率敏感關系可得：

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

對于干涉型集成光波導陀螺角速率測量原理，Sagnac相位差表達式如下：

式中：L=πD為光波導環(huán)周長；c為真空中的光速。

集成光波導陀螺環(huán)形諧振腔結構由脊形光波導構成，其橫截面如圖3所示。

圖3集成光波導陀螺諧振腔脊形光波導橫截面示意圖

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Si/SiO2界面處的場強會發(fā)生跳變，并滿足全反射條件。兩種介質的折射率差越大，光波導的導光特性越好。由于波導尺寸微小，普遍在微納米量級，單片集成能力優(yōu)越，為集成光波導陀螺的研究奠定基礎。

2集成光波導陀螺國內外研究現(xiàn)狀

近年光子技術不斷進步，革命性的突破使集成光子材料、器件乃至系統(tǒng)的應用成為可能，促使光學陀螺從激光陀螺、光纖陀螺到集成光波導陀螺的發(fā)展[4]，集成光波導陀螺的發(fā)展大致經歷兩個階段： 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陀螺

部分光子集成階段的陀螺采用多功能集成光學芯片代替多個分離元件(如環(huán)形諧振腔)，在一定程度上減小系統(tǒng)體積和成本。國內外部分實驗室內已經開展利用微電子刻蝕工藝在硅基上制作單環(huán)結構的光波導諧振腔，探索陀螺系統(tǒng)工程化應用前景。

Miguel等人利用光纖耦合技術，在實驗室內搭建了一個46 cm×30 cm×60 cm長寬高的微光學平臺，實現(xiàn)光波導諧振腔集成光波導陀螺測試系統(tǒng)[5]，如圖4所示。SOI(Silicon-on-Insulator)上微環(huán)光波導諧振腔與光纖粘貼耦合微觀實物圖見圖5。

測試結果顯示，在頻帶寬0.54 Hz內，其精度可調制在27～74.3(°)/s范圍。雖然這個精度值較低，但無疑給集成光波導陀螺工程上系統(tǒng)模型的研究帶來更多借鑒。北京航空航天大學馮麗爽等在實驗室里構建了如圖6所示的集成光波導陀螺系統(tǒng)模型[6]。窄線寬激光器的光信號通過Y波導后，經過相位調制器(Phase Modulation)注入中間位置的掩埋型硅光波導環(huán)形諧振腔WRR(品質因數(shù)可達6.13×106)，分析得出陀螺精度可提升至0.22 (°)/s，并有良好的長時穩(wěn)定特性。

圖4　集成光波導陀螺加工測試

圖5環(huán)形諧振腔和光纖粘貼耦合微觀實物圖

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

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

圖7三維垂直耦合波導諧振環(huán)結構示意圖

陀螺精度進一步提高和系統(tǒng)結構不斷完善，將有力推進集成光波導陀螺在部分光子集成階段的工程應用。但隨著目前慣性導航系統(tǒng)對陀螺小型化、高精度的需求，集成光波導陀螺將向著全光子集成階段發(fā)展。

2.2全光子集成光波導陀螺

全光子集成能夠實現(xiàn)全部器件單片集成化，就是將不同的分離器件包括光源、波導環(huán)、探測器等集成在同一芯片上，大大減小器件體積、降低成本、實現(xiàn)生產規(guī)?；?。但是由于受限于空間尺寸的微小，如何在有限的空間內延長光路、增強Sagnac效應顯得尤為重要。僅僅為了代替光纖的作用而在硅片上制造幾百米長的環(huán)形光波導是沒有意義的。全光子集成波導陀螺必須設計成特殊的結構，在硅片上設計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(如慢光效應)增強Sagnac效應。

燕路等人設計的全光子集成光波導陀螺結構如圖8所示[8]。集成光源模塊、集成光探測器模塊、Y波導耦合器及環(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(光波長1 550 nm)通過3 dB耦合器進入耦合諧振環(huán)中，傳播后再經過耦合器輸出，最后由探測器測得旋轉時的Sagnac相移。

圖8全光子集成光波導陀螺結構示意圖

理論分析可知，當小諧振環(huán)和大諧振環(huán)之間的耦合系數(shù)改變時，可有效調節(jié)陀螺系統(tǒng)的相靈敏度關系，相比單一諧振環(huán)結構，多諧振環(huán)耦合型陀螺精度可大幅提高。

無獨有偶的是，美國加州大學Sudharsanan等人利用多圈低損耗氮化硅波導在不足10 cm2的混合硅基上集成全光子波導陀螺[9]，結構見圖9。

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

圖9多圈光波導全光子集成陀螺結構示意圖

Sorrentino等人通過一系列耦合環(huán)形諧振腔在硅基芯片上設計了一種陀螺結構[10]，其芯片尺寸僅為0.1～1 mm2，結構如圖10所示。光信號通過3 dB耦合器分束后進入五個連續(xù)耦合的諧振腔兩端，經諧振腔后返回耦合器并輸出。該結構以中間諧振腔對稱，周期性控制諧振腔之間耦合系數(shù)變化。通過調制耦合系數(shù)，得出陀螺內結構色散關系。推算可知，當諧振腔品質因數(shù)達到108以上時，該結構的理論精度甚至可高達0.001 (°)/h，和目前使用的高精度激光陀螺同一水平。但由于芯片級尺寸很小，其單位面積精度遠高于后者，對于目前普遍應用在空空導彈導航系統(tǒng)的激光/光纖陀螺而言，全光子集成光波導陀螺具有更大應用潛力。

圖10平面基板上連續(xù)耦合諧振腔結構的集成光波導陀螺

3集成光波導陀螺在空空導彈的應用展望

3.1空空導彈慣性導航系統(tǒng)特點

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

(1) 體積小、重量輕、功耗低、成本低。空空導彈是載機的負荷，對其體積、質量、功率等有嚴格要求，所用器件必須是大批量、低成本的產品。目前空空導彈慣性導航系統(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AIM-120D導彈的LN-201重1 500 g，整機體積Φ89 mm×85 mm，功耗10 W； 俄羅斯R-77導彈的T700重達5 500 g，整機體積Φ180 mm×180 mm，功耗高達50 W。國外典型空空導彈的慣性導航系統(tǒng)如圖11所示。

圖11國外典型空空導彈慣性導航系統(tǒng)

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

(3) 反應時間短，快速啟動能力強。由于空中作戰(zhàn)時機的易失性，空空導彈導航系統(tǒng)的反應時間和啟動時間需要盡量小，一般不超過10 s。

(4) 使用環(huán)境惡劣?？湛諏椀湫偷氖褂铆h(huán)境溫度為-50～75 ℃，隨機振動6g～13g，20～2 000 Hz，沖擊50g～100g，貯存15年。這就要求慣性導航系統(tǒng)抗振動、抗沖擊能力強，長期穩(wěn)定性好。

3.2集成光波導陀螺的應用優(yōu)勢

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

(1) 集成小型化、低成本和低功耗

由于空空導彈是一次性使用武器，慣性導航系統(tǒng)的成本擺在首位，目前應用在空空導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。全光子集成光波導陀螺采用光子集成化設計，光源、Y波導、光波導微環(huán)以及光探測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，系統(tǒng)體積大小與微機電(MEMS)陀螺類似。另外，集成光波導陀螺屬于全固態(tài)器件，抗震動沖擊能力強，且工作功率小，快速啟動能力強。

(2) 較高精度

目前集成光波導陀螺在實驗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，超低損耗光波導的出現(xiàn)或有源增益機制的引入，將大大增加環(huán)形光波導諧振腔的品質因數(shù)，這無疑對不斷提高集成光波導陀螺精度起著關鍵作用。同時，配合調制的光色散非線性效應，增強Sagnac旋轉角速率靈敏度，使得芯片級尺寸的集成光波導陀螺比傳統(tǒng)空空導彈的激光或光纖陀螺的應用前景更加廣闊。三者的參數(shù)特性對比如表1所示。

表1典型空空導彈激光/光纖陀螺與集成光波導陀螺參數(shù)特性

參數(shù)激光陀螺光纖陀螺集成光波導陀螺整機質量/g>700>600<100整機體積/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) 構建小型低成本組合導航系統(tǒng)

空空導彈要求慣性導航系統(tǒng)在高超音速和高機動情況下仍然保持高精度，可利用慣性導航系統(tǒng)與衛(wèi)星組合導航使慣導系統(tǒng)參數(shù)能周期性修正[11]，進一步提高導航精度。雖然MEMS陀螺/GPS組合也可以實現(xiàn)小型化低成本組合導航系統(tǒng)，但MEMS陀螺精度和重復性都較差，需要GPS接收機大部分時間工作，而集成光波導陀螺體積與MEMS陀螺相似，其精度和重復性都高于前者，對構建小型低成本組合導航系統(tǒng)更有潛力。

4結論

集成光波導陀螺集先進微電子工藝和集成光子學技術于一體，逐漸從部分光子集成向全光子集成階段發(fā)展，具有芯片級尺寸及低成本等優(yōu)勢。隨著環(huán)形光波導諧振腔品質因數(shù)的進一步提高，未來更高精度的集成光波導陀螺將從實驗室探索階段走到工程應用，有力推動空空導彈彈載捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)向高性能、集成化、低成本方向發(fā)展，對未來空空導彈小型慣導系統(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

作者簡介：趙龍(1988-)，男，河南洛陽人，碩士，助理工程師，研究方向為慣性導航器件與工程應用。

中圖分類號:TJ765;TN25

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0045-05