集成光学陀螺是以集成光学理论为基础,运用微纳加工技术实现光学陀螺中多种光学器件的片上集成化,它兼具光学陀螺高精度、大动态和集成光学技术集成化、芯片化的优点,是光学陀螺微型化发展的重要方向,在惯性技术领域有着极为广泛的应用前景。集成光学陀螺的发展得益于集成光学技术的进步,它是集成光学技术在光学惯性传感领域的典型应用。当前用于研制集成光学陀螺的波导材料主要包括硅、二氧化硅、铌酸锂、半导体等无机光波导材料以及有机聚合物材料。相比于无机光波导材料,有机聚合物材料具有非线性效应强、材料性能可分子尺度调控及制备工艺灵活等突出优点,针对聚合物光波导材料和器件的研究近年来一直是国际上集成光学领域的研究热点,尤其是在新型的表面等离激元波导出现之后,聚合物波导材料制备工艺灵活和非线性效应强的优势得到了充分的发挥,也将集成光学由微米尺度集成推向了纳米尺度集成化。因此,开展聚合物集成光学陀螺的研究,对未来实现单片全集成化、低成本、低功耗、高性能的集成光学陀螺具有重要的探索意义和极高的实用价值。本论文的研究目的在于探索厘米级高Q值聚合物光波导环形谐振腔的设计方法和制备工艺及其在谐振式集成光学陀螺中的应用,发挥聚合物光波导材料工艺灵活、电光效应强的特点,实现集成化的陀螺谐振腔芯片,并验证聚合物光波导环形谐振腔的陀螺效应,为未来实现低成本、高性能的集成光学陀螺提供理论指导和技术支撑。同时,探索新型表面等离激元波导器件在集成光学陀螺中的潜在应用。本论文首先从集成光学陀螺的研究背景、国内外集成光学陀螺的发展历程及其采用的波导材料和工艺技术等几个方面概述了该技术领域的发展情况,随后围绕谐振式聚合物集成光学陀螺开展了相关器件的设计、制备和性能测试等研究工作。主要研究内容如下:(1)首先研究了光学陀螺的基本原理,以真空中和介质中Sagnac效应的理论推导为基础,得出了谐振式光学陀螺谐振频率差的表达式。随后针对谐振式光学陀螺的核心传感单元——光波导环形谐振腔,推导了直通式和反射式两种光波导环形谐振腔的电场强度传递函数和典型特征参量的表达式,对比分析了两种谐振腔在不同耦合状态下的传输特性。最后,针对谐振式集成光学陀螺的系统设计,建立了陀螺极限灵敏与谐振腔特征参量之间的关系,并分析了谐振式光学陀螺的基本工作原理,以调相谱信号检测方案为基础,建立了解调信号的数学模型,为后续光波导环形谐振腔的研制及陀螺效应的验证提供了理论指导。(2)针对谐振式集成光学陀螺的需求研制了厘米量级尺寸的低损耗聚合物光波导环形谐振腔。首先设计制备了单模传输的聚合物光波导,其传输损耗低至0.118 d B/cm。以此为基础,对光波导环形谐振腔中的弯曲波导和定向耦合器进行了优化设计,并制备出了高质量的聚合物光波导环形谐振腔,在输入TM偏振光时,谐振腔的Q值达到了6×105,为进一步开展集成光学陀螺的研究提供了高质量的核心传感单元。随后基于该谐振腔构建了开环谐振式集成光学陀螺系统,测试得到了谐振腔双向谐振谱线,理论分析了陀螺的开环输出特性,为陀螺的转动测试奠定了基础。(3)针对闭环谐振式集成光学陀螺的需求,利用聚合物电光材料研制了聚合物Y分支电光调制器。首先分别利用掺杂和键合的方式,获得了DR1/FPI主客掺杂型和PUI侧链键合型聚合物电光材料,并测量了其折射率和电光系数,结果表明PUI电光材料的电光系数为56.31 pm/V,DR1/FPI电光材料的电光系数根据掺杂浓度可在16.8 pm/V至49.75 pm/V间调谐。随后设计了倒脊型的Y分支光波导,对其波导横截面结构尺寸和Y分支的分支角进行了优化设计,并研制出了Y分支电光调制器,测试结果表明,PUI聚合物Y分支电光调制器的半波电压仅为1.875 V,10%DR1/FPI聚合物Y分支电光调制器的半波电压为3.89 V,研制出的低半波电压的聚合物电光调制器为构建闭环集成光学陀螺提供了核心器件。(4)基于聚合物光波导环形谐振腔及聚合物Y分支电光调制器的研究工作,研制出了谐振式聚合物集成光学陀螺谐振腔芯片,并实现了陀螺效应的验证。利用聚合物光波导的工艺实现了聚合物光波导分束器、电光相位调制器和光波导环形谐振腔的同片集成,测试结果表明,在TM偏振状态下,谐振腔的Q值高达9.49×105。随后设计了PI反馈电路,搭建了闭环谐振式聚合物集成光学陀螺系统,通过转动测试,验证了聚合物光波导环形谐振腔的陀螺效应,对未来研制高精度聚合物集成光学陀螺奠定了技术基础。(5)探索研究了表面等离激元波导在集成光学陀螺中的潜在应用。首先研究了表面等离激元的基本原理,随后对聚合物长程表面等离激元波导横截面的结构尺寸进行了优化设计,并制备出了高质量的聚合物长程表面等离激元波导,其传输损耗在1550 nm处低至1.92 d B/cm。以此为基础,构建了光纤/表面等离激元混合谐振腔,该谐振腔具有优良的单偏振谐振特性,仅TM偏振分量能够在该谐振腔中产生谐振,对集成光学陀螺而言,有望解决其偏振噪声问题。最后基于聚合物长程表面等离激元波导,研制了一种柔性聚合物表面等离激元可调光衰减器,为未来实现无偏振噪声的可调谐陀螺谐振腔提供了新的研究思路和技术途径,对拓展表面等离激元的应用领域以及推动光学惯性传感技术的进步具有重要的意义。