Изделие: Волоконно-оптический гироскоп на основе интегрированного оптического чипа
Основные характеристики:
Заключение: Данная интегрированная конструкция открывает путь к созданию миниатюрных, недорогих волоконно-оптических гироскопов, отвечающих растущему спросу на компактные и надежные инерциальные навигационные решения.
Благодаря преимуществам полностью твердотельной конструкции, высокой производительности и гибкой конструкции, волоконно-оптический гироскоп стал основным инерциальным гироскопом, широко используемым во многих областях, таких как позиционирование и навигация, управление ориентацией и измерение наклона нефтяных скважин. В новых условиях новое поколение инерциальных навигационных систем развивается в направлении миниатюризации и снижения стоимости, что предъявляет все более высокие требования к комплексным характеристикам гироскопа, таким как объем, точность и стоимость. В последние годы, благодаря преимуществам малых размеров, быстро развиваются гироскопы с полусферическим резонатором и MEMS-гироскопы, что оказывает определенное влияние на рынок волоконно-оптических гироскопов. Основная проблема уменьшения объема традиционных оптических гироскопов заключается в уменьшении объема оптического тракта. В традиционной схеме оптический тракт волоконно-оптического гироскопа состоит из нескольких дискретных оптических устройств, каждое из которых реализовано на основе различных принципов и процессов и имеет независимую упаковку и пигтейл. В результате, объем устройства в рамках существующих технических решений близок к пределу уменьшения, и дальнейшее сокращение объема волоконно-оптического гироскопа затруднительно. Поэтому крайне необходимо разработать новые технические решения для эффективной интеграции различных функций оптического тракта, значительного уменьшения объема оптического тракта гироскопа, повышения технологической совместимости и снижения себестоимости производства устройства.
С развитием технологии полупроводниковых интегральных схем, интегральная оптическая технология постепенно достигла прорыва, размеры элементов постоянно уменьшались, достигнув микро- и наноуровня, что значительно способствовало техническому развитию интегральных оптических чипов и их применению в оптической связи, оптических вычислениях, оптическом зондировании и других областях. Интегральная оптическая технология предоставляет новое и перспективное техническое решение для миниатюризации и снижения стоимости оптических трактов волоконно-оптических гироскопов.
Традиционный оптический источник света (SLD или ASE), волоконно-оптический соединитель (называемый «соединителем»), фазовый модулятор Y-образного волновода (называемый «модулятором Y-образного волновода»), детектор, чувствительное кольцо (волоконное кольцо). Среди них чувствительное кольцо является основным элементом датчика угловой скорости, и его объем напрямую влияет на точность гироскопа.
Мы предлагаем гибридный интегральный чип, состоящий из источника света, многофункционального компонента и компонента обнаружения, реализованных посредством гибридной интеграции. Источник света представляет собой независимый компонент, состоящий из микросхемы SLD, компонента коллимации и изоляции, а также периферийных компонентов, таких как радиатор и полупроводниковый охладитель. Модуль обнаружения состоит из микросхемы обнаружения и микросхемы трансрезисторного усилителя. Многофункциональный модуль является основной частью гибридного интегрального чипа, реализованного на основе микросхемы из тонкой пленки ниобата лития (LNOI), и включает в себя, главным образом, оптический волновод, преобразователь модового пятна, поляризатор, разделитель лучей, аттенюатор мод, модулятор и другие структуры на кристалле. Луч, излучаемый микросхемой SLD, после изоляции и коллимации передается в волновод LNOI.
Поляризатор отклоняет входящий свет, а аттенюатор моды ослабляет нерабочую моду. После того, как светоделитель разделяет луч, а модулятор модулирует фазу, выходной чип поступает в чувствительное кольцо и датчик угловой скорости. Интенсивность света улавливается детекторным чипом, а генерируемый фотоэлектрический выходной сигнал проходит через транзисторный усилитель в схему демодуляции.
Гибридный интегрированный оптический чип обладает функциями люминесценции, разделения и объединения лучей, отклонения, модуляции, детектирования и т.д. Он реализует «многофункциональную» интеграцию нечувствительных функций оптического тракта гироскопа. Волоконно-оптические гироскопы зависят от чувствительности углового коэффициента когерентного луча с высокой степенью поляризации, и поляризационные характеристики напрямую влияют на точность гироскопов. Традиционный Y-волноводный модулятор сам по себе является интегрированным устройством, обладающим функциями отклонения, разделения и объединения лучей и модуляции. Благодаря методам модификации материалов, таким как протонный обмен или диффузия титана, Y-волноводные модуляторы обладают чрезвычайно высокой способностью отклонения. Однако тонкопленочные материалы должны учитывать требования к размеру, интеграции и способности отклонения, которые не могут быть удовлетворены методами модификации материалов. С другой стороны, модовое поле тонкопленочного оптического волновода значительно меньше, чем у волновода из объемного материала, что приводит к изменениям в распределении электростатического поля и параметрах показателя преломления, и требует перепроектирования структуры электродов. Поэтому поляризатор и модулятор являются ключевыми элементами конструкции «универсального» чипа.
Поляризационные характеристики получаются за счет структурного смещения, и разработан поляризатор на кристалле, состоящий из изогнутого и прямого волноводов.
Согласен. Изогнутый волновод позволяет ограничить разницу между режимом передачи и режимом без передачи, а также добиться эффекта смещения моды. Потери при передаче в режиме передачи уменьшаются за счет установки смещения.
Характеристики пропускания оптического волновода в основном зависят от потерь на рассеяние, утечки мод, потерь на излучение и потерь на несоответствие мод. Теоретически, потери на рассеяние и утечка мод в небольших изогнутых волноводах невелики и в основном ограничены поздними этапами процесса. Однако потери на излучение в изогнутых волноводах являются неотъемлемой характеристикой и по-разному влияют на разные моды. Характеристики пропускания изогнутого волновода в основном зависят от потерь на несоответствие мод, а на стыке прямого и изогнутого волноводов происходит перекрытие мод, что приводит к резкому увеличению рассеяния мод. При прохождении световой волны в поляризованный волновод из-за наличия кривизны эффективный показатель преломления моды световой волны различен в вертикальном и параллельном направлениях, а также различно ограничение моды, что приводит к различным эффектам затухания для TE- и TM-мод.
Следовательно, необходимо разработать параметры изгибаемого волновода для достижения требуемых характеристик отклонения. Среди них радиус изгиба является ключевым параметром. Потери передачи при различных радиусах изгиба и сравнение потерь между различными модами рассчитываются с помощью решателя собственных мод FDTD. Результаты расчетов показывают, что потери волновода уменьшаются с увеличением радиуса при малом радиусе изгиба. На этой основе рассчитывается зависимость поляризационных свойств (отношение TE-моды к TM-моде) от радиуса изгиба, и оказывается, что поляризационные свойства обратно пропорциональны радиусу изгиба. При определении радиуса изгиба внутрикристального поляризатора следует учитывать теоретические расчеты, результаты моделирования, технологические возможности и фактические потребности.
Метод конечных разностей во временной области (FDTD) используется для моделирования поля прошедшего света поляризатора на кристалле. TE-мода может проходить через волноводную структуру с низкими потерями, в то время как TM-мода может вызывать заметное затухание моды, что позволяет получить поляризованный свет с высоким коэффициентом подавления. Увеличение числа каскадно соединенных волноводов позволяет дополнительно улучшить коэффициент подавления поляризации, и в микромасштабе можно получить коэффициент подавления поляризации лучше, чем -35 дБ. В то же время, структура волновода на кристалле проста, что облегчает изготовление недорогого устройства.
Основной чип LNOI интегрированного оптического чипа представляет собой неразрезанный образец с нанесенной на него многослойной структурой, размер которого составляет 11 мм × 3 мм. Тестирование характеристик интегрированного оптического чипа в основном включает измерение спектрального отношения, коэффициента подавления поляризации и напряжения полуволны.
На основе интегрированного оптического чипа создан прототип гироскопа, и проведены испытания его характеристик. Статические характеристики гироскопа на основе интегрированного оптического чипа при нулевом смещении в условиях отсутствия вибрационной изоляции при комнатной температуре.
Гироскоп, встроенный в оптический чип, имеет длительный дрейф в пусковом сегменте, который в основном вызван пусковыми характеристиками источника света и большими потерями в оптической линии связи. В ходе 90-минутного теста стабильность нулевого смещения гироскопа составила 0,17°/ч (10 с). По сравнению с гироскопом на основе традиционных дискретных устройств, показатель стабильности нулевого смещения ухудшается на порядок, что указывает на необходимость дальнейшей оптимизации интегрированного оптического чипа. Основные направления оптимизации: улучшение коэффициента подавления поляризации чипа, повышение световой мощности светоизлучающего чипа, повышение эффективности концевой связи чипа и снижение общих потерь интегрированного чипа.
Мы предлагаем интегрированный оптический чип на основе LNOI, который позволяет реализовать интеграцию нечувствительных функций, таких как люминесценция, расщепление луча, объединение луча, отклонение, модуляция и детектирование. Стабильность нулевого смещения прототипа гиро на основе интегрированного оптического чипа составляет 0,17°/ч. По сравнению с традиционными дискретными устройствами, характеристики чипа все еще имеют определенный разрыв, который требует дальнейшей оптимизации и улучшения. Мы предварительно исследуем возможность полной интеграции функций оптического тракта, за исключением кольца, что позволяет максимизировать ценность применения интегрированного оптического чипа в гиро и удовлетворить потребности в миниатюризации и снижении стоимости волоконно-оптических гиро.
Xml политика конфиденциальности блог Карта сайта
Авторское право
@ Микро-Магия Инк Все права защищены.
ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ СЕТЬ
русский
