Pesquisa sobre chip óptico integrado híbrido de giroscópio de fibra óptica
Jan 14, 2025
Pontos-chaveProduto: Giroscópio de fibra óptica baseado em chip óptico integradoPrincipais recursos:Componentes: Usa um chip óptico integrado que combina funções como luminescência, divisão de feixe, modulação e detecção em uma plataforma de filme fino de niobato de lítio (LNOI).Função: Alcança a integração “multi-em-um” de funções de caminho óptico não sensíveis, reduzindo o tamanho e os custos de produção, ao mesmo tempo que melhora a polarização e a modulação de fase para um desempenho preciso do giroscópio.Aplicações: Adequado para posicionamento, navegação, controle de atitude e medição de inclinação de poços de petróleo.Otimização: Melhorias adicionais na taxa de extinção de polarização, potência de emissão e eficiência de acoplamento podem aumentar a estabilidade e a precisão.Conclusão: Este design integrado abre caminho para giroscópios de fibra óptica miniaturizados e de baixo custo, atendendo à crescente demanda por soluções de navegação inercial compactas e confiáveis.Com as vantagens de estado totalmente sólido, alto desempenho e design flexível, o giroscópio de fibra óptica tornou-se o giroscópio inercial convencional, que é amplamente utilizado em muitos campos, como posicionamento e navegação, controle de atitude e medição de inclinação de poços de petróleo. Sob a nova situação, a nova geração de sistemas de navegação inercial está se desenvolvendo em direção à miniaturização e ao baixo custo, o que apresenta requisitos cada vez mais elevados para o desempenho abrangente do giroscópio, como volume, precisão e custo. Nos últimos anos, o giroscópio ressonador hemisférico e o giroscópio MEMS desenvolveram-se rapidamente com a vantagem do tamanho pequeno, o que tem um certo impacto no mercado de giroscópios de fibra óptica. O principal desafio da redução do volume do giroscópio óptico tradicional é a redução do volume do caminho óptico. No esquema tradicional, a rota óptica do giroscópio de fibra óptica é composta por vários dispositivos ópticos discretos, cada um dos quais é realizado com base em diferentes princípios e processos e possui embalagem e pigtail independentes. Como resultado, o volume do dispositivo da técnica anterior está próximo do limite de redução e é difícil suportar a redução adicional do volume do giroscópio de fibra óptica. Portanto, é urgente explorar novas soluções técnicas para realizar a integração eficaz de diferentes funções do caminho óptico, reduzir significativamente o volume do caminho giroscópio óptico, melhorar a compatibilidade do processo e reduzir o custo de produção do dispositivo.Com o desenvolvimento da tecnologia de circuito integrado de semicondutores, a tecnologia óptica integrada alcançou gradualmente avanços, e o tamanho do recurso foi continuamente reduzido, e entrou no nível micro e nano, o que promoveu muito o desenvolvimento técnico de chips ópticos integrados, e tem tem sido aplicado em comunicação óptica, computação óptica, detecção óptica e outros campos. A tecnologia óptica integrada fornece uma solução técnica nova e promissora para a miniaturização e baixo custo do caminho giroscópio de fibra óptica.1 Projeto de esquema de chip óptico integrado1.1 Projeto GeralA fonte de luz de roteamento óptico tradicional (SLD ou ASE), acoplador cônico de fibra (referido como “acoplador”), modulador de fase de guia de onda de ramificação Y (referido como “modulador de guia de onda Y”), detector, anel sensível (anel de fibra). Entre eles, o anel sensível é a unidade central da taxa angular sensível, e seu tamanho de volume afeta diretamente a precisão do giroscópio.Propomos um chip integrado híbrido, que consiste em um componente de fonte de luz, um componente multifuncional e um componente de detecção através de integração híbrida. Dentre eles, a parte da fonte de luz é um componente independente, composto por chip SLD, componente de colimação de isolamento e componentes periféricos como dissipador de calor e resfriador de semicondutores. O módulo de detecção consiste em um chip de detecção e um chip amplificador de transresistência. O módulo multifuncional é o corpo principal do chip integrado híbrido, que é realizado com base no chip de filme fino de niobato de lítio (LNOI) e inclui principalmente guia de ondas óptico, conversão de modo local, polarizador, divisor de feixe, atenuador de modo, modulador e outros on- estruturas de chips. O feixe emitido pelo chip SLD é transmitido para o guia de ondas LNOI após isolamento e colimação.O polarizador desvia a luz de entrada e o atenuador de modo atenua o modo não funcional. Depois que o divisor de feixe divide o feixe e o modulador modula a fase, o chip de saída entra no anel sensível e na taxa angular sensível. A intensidade da luz é capturada pelo chip detector e a saída fotoelétrica gerada flui através do chip amplificador de transresistência para o circuito de desmodulação.O chip óptico integrado híbrido tem as funções de luminescência, divisão de feixe, combinação de feixe, deflexão, modulação, detecção, etc. Ele realiza a integração “multi-em-um” de funções não sensíveis do caminho óptico giroscópio. Os giroscópios de fibra óptica dependem da taxa angular sensível do feixe coerente com alto grau de polarização, e o desempenho da polarização afeta diretamente a precisão dos giroscópios. O próprio modulador de guia de onda Y tradicional é um dispositivo integrado, que tem as funções de deflexão, divisão de feixe, combinação de feixe e modulação. Graças aos métodos de modificação de materiais, como troca de prótons ou difusão de titânio, os moduladores de guia de ondas Y têm capacidade de deflexão extremamente alta. No entanto, os materiais de película fina precisam levar em consideração os requisitos de tamanho, integração e capacidade de deflexão, que não podem ser atendidos por métodos de modificação de material. Por outro lado, o campo de modo do guia de ondas óptico de filme fino é muito menor do que o do guia de ondas óptico de material a granel, resultando em mudanças na distribuição do campo eletrostático e nos parâmetros do índice eletrorrefrativo, e a estrutura do eletrodo precisa ser redesenhada. Portanto, o polarizador e o modulador são os principais pontos de design do chip “tudo em um”.1.2 Projeto EspecíficoAs características de polarização são obtidas por polarização estrutural, e um polarizador no chip é projetado, que consiste em um guia de ondas curvo e um guia de ondas retoAcordado. O guia de ondas curvo pode limitar a diferença entre o modo de transmissão e o modo de não transmissão e obter o efeito de polarização de modo. A perda de transmissão do modo de transmissão é reduzida definindo o deslocamento.As características de transmissão do guia de ondas óptico são afetadas principalmente pela perda de espalhamento, vazamento de modo, perda de radiação e perda de incompatibilidade de modo. Teoricamente, a perda de espalhamento e o vazamento de modo de pequenos guias de onda curvos são pequenos, limitados principalmente pelo processo tardio. No entanto, a perda de radiação dos guias de onda curvos é inerente e tem efeitos diferentes em modos diferentes. As características de transmissão do guia de ondas curvo são afetadas principalmente pela perda de incompatibilidade de modo, e há sobreposição de modo na junção do guia de onda reto e do guia de onda curvo, resultando em um aumento acentuado na dispersão de modo. Quando a onda de luz é transmitida para o guia de ondas polarizado, devido à existência de curvatura, o índice de refração efetivo do modo de onda de luz é diferente na direção vertical e na direção paralela, e a restrição do modo é diferente, o que resulta em atenuação diferente efeitos para os modos TE e TM.Portanto, é necessário projetar os parâmetros do guia de ondas de flexão para obter o desempenho de deflexão. Entre eles, o raio de curvatura é o parâmetro chave do guia de ondas de curvatura. A perda de transmissão sob diferentes raios de curvatura e a comparação de perdas entre diferentes modos são calculadas pelo solucionador de modo próprio FDTD. Os resultados calculados mostram que a perda do guia de ondas diminui com o aumento do raio em pequenos raios de curvatura. Com base nisso, a relação entre a propriedade de polarização (proporção do modo TE para o modo TM) e o raio de curvatura é calculada, e a propriedade de polarização é inversamente proporcional ao raio de curvatura. A determinação do raio de curvatura do polarizador on-chip deve considerar o cálculo teórico, os resultados da simulação, a capacidade tecnológica e a demanda real.O domínio de tempo de diferença finita (FDTD) é usado para simular o campo de luz transmitido do polarizador no chip. O modo TE pode passar pela estrutura do guia de ondas com baixa perda, enquanto o modo TM pode produzir atenuação de modo óbvio, de modo a obter luz polarizada com alta taxa de extinção. Ao aumentar o número de guias de onda em cascata, a taxa de extinção da relação de extinção de polarização pode ser melhorada ainda mais, e um desempenho melhor que a taxa de extinção de polarização de -35dB pode ser obtido na escala de mícron. Ao mesmo tempo, a estrutura do guia de ondas no chip é simples e é fácil realizar a fabricação de baixo custo do dispositivo.2 Verificação de desempenho do chip óptico integradoO chip principal LNOI do chip óptico integrado é uma amostra não fatiada gravada com múltiplas estruturas de chip, e o tamanho de um único chip principal LNOI é 11 mm × 3 mm. O teste de desempenho do chip óptico integrado inclui principalmente a medição da razão espectral, razão de extinção de polarização e tensão de meia onda.Com base no chip óptico integrado, é construído um protótipo de giroscópio e realizado o teste de desempenho do chip óptico integrado. Desempenho de polarização zero estática de um protótipo de giroscópio baseado em chip óptico integrado em uma base isolada sem vibração em temperatura ambiente. baseado em conjuntoO giroscópio formado em chip óptico tem um longo desvio no segmento de inicialização, que é causado principalmente pela característica de inicialização da fonte de luz e pela grande perda de link óptico. No teste de 90 minutos, a estabilidade de polarização zero do giroscópio é de 0,17°/h (10s). Comparado com o giroscópio baseado em dispositivos discretos tradicionais, o índice de estabilidade de polarização zero se deteriora em uma ordem de grandeza, indicando que o chip óptico integrado precisa ser otimizado ainda mais. Principais direções de otimização: melhorar a taxa de extinção de polarização do chip, melhorar a potência luminosa do chip emissor de luz, melhorar a eficiência do acoplamento final do chip e reduzir a perda geral do chip integrado.3 ResumoPropomos um chip óptico integrado baseado em LNOI, que pode realizar a integração de funções não sensíveis, como luminescência, divisão de feixe, combinação de feixe, deflexão, modulação e detecção. A estabilidade de polarização zero do protótipo de giroscópio baseado no chip óptico integrado é de 0,17°/h. Comparado com os dispositivos discretos tradicionais, o desempenho do chip ainda apresenta uma certa lacuna, que precisa ser ainda mais otimizado e melhorado. Exploramos preliminarmente a viabilidade de funções de caminho óptico totalmente integradas, exceto o anel, que pode maximizar o valor da aplicação do chip óptico integrado no giroscópio e atender às necessidades de desenvolvimento de miniaturização e baixo custo do giroscópio de fibra óptica.GF50Giroscópio de fibra óptica padrão militar de precisão média de eixo único GF60Taxa angular Imu do giroscópio da fibra ótica da baixa potência do giroscópio da fibra da única linha central para a navegação
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