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 características:Componentes: Utiliza 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: Permite a integração "multifuncional" de funções não sensíveis do caminho óptico, reduzindo o tamanho e os custos de produção, ao mesmo tempo que melhora a modulação de polarização e fase para um desempenho preciso do giroscópio.Aplicações: Adequado para posicionamento, navegação, controle de atitude e medição da inclinação de poços de petróleo.Otimização: Melhorias adicionais na taxa de extinção de polarização, na potência de emissão e na eficiência de acoplamento podem aumentar a estabilidade e a precisão.Conclusão: Este projeto 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 ser totalmente de estado sólido, de alto desempenho e de design flexível, o giroscópio de fibra óptica tornou-se o giroscópio inercial dominante, sendo amplamente utilizado em diversas áreas, como posicionamento e navegação, controle de atitude e medição da inclinação de poços de petróleo. Nesse novo cenário, a nova geração de sistemas de navegação inercial está se desenvolvendo em direção à miniaturização e à redução de custos, o que impõe exigências cada vez maiores ao desempenho abrangente do giroscópio, como volume, precisão e custo. Nos últimos anos, os giroscópios de ressonador hemisférico e os giroscópios MEMS têm se desenvolvido rapidamente, com a vantagem do tamanho reduzido, o que impacta o mercado de giroscópios de fibra óptica. O principal desafio da redução do volume dos giroscópios ópticos tradicionais é a redução do volume do caminho óptico. No esquema tradicional, o caminho óptico do giroscópio de fibra óptica é composto por diversos dispositivos ópticos discretos, cada um implementado com base em princípios e processos diferentes e com encapsulamento e cabo independentes. Consequentemente, o volume do dispositivo, segundo o estado da técnica anterior, está próximo do limite de redução, sendo difícil suportar uma redução adicional do volume do giroscópio de fibra óptica. Portanto, é urgente explorar novas soluções técnicas para realizar a integração eficaz das diferentes funções do caminho óptico, reduzir significativamente o volume do caminho óptico do giroscópio, melhorar a compatibilidade do processo e reduzir o custo de produção do dispositivo.Com o desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados semicondutores, a tecnologia óptica integrada alcançou avanços significativos, reduzindo continuamente as dimensões dos componentes e atingindo os níveis micro e nano. Isso impulsionou consideravelmente o desenvolvimento tecnológico de chips ópticos integrados, que já são aplicados em comunicação óptica, computação óptica, sensoriamento óptico e outras áreas. A tecnologia óptica integrada oferece uma solução técnica inovadora e promissora para a miniaturização e redução de custos de caminhos ópticos giroscópicos em fibras ópticas.1. Projeto de esquema de chip óptico integrado1.1 Projeto GeralA fonte de luz tradicional de roteamento óptico (SLD ou ASE), o acoplador de fibra cônica (doravante denominado "acoplador"), o modulador de fase de guia de onda em Y (doravante denominado "modulador de guia de onda em Y"), o detector e o anel sensível (anel de fibra) são componentes essenciais. Dentre eles, o anel sensível é a unidade central para a medição da taxa de ângulo de sensibilidade, e seu tamanho afeta diretamente a precisão do giroscópio.Propomos um chip integrado híbrido, composto por um componente de fonte de luz, um componente multifuncional e um componente de detecção, integrados por meio de integração híbrida. O componente de fonte de luz é independente e composto por um chip SLD, um componente de colimação e 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, implementado com base em um chip de filme fino de niobato de lítio (LNOI), e inclui principalmente guia de onda óptico, conversão de modo-ponto, polarizador, divisor de feixe, atenuador de modo, modulador e outras estruturas integradas. O feixe emitido pelo chip SLD é transmitido para o guia de onda LNOI após isolamento e colimação.O polarizador deflete a luz incidente, e o atenuador de modo atenua o modo não funcional. Após o divisor de feixe dividir o feixe e o modulador modular a fase, o sinal de saída entra no anel sensível e no circuito de sensibilidade angular. A intensidade da luz é capturada pelo chip detector, e o sinal fotoelétrico gerado flui através do chip amplificador de transresistência até o circuito de demodulação.O chip óptico híbrido integrado possui funções de luminescência, divisão de feixe, combinação de feixes, deflexão, modulação, detecção, etc. Ele realiza a integração "multi-em-um" de funções não sensíveis do caminho óptico do giroscópio. Os giroscópios de fibra óptica dependem da taxa de variação angular sensível do feixe coerente com alto grau de polarização, e o desempenho da polarização afeta diretamente a precisão dos giroscópios. O modulador de guia de onda Y tradicional é um dispositivo integrado que possui funções de deflexão, divisão de feixe, combinação de feixes e modulação. Graças a métodos de modificação de materiais, como troca de prótons ou difusão de titânio, os moduladores de guia de onda Y possuem uma capacidade de deflexão extremamente alta. No entanto, materiais de filme fino exigem que se levem em consideração os requisitos de tamanho, integração e capacidade de deflexão, que não podem ser atendidos por métodos de modificação de materiais. Por outro lado, o campo modal de um guia de onda óptico de filme fino é muito menor do que o de um guia de onda óptico de material maciço, resultando em alterações na distribuição do campo eletrostático e nos parâmetros do índice de refração eletromagnético, o que exige a reformulação da estrutura dos eletrodos. Portanto, o polarizador e o modulador são os principais pontos de projeto do chip "tudo-em-um".1.2 Projeto EspecíficoAs características de polarização são obtidas por meio de polarização estrutural, e um polarizador integrado é projetado, o qual consiste em um guia de onda curvo e um guia de onda reto.Concordo. O guia de ondas curvo pode limitar a diferença entre o modo de transmissão e o modo sem transmissão, e alcançar o efeito de polarização de modo. A perda de transmissão do modo de transmissão é reduzida definindo-se o deslocamento.As características de transmissão de um guia de ondas óptico é afetada principalmente por perdas por espalhamento, vazamento de modo, perdas por radiação e perdas por incompatibilidade de modos. Teoricamente, as perdas por espalhamento e o vazamento de modo em guias de ondas com curvaturas pequenas são reduzidos, sendo limitados principalmente pelo processo tardio. No entanto, as perdas por radiação em guias de ondas curvas são inerentes e têm efeitos diferentes em diferentes modos. As características de transmissão do guia de ondas curvo são afetadas principalmente pelas perdas por incompatibilidade de modos, e há sobreposição de modos na junção entre o guia de ondas reto e o guia de ondas curvo, resultando em um aumento acentuado no espalhamento de modos. Quando a onda de luz é transmitida para o guia de ondas polarizado, devido à curvatura, o índice de refração efetivo do modo de onda é diferente nas direções vertical e paralela, e a restrição do modo também é diferente, o que resulta em diferentes efeitos de atenuação para os modos TE e TM.Portanto, é necessário projetar os parâmetros da guia de onda curva para alcançar o desempenho de deflexão desejado. Dentre eles, o raio de curvatura é o parâmetro chave da guia de onda curva. A perda de transmissão sob diferentes raios de curvatura e a comparação da perda entre diferentes modos são calculadas pelo solucionador de autovalores FDTD. Os resultados calculados mostram que a perda da guia de onda diminui com o aumento do raio para pequenos raios de curvatura. Com base nisso, a relação entre a propriedade de polarização (razão entre o modo TE e 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 integrado deve considerar o cálculo teórico, os resultados da simulação, a capacidade tecnológica e a demanda real.O método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é utilizado para simular o campo de luz transmitida do polarizador integrado. O modo TE pode atravessar a estrutura do guia de ondas com baixa perda, enquanto o modo TM pode produzir atenuação significativa, resultando em luz polarizada com alta taxa de extinção. Ao aumentar o número de guias de ondas em cascata, a taxa de extinção da polarização pode ser ainda mais aprimorada, atingindo um desempenho superior a -35 dB na escala micrométrica. Além disso, a estrutura do guia de ondas integrado é simples, facilitando a fabricação de baixo custo do dispositivo.2. Verificação do 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 de 11 mm × 3 mm. O teste de desempenho do chip óptico integrado inclui principalmente a medição da relação espectral, da taxa de extinção de polarização e da tensão de meia onda.Com base no chip óptico integrado, foi construído um protótipo de giroscópio e realizado o teste de desempenho do chip óptico integrado. Desempenho estático de polarização zero de um protótipo de giroscópio baseado em chip óptico integrado em uma base sem isolamento de vibração à temperatura ambiente.O giroscópio integrado ao chip óptico apresenta uma deriva prolongada no segmento de inicialização, causada principalmente pela característica de inicialização da fonte de luz e pela grande perda no enlace óptico. No teste de 90 minutos, a estabilidade de polarização zero do giroscópio foi de 0,17°/h (10 s). Comparado com giroscópios baseados em dispositivos discretos tradicionais, o índice de estabilidade de polarização zero deteriora em uma ordem de magnitude, indicando que o chip óptico integrado precisa ser otimizado. As principais direções de otimização são: melhorar a taxa de extinção de polarização do chip, melhorar a potência luminosa do chip emissor de luz, melhorar a eficiência de acoplamento final do chip e reduzir a perda total do chip integrado.3 ResumoPropomos um chip óptico integrado baseado em LNOI (nanoestrutura de fibra óptica), capaz de integrar funções não sensíveis como luminescência, divisão e combinação de feixes, deflexão, modulação e detecção. A estabilidade de polarização zero do protótipo de giroscópio baseado no chip óptico integrado é de 0,17°/h. Comparado aos dispositivos discretos tradicionais, o desempenho do chip ainda apresenta algumas limitações, necessitando de otimização e aprimoramento. Exploramos preliminarmente a viabilidade da integração completa das funções do caminho óptico, exceto o anel, o que pode maximizar o valor de aplicação do chip óptico integrado em giroscópios e atender às necessidades de miniaturização e baixo custo dos giroscópios de fibra óptica.GF50Giroscópio de fibra óptica de padrão militar de precisão média e eixo único GF60Giroscópio de fibra óptica de eixo único, giroscópio de fibra óptica de baixa potência, taxa angular IMU para navegação.
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