Investigación sobre chip óptico híbrido integrado de giroscopio de fibra óptica
Jan 14, 2025
Puntos claveProducto: Giroscopio de fibra óptica integrado basado en chip ópticoCaracterísticas principales:Componentes: Utiliza un chip óptico integrado que combina funciones como luminiscencia, división de haz, modulación y detección en una plataforma de película delgada de niobato de litio (LNOI).Función: Logra una integración “multi-en-uno” de funciones de trayectoria óptica no sensibles, reduciendo el tamaño y los costos de producción al tiempo que mejora la polarización y la modulación de fase para un rendimiento preciso del giroscopio.Aplicaciones: Adecuado para posicionamiento, navegación, control de actitud y medición de inclinación de pozos petroleros.Optimización: mejoras adicionales en la relación de extinción de polarización, la potencia de emisión y la eficiencia de acoplamiento pueden mejorar la estabilidad y la precisión.Conclusión: Este diseño integrado abre el camino para giroscopios de fibra óptica miniaturizados y de bajo costo, satisfaciendo la creciente demanda de soluciones de navegación inercial compactas y confiables.Gracias a las ventajas de su estado sólido, alto rendimiento y diseño flexible, el giroscopio de fibra óptica se ha convertido en el giroscopio inercial de referencia, ampliamente utilizado en campos como el posicionamiento y la navegación, el control de actitud y la medición de la inclinación de pozos petrolíferos. En este contexto, la nueva generación de sistemas de navegación inercial se está orientando hacia la miniaturización y el bajo coste, lo que impone requisitos cada vez más exigentes en cuanto al rendimiento integral del giroscopio, como volumen, precisión y coste. En los últimos años, el giroscopio de resonador hemisférico y el giroscopio MEMS se han desarrollado rápidamente gracias a su pequeño tamaño, lo que ha tenido un impacto significativo en el mercado de giroscopios de fibra óptica. El principal reto de la reducción de volumen de los giroscopios ópticos tradicionales reside en la reducción del volumen del recorrido óptico. En el esquema tradicional, la ruta óptica del giroscopio de fibra óptica se compone de varios dispositivos ópticos discretos, cada uno de los cuales se basa en principios y procesos diferentes y cuenta con un encapsulado y un pigtail independientes. Como resultado, el volumen del dispositivo según la técnica anterior se acerca al límite de reducción, y resulta difícil permitir una mayor reducción del volumen del giroscopio de fibra óptica. Por lo tanto, es urgente explorar nuevas soluciones técnicas para lograr la integración efectiva de las diferentes funciones de la trayectoria óptica, reducir considerablemente el volumen de la trayectoria óptica del giroscopio, mejorar la compatibilidad del proceso y reducir el costo de producción del dispositivo.Con el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados de semiconductores, la tecnología óptica integrada ha logrado avances graduales, reduciendo continuamente el tamaño de las características hasta alcanzar los niveles micro y nanométricos. Esto ha impulsado significativamente el desarrollo técnico de chips ópticos integrados y se ha aplicado en comunicaciones ópticas, computación óptica, detección óptica y otros campos. La tecnología óptica integrada ofrece una solución técnica novedosa y prometedora para la miniaturización y el bajo costo de la trayectoria óptica de los giroscopios de fibra óptica.1 Diseño de esquema de chip óptico integrado1.1 Diseño generalLa fuente de luz de enrutamiento óptico tradicional (SLD o ASE), el acoplador cónico de fibra (denominado "acoplador"), el modulador de fase de guía de onda de rama Y (denominado "modulador de guía de onda Y"), el detector y el anillo sensible (anillo de fibra). Entre ellos, el anillo sensible es la unidad central de la tasa de ángulo sensible, y su volumen afecta directamente la precisión del giroscopio.Proponemos un chip integrado híbrido, que consta de un componente de fuente de luz, un componente multifuncional y un componente de detección mediante integración híbrida. Entre ellos, la fuente de luz es un componente independiente, compuesto por un chip SLD, un componente de colimación de aislamiento y componentes periféricos como un disipador de calor y un enfriador de semiconductores. El módulo de detección consta de un chip de detección y un chip amplificador de transresistencia. El módulo multifuncional es el cuerpo principal del chip integrado híbrido, basado en un chip de película delgada de niobato de litio (LNOI), e incluye principalmente guía de onda óptica, conversión de modo-punto, polarizador, divisor de haz, atenuador de modo, modulador y otras estructuras integradas. El haz emitido por el chip SLD se transmite a la guía de onda LNOI tras el aislamiento y la colimación.El polarizador desvía la luz de entrada y el atenuador de modo atenúa el modo inactivo. Después de que el divisor de haz divide el haz y el modulador modula la fase, el chip de salida entra en el anillo sensible y la velocidad angular sensible. El chip detector captura la intensidad de la luz y la salida fotoeléctrica generada fluye a través del chip amplificador de transresistencia al circuito de demodulación.El chip óptico integrado híbrido tiene las funciones de luminiscencia, división de haz, combinación de haz, deflexión, modulación, detección, etc. Realiza la integración "multi-en-uno" de funciones no sensibles de la trayectoria óptica del giroscopio. Los giroscopios de fibra óptica dependen de la tasa de ángulo sensible del haz coherente con alto grado de polarización, y el rendimiento de polarización afecta directamente la precisión de los giroscopios. El modulador de guía de ondas Y tradicional en sí mismo es un dispositivo integrado, que tiene las funciones de deflexión, división de haz, combinación de haz y modulación. Gracias a los métodos de modificación de materiales como el intercambio de protones o la difusión de titanio, los moduladores de guía de ondas Y tienen una capacidad de deflexión extremadamente alta. Sin embargo, los materiales de película delgada deben tener en cuenta los requisitos de tamaño, integración y capacidad de deflexión, que no pueden cumplirse con los métodos de modificación de materiales. Por otro lado, el campo modal de la guía de ondas óptica de película delgada es mucho menor que el de la guía de ondas óptica de material a granel, lo que provoca cambios en la distribución del campo electrostático y los parámetros del índice electrorrefractivo, lo que requiere un rediseño de la estructura del electrodo. Por lo tanto, el polarizador y el modulador son los puntos clave del diseño del chip "todo en uno".1.2 Diseño específicoLas características de polarización se obtienen mediante polarización estructural y se diseña un polarizador en chip, que consta de una guía de ondas curva y una guía de ondas recta.De acuerdo. La guía de onda curva puede limitar la diferencia entre el modo de transmisión y el modo sin transmisión, y lograr el efecto de polarización modal. La pérdida de transmisión en el modo de transmisión se reduce al ajustar el offset.Las características de transmisión de la guía de onda óptica se ven afectadas principalmente por la pérdida por dispersión, la fuga de modo, la pérdida de radiación y la pérdida por desajuste de modo. Teóricamente, la pérdida por dispersión y la fuga de modo de las guías de onda curvas pequeñas son pequeñas, que están limitadas principalmente por el proceso tardío. Sin embargo, la pérdida de radiación de las guías de onda curvas es inherente y tiene diferentes efectos en diferentes modos. Las características de transmisión de la guía de onda curva se ven afectadas principalmente por la pérdida por desajuste de modo, y hay superposición de modos en la unión de la guía de onda recta y la guía de onda curva, lo que resulta en un aumento brusco de la dispersión de modo. Cuando la onda de luz se transmite en la guía de onda polarizada, debido a la existencia de curvatura, el índice de refracción efectivo del modo de onda de luz es diferente en la dirección vertical y la dirección paralela, y la restricción de modo es diferente, lo que resulta en diferentes efectos de atenuación para los modos TE y TM.Por lo tanto, es necesario diseñar los parámetros de la guía de onda de flexión para lograr el rendimiento de deflexión. Entre ellos, el radio de curvatura es el parámetro clave de la guía de onda de flexión. La pérdida de transmisión bajo diferentes radios de curvatura y la comparación de pérdidas entre diferentes modos se calculan mediante el solucionador de modos propios FDTD. Los resultados calculados muestran que la pérdida de la guía de onda disminuye con el aumento del radio en radios de curvatura pequeños. Sobre esta base, se calcula la relación entre la propiedad de polarización (ratio del modo TE al modo TM) y el radio de curvatura, y la propiedad de polarización es inversamente proporcional al radio de curvatura. La determinación del radio de curvatura del polarizador en chip debe considerar el cálculo teórico, los resultados de la simulación, la capacidad tecnológica y la demanda real.El dominio temporal de diferencias finitas (FDTD) se utiliza para simular el campo de luz transmitida del polarizador en chip. El modo TE atraviesa la estructura de la guía de onda con bajas pérdidas, mientras que el modo TM produce una atenuación modal significativa, obteniendo luz polarizada con una alta relación de extinción. Al aumentar el número de guías de onda en cascada, se mejora aún más la relación de extinción de polarización-extinción, obteniendo un rendimiento de relación de extinción de polarización superior a -35 dB a escala micrométrica. Además, la estructura de la guía de onda en chip es sencilla y facilita la fabricación a bajo coste del dispositivo.2 Verificación del rendimiento del chip óptico integradoEl chip principal LNOI del chip óptico integrado es una muestra sin laminar grabada con múltiples estructuras de chip, y el tamaño de un chip principal LNOI es de 11 mm × 3 mm. La prueba de rendimiento del chip óptico integrado incluye principalmente la medición de la relación espectral, la relación de extinción de polarización y el voltaje de media onda.Basándose en el chip óptico integrado, se construye un prototipo de giroscopio y se realiza la prueba de rendimiento del chip. Rendimiento de polarización cero estática de un prototipo de giroscopio basado en un chip óptico integrado en una base aislada sin vibraciones a temperatura ambiente.El giroscopio integrado en un chip óptico presenta una deriva temporal prolongada en el segmento de arranque, causada principalmente por la característica de arranque de la fuente de luz y la gran pérdida del enlace óptico. En la prueba de 90 min, la estabilidad de polarización cero del giroscopio fue de 0,17°/h (10 s). En comparación con los giroscopios basados en dispositivos discretos tradicionales, el índice de estabilidad de polarización cero se deteriora en un orden de magnitud, lo que indica que el chip óptico integrado necesita una mayor optimización. Principales líneas de optimización: mejorar la tasa de extinción de polarización del chip, aumentar la potencia luminosa del chip emisor de luz, mejorar la eficiencia de acoplamiento final del chip y reducir la pérdida total del chip integrado.3 ResumenProponemos un chip óptico integrado basado en LNOI que permite integrar funciones no sensibles como luminiscencia, división y combinación de haces, deflexión, modulación y detección. La estabilidad de polarización cero del prototipo de giroscopio basado en el chip óptico integrado es de 0,17°/h. En comparación con los dispositivos discretos tradicionales, el rendimiento del chip aún presenta una brecha que requiere mayor optimización y mejora. Exploramos preliminarmente la viabilidad de funciones de trayectoria óptica totalmente integradas, excepto el anillo, lo que permite maximizar el valor de aplicación del chip óptico integrado en giroscopios y satisfacer las necesidades de desarrollo de miniaturización y bajo costo de los giroscopios de fibra óptica.GF50Giroscopio de fibra óptica de un solo eje de precisión media, estándar militar GF60Giroscopio de fibra de un solo eje, giroscopio de fibra óptica de baja potencia, velocidad angular IMU para navegación
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