Исследование гибридной интегрированной оптической микросхемы волоконно-оптического гироскопа

Ключевые моменты

• Продукт: волоконно-оптический гироскоп на базе интегрированной оптической микросхемы.

Ключевые особенности:

• Компоненты: используется интегрированная оптическая микросхема на платформе LNOI, объединяющая излучение, разделение луча, модуляцию и детектирование.
• Функция: реализует интеграцию нескольких нечувствительных функций оптического тракта в одном чипе, снижая габариты и стоимость производства, одновременно улучшая поляризационные и фазовые характеристики.
• Применение: подходит для позиционирования, навигации, управления ориентацией и инклинометрии нефтяных скважин.
• Оптимизация: дальнейшее повышение коэффициента поляризационного подавления, мощности излучения и эффективности торцевой связи позволит улучшить стабильность и точность.

Вывод: эта интегрированная схема открывает путь к миниатюрным и недорогим волоконно-оптическим гироскопам, отвечающим растущему спросу на компактные и надежные инерциальные навигационные решения.

Благодаря преимуществам полностью твердотельной конструкции, высокой производительности и гибкости проектирования, волоконно-оптический гироскоп стал основным типом инерциального гироскопа и широко используется в позиционировании и навигации, управлении ориентацией, инклинометрии нефтяных скважин и многих других областях. В новых условиях системы инерциальной навигации нового поколения развиваются в сторону миниатюризации и снижения стоимости, что предъявляет все более высокие требования к таким комплексным характеристикам гироскопа, как размеры, точность и себестоимость. В последние годы полусферические резонаторные гироскопы и MEMS-гироскопы быстро развиваются благодаря преимуществу малых размеров, что оказывает определенное давление на рынок волоконно-оптических гироскопов. Главной проблемой уменьшения размеров традиционного оптического гироскопа является сокращение объема оптического тракта. В традиционной схеме оптический тракт волоконно-оптического гироскопа состоит из нескольких дискретных оптических приборов, каждый из которых реализован на разных принципах и технологиях и имеет независимую упаковку и волоконные выводы. В результате объем устройства в существующих решениях уже близок к пределу уменьшения, и поддержать дальнейшее сокращение размеров волоконно-оптического гироскопа становится сложно. Поэтому срочно требуется найти новые технические решения для эффективной интеграции различных функций оптического тракта, существенного уменьшения его объема, повышения технологической совместимости и снижения стоимости производства.

С развитием технологий полупроводниковых интегральных схем интегрированная фотоника постепенно достигла значительных прорывов, размеры элементов непрерывно сокращались и перешли на микро- и наноуровень, что существенно продвинуло развитие интегрированных оптических микросхем и позволило применять их в оптической связи, оптических вычислениях, оптическом зондировании и других областях. Интегрированные оптические технологии предлагают новое и перспективное техническое решение для миниатюризации и удешевления оптического тракта волоконно-оптического гироскопа.

1 Проектирование схемы интегрированной оптической микросхемы

1.1 Общая конструкция

Традиционный оптический тракт включает источник света (SLD или ASE), волоконный конический ответвитель, Y-образный волноводный фазовый модулятор, детектор и чувствительное кольцо из волокна. Среди них чувствительное кольцо является основным узлом, воспринимающим угловую скорость, а его размеры напрямую влияют на точность гироскопа.
Мы предлагаем гибридную интегрированную микросхему, состоящую из модуля источника света, многофункционального модуля и детекторного модуля. Источник света является независимым модулем и включает SLD-чип, изоляционно-коллимационный узел, радиатор, полупроводниковый охладитель и другие периферийные компоненты. Детекторный модуль состоит из детекторного чипа и чипа трансимпедансного усилителя. Многофункциональный модуль является основой гибридной интегрированной микросхемы и реализуется на базе тонкопленочного чипа из ниобата лития (LNOI), включая оптический волновод, преобразование модового пятна, поляризатор, делитель луча, аттенюатор мод, модулятор и другие встроенные структуры. Луч, испускаемый SLD-чипом, после изоляции и коллимации передается в волновод LNOI-чипа.
Поляризатор отклоняет входной свет, а аттенюатор мод ослабляет нерабочий режим. После разделения луча и фазовой модуляции выходной свет поступает в чувствительное кольцо, где воспринимается угловая скорость. Интенсивность света регистрируется детекторным чипом, а сформированный фотоэлектрический сигнал через трансимпедансный усилитель поступает в схему демодуляции.
Гибридная интегрированная оптическая микросхема выполняет функции излучения, разделения и объединения луча, отклонения, модуляции, детектирования и другие. Она реализует интеграцию нескольких нечувствительных функций оптического тракта гироскопа в одном чипе. Волоконно-оптические гироскопы зависят от чувствительности к угловой скорости когерентного луча с высокой степенью поляризации, а поляризационные характеристики напрямую влияют на точность гироскопа. Традиционный Y-волноводный модулятор сам по себе является интегрированным устройством и выполняет функции отклонения, разделения и объединения луча, а также модуляции. Благодаря таким методам модификации материала, как протонный обмен или диффузия титана, такие модуляторы обладают очень высокой способностью к отклонению. Однако тонкопленочные материалы должны одновременно удовлетворять требованиям к размерам, интеграции и способности к отклонению, что не может быть достигнуто указанными методами модификации. Кроме того, модовое поле тонкопленочного волновода намного меньше, чем у волноводов на объемных материалах, что приводит к изменениям распределения электростатического поля и электрооптических параметров, поэтому структуру электродов необходимо перепроектировать. Следовательно, поляризатор и модулятор являются ключевыми элементами конструкции чипа «все в одном».

1.2 Конкретная конструкция

Поляризационные характеристики достигаются за счет структурного смещения, поэтому разрабатывается встроенный поляризатор, состоящий из изогнутого и прямого волновода.
Изогнутый волновод может ограничивать разницу между проходящей и непроходящей модами и тем самым обеспечивать эффект модового смещения. Потери передачи проходящей моды уменьшаются за счет задания величины смещения.
Характеристики передачи оптического волновода в основном зависят от потерь на рассеяние, утечки мод, радиационных потерь и потерь из-за несовпадения мод. Теоретически потери на рассеяние и утечку мод у малых изогнутых волноводов невелики и в основном ограничиваются поздними стадиями техпроцесса. Однако радиационные потери в изогнутых волноводах являются внутренне присущими и по-разному влияют на разные моды. Характеристики передачи изогнутого волновода в значительной степени зависят от потерь из-за несовпадения мод, поскольку в месте соединения прямого и изогнутого волноводов возникает перекрытие мод, что приводит к резкому увеличению модового рассеяния. Когда световая волна проходит в поляризующий волновод, из-за наличия кривизны эффективный показатель преломления моды в вертикальном и параллельном направлениях различается, а ограничения мод становятся разными, что вызывает различное ослабление для TE- и TM-мод.
Поэтому необходимо проектировать параметры изогнутого волновода так, чтобы обеспечить требуемые поляризационные характеристики. Среди них радиус изгиба является ключевым параметром. С помощью решателя собственных мод FDTD рассчитываются потери передачи при разных радиусах изгиба и сравниваются потери различных мод. Результаты показывают, что при малом радиусе изгиба потери волновода уменьшаются с увеличением радиуса. На этой основе рассчитывается зависимость поляризационных свойств, то есть отношения TE-моды к TM-моде, от радиуса изгиба; поляризационные свойства оказываются обратно пропорциональны радиусу изгиба. Выбор радиуса изгиба встроенного поляризатора должен учитывать теоретические расчеты, результаты моделирования, технологические возможности и реальные требования.
С помощью метода конечных разностей во временной области моделируется поле света, проходящего через встроенный поляризатор. TE-мода способна проходить через волноводную структуру с малыми потерями, тогда как TM-мода испытывает заметное модовое затухание, что позволяет получать поляризованный свет с высоким коэффициентом подавления. Увеличивая число каскадно соединенных волноводов, можно дополнительно повысить коэффициент поляризационного подавления и добиться показателя лучше -35 dB на микронном масштабе. При этом структура встроенного волновода проста, что облегчает недорогое изготовление устройства.

2 Проверка характеристик интегрированной оптической микросхемы

Основной чип LNOI интегрированной оптической микросхемы представляет собой неразрезанный образец с несколькими структурами чипов, а размер одного чипа составляет 11 мм × 3 мм. Испытания характеристик интегрированной оптической микросхемы главным образом включают измерение спектрального отношения, коэффициента поляризационного подавления и полуволнового напряжения.
На основе интегрированной оптической микросхемы был создан гироскопический прототип и проведены испытания его характеристик. Исследовались характеристики статического нулевого смещения гироскопического прототипа на базе интегрированной оптической микросхемы при комнатной температуре на основании без виброизоляции.
Гироскоп, сформированный на основе интегрированной оптической микросхемы, демонстрирует длительный дрейф на пусковом участке, что в основном вызвано пусковыми характеристиками источника света и большими потерями в оптическом тракте. В 90-минутном испытании стабильность нулевого смещения гироскопа составила 0,17°/ч (10 с). По сравнению с гироскопом на базе традиционных дискретных устройств показатель стабильности нулевого смещения ухудшился на порядок, что указывает на необходимость дальнейшей оптимизации интегрированной оптической микросхемы. Основные направления оптимизации: повышение коэффициента поляризационного подавления чипа, увеличение световой мощности излучающего чипа, улучшение эффективности торцевой связи и снижение общих потерь интегрированного чипа.

3 Краткое резюме

Мы предлагаем интегрированную оптическую микросхему на базе LNOI, способную реализовать интеграцию функций излучения, разделения и объединения луча, отклонения, модуляции и детектирования. Стабильность нулевого смещения гироскопического прототипа на базе этой интегрированной оптической микросхемы составляет 0,17°/ч. По сравнению с традиционными дискретными устройствами характеристики чипа все еще имеют определенный разрыв и требуют дальнейшей оптимизации и совершенствования. Мы предварительно исследовали осуществимость полной интеграции всех функций оптического тракта, кроме кольца, что позволяет максимально раскрыть ценность интегрированной оптической микросхемы в гироскопе и отвечает требованиям миниатюризации и снижения стоимости волоконно-оптического гироскопа.