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Situazione e tendenza dello sviluppo del giroscopio integrato in fibra ottica

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Situazione e tendenza dello sviluppo del giroscopio integrato in fibra ottica

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Con il continuo approfondimento e sviluppo della tecnologia di navigazione inerziale, il campo di applicazione degli ultimi anni pone requisiti più elevati per il giroscopio ottico, come il basso costo, l'integrazione, la miniaturizzazione leggera, il basso consumo energetico e così via. Attualmente, la maggior parte dei giroscopi a fibre ottiche utilizza componenti ottici discreti, che vengono impacchettati insieme mediante fusione di coda per formare il percorso ottico dell'interferometro reciproco di Sagnac. Sebbene questi componenti ottici discreti possano scegliere liberamente i parametri di prestazione, essi causano molte riflessioni parassite e introducono la perdita di giunti di fusione ed errori di polarizzazione, riducendo così le prestazioni del giroscopio. Inoltre, l'uso di componenti discreti comporta un aumento delle dimensioni e del peso del giroscopio. Lo sviluppo della tecnologia di produzione optoelettronica negli ultimi anni ha reso possibile l'applicazione integrata di materiali e dispositivi fotonici e la ricerca sul giroscopio ottico integrato ha registrato progressi e progressi continui.

Attualmente, la ricerca sul giroscopio ottico è suddivisa in giroscopio laser, giroscopio ottico integrato e giroscopio a fibra ottica.

Da un lato, il giroscopio ottico integrato utilizza strutture più piccole e compatte, integra più componenti ottici discreti in un unico chip e sostituisce le funzioni di più dispositivi discreti con chip integrati multifunzione. D'altra parte, l'integrazione ottica completa indica l'integrazione di sorgenti luminose, accoppiatori, guide d'onda, rivelatori, bobine di guida d'onda nello stesso chip, con l'obiettivo di ridurre il volume del dispositivo, ridurre i costi, ottenere una produzione su larga scala, efficace dal punto di vista dei costi e ampiamente utilizzata in piccole apparecchiature.

Il percorso ottico del giroscopio a fibra ottica è costituito da sorgente luminosa, accoppiatore, modulatore, rilevatore e bobina di fibra ottica. Attualmente, il giroscopio a fibre ottiche ha iniziato a svilupparsi nella direzione dell'integrazione del percorso ottico, che integra gli altri dispositivi ottici tranne la bobina di fibra ottica nel giroscopio a fibre ottiche su un singolo chip e accoppia la guida d'onda ottica on-chip con la bobina di fibra ottica. Un singolo chip ottico integrato viene utilizzato per sostituire i molteplici dispositivi ottici discreti del giroscopio a fibra ottica tradizionale e per ottenere l'integrazione dei dispositivi ottici, con vantaggi significativi quali l'alta precisione, le dimensioni ridotte, il basso costo, l'alta affidabilità e così via. Con il rapido sviluppo della tecnologia di integrazione ottica, la ricerca sul giroscopio a fibra ottica integrato ha registrato progressi e progressi continui.

Nel 2011, l'azienda statunitense Gener8 ha integrato 24 componenti ottici discreti in un chip ibrido di 67x11x3 mm [1]. Dopo essere stato collegato alla bobina in fibra, le sue prestazioni sono simili a quelle del giroscopio di navigazione prodotto con componenti discreti.

Nel 2017, l'Università della California ha sviluppato un "driver ottico integrato" a livello di chip [2], che ha realizzato l'integrazione monolitica di una sorgente luminosa, due accoppiatori 3dB, due modulatori di fase e tre fotodiodi con una dimensione di 9mm×0,5mm. Le dimensioni, il peso, il consumo energetico e il costo del giroscopio ottico sono notevolmente ridotti. Il chip è collegato a una bobina di fibra ottica con una lunghezza di 180 m e un diametro di 0,2 m e le sue prestazioni raggiungono 0,53 ° /s.

Nel 2019, KVH ha sviluppato un circuito integrato fotonico multifunzionale [3], utilizzato appositamente per produrre giroscopi tattici a fibra ottica (FOG) di fascia alta a basso costo. La bobina in fibra ottica da 110 m con un diametro di 6 cm ha un angolo di cammino casuale di 0,59 ° /h/ √ Hz, una stabilità di bias zero di 0,24 ° / h e un'instabilità del fattore di scala a temperatura piena di 43,09 ppm.

Nel 2021, il gruppo di ricerca dell'Istituto di controllo automatico di Pechino ha condotto una ricerca sui componenti principali e sul prototipo di principio del giroscopio a fibra ottica integrato [4] e ha ottimizzato lo schema del giroscopio ottico integrato. La stabilità di zero bias del giroscopio ottimizzato raggiunge 0,048° /h e le dimensioni dell'intera macchina sono di soli 35 mm × 35 mm × 35 mm.

Inoltre, anche Fizoptika, Emcore, il California Institute of Technology, Honeywell, l'Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino e l'Università Centrale del Nord in Russia hanno svolto lavori di ricerca sul giroscopio a fibra ottica integrato e hanno compiuto continui progressi nella ricerca sulla tecnologia del giroscopio a fibra ottica integrato.

Il processo di produzione integrato è più complesso e difficile a causa dei diversi sistemi di materiali corrispondenti a ciascun dispositivo ottico. La selezione di materiali appropriati per il chip integrato e la relativa tecnologia di progettazione e lavorazione sono le tecnologie chiave del giroscopio integrato. Le prestazioni del chip integrato influenzano direttamente la potenza ottica di uscita, l'ampiezza spettrale, la reattività di rilevamento e la diafonia fotoelettrica introdotta nel processo di integrazione del chip influisce sulla precisione del giroscopio.

Attualmente, il percorso ottico del giroscopio a fibra ottica integrato è composto essenzialmente da un chip ottico integrato e da una bobina in fibra ottica miniaturizzata. Il collegamento del chip ottico integrato e della bobina in fibra ottica mediante accoppiamento diretto può ridurre l'errore di polarizzazione del giroscopio e migliorarne l'affidabilità.

La miniaturizzazione della bobina in fibra ottica è anche una delle tecnologie chiave per realizzare il giroscopio integrato e le sue prestazioni influiscono direttamente sulla precisione e sull'adattabilità ambientale del giroscopio. Attualmente, la micro bobina in fibra ottica di diametro sottile viene verificata e applicata e l'accuratezza del giroscopio integrato in fibra ottica viene migliorata grazie al costante perfezionamento del processo di avvolgimento per migliorare l'adattabilità ambientale della micro bobina in fibra, come temperatura, vibrazioni, campo magnetico e così via.

Il giroscopio a fibre ottiche con una precisione crescente presenta maggiori vantaggi competitivi rispetto al giroscopio meccanico e al giroscopio laser nel sistema di navigazione ad alta precisione, mentre il giroscopio a fibre ottiche integrato, che è ancora in fase di ricerca e sviluppo, può raggiungere la precisione del giroscopio a fibre ottiche in teoria e presenta molti vantaggi, come la miniaturizzazione, il basso costo, il basso consumo energetico, la produzione su larga scala e così via.