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Entwicklungsstand und Trend des integrierten faseroptischen Gyroskops

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Entwicklungsstand und Trend des integrierten faseroptischen Gyroskops

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Mit der kontinuierlichen Vertiefung und Entwicklung der Trägheitsnavigationstechnologie in den letzten Jahren sind die Anforderungen an optische Gyroskope gestiegen, wie z. B. niedrige Kosten, Integration, leichte Miniaturisierung, geringer Stromverbrauch usw. Derzeit verwenden die meisten faseroptischen Gyroskope diskrete optische Komponenten, die durch Schwanzfusion zusammengefügt werden, um den optischen Pfad des reziproken Sagnac-Interferometers zu bilden. Obwohl diese diskreten optischen Komponenten die Leistungsparameter frei wählen können, führen sie zu vielen parasitären Reflexionen und führen zum Verlust von Fusionsverbindungen und Polarisationsfehlern, was die Leistung des Gyroskops verringert. Darüber hinaus führt die Verwendung diskreter Komponenten zu einer Erhöhung der Größe und des Gewichts des Kreisels. Mit der Entwicklung der optoelektronischen Fertigungstechnologie in den letzten Jahren wird die integrierte Anwendung von photonischen Materialien und Geräten möglich, und in der Forschung zum integrierten optischen Kreisel wurden kontinuierlich Fortschritte und Durchbrüche erzielt.

Gegenwärtig unterteilt sich die Forschung zum optischen Gyroskop in die Forschung zum Laserkreisel, zum integrierten optischen Gyroskop und zum Glasfaserkreisel.

Einerseits verwendet das integrierte optische Gyroskop kleinere und kompaktere Strukturen, integriert mehrere diskrete optische Komponenten in einen Chip und ersetzt die Funktionen mehrerer diskreter Geräte durch integrierte Multifunktions-Chips. Auf der anderen Seite bedeutet die Integration von Lichtquellen, Kopplern, Wellenleitern, Detektoren und Wellenleiterspulen in denselben Chip, was darauf abzielt, das Volumen des Geräts zu verringern, die Kosten zu senken, eine groß angelegte Produktion zu erreichen, kosteneffektiv zu sein und in kleinen Geräten weit verbreitet zu sein.

Der optische Pfad des faseroptischen Gyroskops besteht aus Lichtquelle, Koppler, Modulator, Detektor und Lichtleiterspule. Gegenwärtig hat die Entwicklung des faseroptischen Kreisels in Richtung der Integration des optischen Pfades begonnen, der andere optische Geräte außer der optischen Faserspule in den faseroptischen Kreisel auf einem einzigen Chip integriert und den On-Chip-Lichtwellenleiter mit der optischen Faserspule koppelt. Ein einziger integrierter optischer Chip wird verwendet, um mehrere diskrete optische Geräte im traditionellen faseroptischen Gyroskop zu ersetzen und die Integration optischer Geräte zu erreichen, was erhebliche Vorteile wie hohe Präzision, geringe Größe, niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit usw. hat. Mit der rasanten Entwicklung der optischen Integrationstechnologie wurden in der Forschung zum integrierten Glasfaserkreisel kontinuierlich Fortschritte und Durchbrüche erzielt.

Im Jahr 2011 integrierte das US-amerikanische Unternehmen Gener8 24 diskrete optische Komponenten in einen Hybridchip mit den Maßen 67x11x3 mm [1]. Nach dem Anschluss an die Faserspule ist die Leistung des Chips vergleichbar mit der eines Gyroskops der Navigationsklasse, das mit diskreten Komponenten hergestellt wurde.

Im Jahr 2017 entwickelte die University of California einen "integrierten optischen Treiber" auf Chipebene [2], der die monolithische Integration einer Lichtquelle, zweier 3dB-Koppler, zweier Phasenmodulatoren und dreier Fotodioden mit einer Größe von 9mm×0,5mm realisierte. Größe, Gewicht, Stromverbrauch und Kosten des optischen Gyroskops sind stark reduziert. Der Chip ist an eine Glasfaserspule mit einer Länge von 180 m und einem Durchmesser von 0,2 m angeschlossen, und seine Leistung erreicht 0,53 °/s.

Im Jahr 2019 entwickelte KVH einen multifunktionalen photonischen integrierten Schaltkreis [3], der speziell für die kostengünstige Herstellung eines taktischen Glasfaserkreisels (FOG) verwendet wird. Die 110 m lange faseroptische Spule mit einem Durchmesser von 6 cm hat einen zufälligen Laufwinkel von 0,59 ° /h/ √ Hz, eine Nullpunktstabilität von 0,24 ° /h und eine Instabilität des Skalenfaktors bei voller Temperatur von 43,09 ppm.

Im Jahr 2021 führte das Forschungsteam des Pekinger Instituts für Automatik die Forschung an den Kernkomponenten und dem Prototyp des integrierten faseroptischen Gyroskops [4] durch und optimierte das Schema des integrierten optischen Gyroskops. Die Nullpunktstabilität des optimierten Gyroskops erreicht 0,048°/h, und die Größe des gesamten Geräts beträgt nur 35 mm × 35 mm × 35 mm.

Darüber hinaus haben auch Fizoptika, Emcore, das California Institute of Technology, Honeywell, die Beijing University of Aeronautics and Astronautics und die Central North University in Russland Forschungsarbeiten zum integrierten optischen Kreisel durchgeführt und kontinuierliche Durchbrüche und Fortschritte bei der Erforschung der integrierten optischen Kreiseltechnologie erzielt.

Der integrierte Herstellungsprozess ist komplexer und schwieriger, da die einzelnen optischen Bauteile aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Auswahl geeigneter Materialien für den integrierten Chip sowie dessen Design und Verarbeitungstechnologie sind die Schlüsseltechnologien des integrierten Gyroskops. Die Leistung des integrierten Chips wirkt sich direkt auf die optische Ausgangsleistung, die spektrale Breite und die Erkennungsempfindlichkeit aus, und das fotoelektrische Übersprechen, das bei der Chipintegration entsteht, beeinträchtigt die Genauigkeit des Gyroskops.

Gegenwärtig besteht der optische Pfad eines integrierten Glasfaserkreisels im Wesentlichen aus einem integrierten optischen Chip und einer Miniatur-Glasfaserspule. Die Verbindung des integrierten optischen Chips und der Glasfaserspule durch direkte Kopplung kann den Polarisationsfehler des Gyroskops verringern und die Zuverlässigkeit des Gyroskops verbessern.

Die Miniaturisierung der Glasfaserspule ist auch eine der Schlüsseltechnologien zur Realisierung des integrierten Gyroskops, und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Genauigkeit und die Anpassungsfähigkeit des Gyroskops an die Umwelt aus. Derzeit wird die Mikrofaserspule aus Glasfasern mit dünnem Durchmesser überprüft und eingesetzt, und die Genauigkeit des integrierten Glasfaserkreisels wird durch die ständige Verbesserung des Wickelprozesses verbessert, um die Anpassungsfähigkeit der Mikrofaserspule an die Umweltbedingungen wie Temperatur, Vibration, Magnetfeld usw. zu verbessern.

Das faseroptische Gyroskop mit zunehmender Genauigkeit hat mehr Wettbewerbsvorteile als mechanische Gyroskope und Lasergyroskope in hochpräzisen Navigationssystemen, während das integrierte faseroptische Gyroskop, das sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindet, theoretisch die Genauigkeit eines faseroptischen Gyroskops erreichen kann und viele Vorteile hat, z. B. Miniaturisierung, niedrige Kosten, geringer Stromverbrauch, Großserienproduktion usw.