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Situación y tendencia de desarrollo del giroscopio de fibra óptica integrado

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Situación y tendencia de desarrollo del giroscopio de fibra óptica integrado

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Con la continua profundización y el desarrollo de la tecnología de navegación inercial el campo de aplicación en los últimos años, plantea mayores requisitos para giroscopio óptico, tales como bajo costo, la integración, la miniaturización de peso ligero, bajo consumo de energía y así sucesivamente. En la actualidad, la mayoría de los giroscopios de fibra óptica utilizan componentes ópticos discretos, que se empaquetan juntos por fusión de cola para formar el camino óptico del interferómetro recíproco de Sagnac. Aunque estos componentes ópticos discretos pueden elegir libremente los parámetros de rendimiento, darán lugar a muchas reflexiones parásitas e introducirán la pérdida de juntas de fusión y errores de polarización, reduciendo así el rendimiento del giroscopio. Además, el uso de componentes discretos también conllevará un aumento del tamaño y el peso del giroscopio. Con el desarrollo de la tecnología de fabricación optoelectrónica en los últimos años, hace posible la aplicación integrada de materiales y dispositivos fotónicos, y se han realizado continuamente algunos progresos y avances en la investigación sobre el giroscopio óptico integrado.

En la actualidad, la investigación sobre el giroscopio óptico se subdivide en investigación sobre el giroscopio láser, el giroscopio óptico integrado y el giroscopio de fibra óptica.

Por un lado, el giroscopio óptico integrado utiliza estructuras más pequeñas y compactas, integra múltiples componentes ópticos discretos en un chip y sustituye las funciones de múltiples dispositivos discretos por chips integrados multifunción. Por otro lado, la integración óptica total se refiere a la integración de fuentes de luz, acopladores, guías de ondas, detectores y bobinas de guía de ondas en un mismo chip, con el fin de reducir el volumen del dispositivo, reducir costes, lograr una producción a gran escala, rentable y ampliamente utilizada en equipos pequeños.

El camino óptico del giroscopio de fibra óptica consta de fuente de luz, acoplador, modulador, detector y bobina de fibra óptica. En la actualidad, el giroscopio de fibra óptica ha comenzado a desarrollarse en la dirección de la integración de la ruta óptica, que integra otros dispositivos ópticos excepto la bobina de fibra óptica en el giroscopio de fibra óptica en un solo chip, y acopla la guía de ondas óptica en chip con la bobina de fibra óptica. Un único chip óptico integrado se utiliza para reemplazar múltiples dispositivos ópticos discretos en el giroscopio de fibra óptica tradicional y lograr la integración de dispositivos ópticos, que tiene ventajas significativas tales como alta precisión, pequeño tamaño, bajo coste, alta fiabilidad, etc. Con el rápido desarrollo de la tecnología de integración óptica, se han realizado continuamente algunos progresos y avances en la investigación del giroscopio de fibra óptica integrado.

En 2011, Gener8 de Estados Unidos integró 24 componentes ópticos discretos en un chip híbrido con un tamaño de 67x11x3 mm [1]. Una vez conectado a la bobina de fibra, su rendimiento es similar al del giroscopio de clase de navegación fabricado con componentes discretos.

En 2017, la Universidad de California desarrolló un "controlador óptico integrado" a nivel de chip [2], que realizó la integración monolítica de una fuente de luz, dos acopladores de 3 dB, dos moduladores de fase y tres fotodiodos con un tamaño de 9 mm×0,5 mm. El tamaño, el peso, el consumo de energía y el coste del giroscopio óptico se han reducido considerablemente. El chip está conectado a una bobina de fibra óptica con una longitud de 180 m y un diámetro de 0,2 m, y su rendimiento alcanza los 0,53 ° /s.

En 2019, KVH desarrolló un circuito integrado fotónico multifuncional [3], que se utiliza especialmente para fabricar giroscopios tácticos de fibra óptica (FOG) de gama alta a bajo costo. La bobina de fibra óptica de 110 m con un diámetro de 6 cm tiene un ángulo de paseo aleatorio de 0,59 ° / h / √ Hz, la estabilidad de sesgo cero de 0,24 ° / h y la inestabilidad del factor de escala de temperatura completa de 43,09 ppm.

En 2021, el equipo de investigación del Instituto de Beijing de equipos de control automático llevó a cabo la investigación sobre los componentes básicos y prototipo principio de giroscopio de fibra óptica integrada [4], y optimizó el esquema de giroscopio óptico integrado. La estabilidad de polarización cero del giroscopio optimizado alcanza 0,048° /h, y el tamaño de toda la máquina es de sólo 35 mm × 35 mm × 35 mm.

Además, Fizoptika, Emcore, el Instituto de Tecnología de California, Honeywell, la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Pekín y la Universidad Central del Norte de Rusia también han llevado a cabo trabajos de investigación sobre el giroscopio de fibra óptica integrado, y han realizado continuos avances y progresos en la investigación de la tecnología del giroscopio de fibra óptica integrado.

El proceso de fabricación integrado es más complejo y difícil debido a los diferentes sistemas de materiales correspondientes a cada dispositivo óptico. La selección de los materiales adecuados del chip integrado y su diseño y tecnología de procesamiento son las tecnologías clave del giroscopio integrado. El rendimiento del chip integrado afecta directamente a la potencia óptica de salida, la anchura espectral, la capacidad de respuesta de detección y la diafonía fotoeléctrica introducida en el proceso de integración del chip afectará a la precisión del giroscopio.

En la actualidad, el camino óptico del giroscopio integrado de fibra óptica se compone básicamente de chip óptico integrado y bobina de fibra óptica en miniatura. La conexión del chip óptico integrado y la bobina de fibra óptica mediante acoplamiento directo puede reducir el error de polarización del giroscopio y mejorar su fiabilidad.

La miniaturización de la bobina de fibra óptica es también una de las tecnologías clave para realizar el giroscopio integrado, y su rendimiento afecta directamente a la precisión y la adaptabilidad ambiental del giroscopio. En la actualidad, se está verificando y aplicando la microbobina de fibra óptica de diámetro fino, y la precisión del giroscopio integrado de fibra óptica se mejora constantemente mediante la mejora del proceso de bobinado para mejorar la adaptabilidad ambiental de la microbobina de fibra óptica, como la temperatura, la vibración, el campo magnético, etc.

El giroscopio de fibra óptica con una precisión cada vez mayor tiene más ventajas competitivas que el giroscopio mecánico y el giroscopio láser en el sistema de navegación de alta precisión, mientras que el giroscopio de fibra óptica integrado, que todavía está en fase de investigación y desarrollo, puede alcanzar la precisión del giroscopio de fibra óptica en teoría, y tiene muchas ventajas, por ejemplo, miniaturización, bajo coste, bajo consumo de energía, producción a gran escala, etc.