Situation et tendance du développement du gyroscope intégré à fibre optique

Situation et tendance du développement du gyroscope intégré à fibre optique

Avec l'approfondissement et le développement continus de la technologie de navigation inertielle dans le domaine d'application de ces dernières années, les exigences en matière de gyroscope optique sont plus élevées, notamment en ce qui concerne le faible coût, l'intégration, la miniaturisation légère, la faible consommation d'énergie, etc. À l'heure actuelle, la plupart des gyroscopes à fibre optique utilisent des composants optiques discrets, qui sont assemblés par fusion pour former le chemin optique de l'interféromètre réciproque de Sagnac. Bien que ces composants optiques discrets puissent choisir librement les paramètres de performance, ils entraîneront de nombreuses réflexions parasites et introduiront la perte des joints de fusion et des erreurs de polarisation, réduisant ainsi la performance du gyroscope. En outre, l'utilisation de composants discrets entraîne une augmentation de la taille et du poids du gyroscope. Le développement de la technologie de fabrication optoélectronique au cours des dernières années rend possible l'application intégrée de matériaux et de dispositifs photoniques, et des progrès et des percées ont été réalisés en permanence dans la recherche sur le gyroscope optique intégré.

À l'heure actuelle, la recherche sur le gyroscope optique se subdivise en gyroscope laser, gyroscope optique intégré et gyroscope à fibre optique.

D'une part, le gyroscope optique intégré utilise des structures plus petites et plus compactes, intègre plusieurs composants optiques discrets dans une seule puce et remplace les fonctions de plusieurs dispositifs discrets par des puces intégrées multifonctions. D'autre part, l'intégration tout optique consiste à intégrer des sources lumineuses, des coupleurs, des guides d'ondes, des détecteurs, des bobines de guides d'ondes dans la même puce, ce qui vise à réduire le volume de l'appareil, à réduire les coûts, à réaliser une production à grande échelle, à être rentable et à être largement utilisé dans les petits équipements.

Le chemin optique du gyroscope à fibre optique se compose d'une source lumineuse, d'un coupleur, d'un modulateur, d'un détecteur et d'une bobine de fibre optique. Actuellement, le gyroscope à fibre optique a commencé à se développer dans le sens de l'intégration du chemin optique, qui intègre d'autres dispositifs optiques à l'exception de la bobine de fibre optique dans le gyroscope à fibre optique sur une seule puce, et couple le guide d'onde optique sur la puce avec la bobine de fibre optique. Une seule puce optique intégrée est utilisée pour remplacer les multiples dispositifs optiques discrets du gyroscope à fibre optique traditionnel et réaliser l'intégration des dispositifs optiques, ce qui présente des avantages significatifs tels que la haute précision, la petite taille, le faible coût, la haute fiabilité, etc. Avec le développement rapide de la technologie d'intégration optique, la recherche sur le gyroscope à fibre optique intégré n'a cessé de progresser et de faire des percées.

En 2011, la société américaine Gener8 a intégré 24 composants optiques discrets dans une puce hybride de 67x11x3 mm [1]. Après avoir été connecté à la bobine de fibre, ses performances sont similaires à celles d'un gyroscope de classe navigation fabriqué avec des composants discrets.

En 2017, l'Université de Californie a mis au point un "pilote optique intégré" au niveau de la puce [2], qui a réalisé l'intégration monolithique d'une source lumineuse, de deux coupleurs 3dB, de deux modulateurs de phase et de trois photodiodes d'une taille de 9mm×0,5mm. La taille, le poids, la consommation d'énergie et le coût du gyroscope optique sont considérablement réduits. La puce est connectée à une bobine de fibre optique d'une longueur de 180 m et d'un diamètre de 0,2 m, et sa performance atteint 0,53 ° /s.

En 2019, KVH a développé un circuit intégré photonique multifonctionnel [3], qui est spécialement utilisé pour fabriquer un gyroscope tactique à fibre optique (FOG) haut de gamme à faible coût. La bobine de fibre optique de 110 m avec un diamètre de 6 cm a un angle de marche aléatoire de 0,59 ° /h/ √ Hz, la stabilité du biais zéro de 0,24 ° / h et l'instabilité du facteur d'échelle à pleine température de 43,09 ppm.

En 2021, l'équipe de recherche de l'Institut de contrôle automatique de Pékin a mené des recherches sur les composants de base et le prototype de principe du gyroscope à fibre optique intégré [4], et a optimisé le schéma du gyroscope optique intégré. La stabilité du biais zéro du gyroscope optimisé atteint 0,048°/h, et la taille de l'ensemble de la machine n'est que de 35 mm × 35 mm × 35 mm.

En outre, Fizoptika, Emcore, California Institute of Technology, Honeywell, Beijing University of Aeronautics and Astronautics et Central North University en Russie ont également mené des travaux de recherche sur le gyroscope à fibre optique intégré et ont réalisé des percées et des progrès continus dans la recherche sur la technologie du gyroscope à fibre optique intégré.

Le processus de fabrication intégrée est plus complexe et difficile en raison des différents systèmes de matériaux correspondant à chaque dispositif optique. La sélection de matériaux appropriés pour la puce intégrée, sa conception et sa technologie de traitement sont les technologies clés du gyroscope intégré. La performance de la puce intégrée affecte directement la puissance optique de sortie, la largeur spectrale, la réactivité de détection et la diaphonie photoélectrique introduite dans le processus d'intégration de la puce affectera la précision du gyroscope.

Actuellement, le chemin optique du gyroscope à fibre optique intégrée est essentiellement composé d'une puce optique intégrée et d'une bobine de fibre optique miniature. La connexion de la puce optique intégrée et de la bobine de fibre optique par couplage direct peut réduire l'erreur de polarisation du gyroscope et améliorer sa fiabilité.

La miniaturisation de la bobine de fibre optique est également l'une des technologies clés pour réaliser le gyroscope intégré, et ses performances affectent directement la précision et l'adaptabilité environnementale du gyroscope. La précision du gyroscope intégré à fibre optique est améliorée par l'amélioration constante du processus d'enroulement afin d'améliorer l'adaptabilité environnementale de la bobine de microfibre telle que la température, les vibrations, le champ magnétique, etc.

Le gyroscope à fibre optique de plus en plus précis présente davantage d'avantages concurrentiels que le gyroscope mécanique et le gyroscope laser dans le système de navigation de haute précision, tandis que le gyroscope à fibre optique intégré, qui en est encore au stade de la recherche et du développement, peut atteindre la précision du gyroscope à fibre optique en théorie et présente de nombreux avantages, tels que la miniaturisation, le faible coût, la faible consommation d'énergie, la production à grande échelle, etc.