产品：集成光学芯片光纤陀螺仪
主要特点：
结论：这种集成设计为小型化、低成本的光纤陀螺仪铺平了道路，满足了对紧凑可靠的惯性导航解决方案日益增长的需求。
凭借全固态、高性能和灵活设计等优势，光纤陀螺仪已成为主流惯性陀螺仪，广泛应用于定位导航、姿态控制、油井倾角测量等诸多领域。在新形势下，新一代惯性导航系统正朝着小型化、低成本的方向发展，这对陀螺仪的体积、精度和成本等综合性能提出了越来越高的要求。近年来，半球谐振器陀螺仪和MEMS陀螺仪凭借其小型化的优势迅速发展，对光纤陀螺仪市场产生了一定的影响。传统光纤陀螺仪体积缩小的主要挑战在于光路体积的缩减。在传统方案中，光纤陀螺仪的光路由多个独立的光学器件组成，每个器件都基于不同的原理和工艺实现，并拥有独立的封装和尾纤。因此，现有技术的器件体积已接近缩小极限，难以进一步缩小光纤陀螺仪的体积。所以，迫切需要探索新的技术方案，以实现光路不同功能的有效集成，大幅缩小陀螺仪光路的体积，提高工艺兼容性，并降低器件的生产成本。
随着半导体集成电路技术的发展，集成光技术也逐步取得突破，特征尺寸不断缩小，进入微米、纳米级别，极大地推动了集成光芯片的技术发展，并已应用于光通信、光计算、光传感等领域。集成光技术为光纤陀螺仪光路的微型化和低成本化提供了一种新的、极具前景的技术方案。
传统的光路光源（SLD 或 ASE）、光纤锥形耦合器（简称“耦合器”）、Y 型分支波导相位调制器（简称“Y 型波导调制器”）、探测器和灵敏环（光纤环）。其中，灵敏环是灵敏角度速率仪的核心单元，其体积大小直接影响陀螺仪的精度。
我们提出了一种混合集成芯片，该芯片通过混合集成方式由光源组件、多功能组件和检测组件构成。其中，光源部分是一个独立的组件，由超导激光二极管（SLD）芯片、隔离准直组件以及散热器和半导体冷却器等外围组件组成。检测模块由检测芯片和跨阻放大器芯片组成。多功能模块是混合集成芯片的主体，基于铌酸锂薄膜（LNOI）芯片实现，主要包括光波导、模式转换、偏振器、分束器、模式衰减器、调制器等片上结构。SLD芯片发出的光束经隔离和准直后传输到LNOI波导中。
偏振器偏转入射光，模式衰减器衰减非工作模式。分束器将光束分成两束，调制器调制相位后，输出芯片进入灵敏环，测量灵敏角速率。光强被探测器芯片捕获，产生的光电输出信号经跨阻放大器芯片送至解调电路。
这种混合集成光芯片具有发光、分束、合束、偏转、调制、检测等功能，实现了陀螺仪光路中非敏感功能的“多合一”集成。光纤陀螺仪依赖于高偏振相干光束的敏感角速率，其偏振性能直接影响陀螺仪的精度。传统的Y型波导调制器本身就是一种集成器件，具有偏转、分束、合束和调制等功能。得益于质子交换或钛扩散等材料改性方法，Y型波导调制器具有极高的偏转能力。然而，薄膜材料需要兼顾尺寸、集成度和偏转能力的要求，而这些要求无法通过材料改性方法得到满足。另一方面，薄膜光波导的模场远小于块体材料光波导的模场，导致静电场分布和电折射率参数发生变化，需要重新设计电极结构。因此，偏振器和调制器是“一体化”芯片的核心设计点。
通过结构偏置获得偏振特性，并设计了一种片上偏振器，该偏振器由弯曲波导和直波导组成。
同意。弯曲波导可以限制传输模式和非传输模式之间的差异，从而实现模式偏置的效果。通过设置偏移量，可以降低传输模式的传输损耗。
光波导的传输特性主要受散射损耗、模式泄漏、辐射损耗和模式失配损耗的影响。理论上，小曲率波导的散射损耗和模式泄漏较小，主要受限于后期工艺。然而，曲率波导的辐射损耗是固有的，并且对不同模式的影响不同。曲率波导的传输特性主要受模式失配损耗的影响，在直波导和曲率波导的交界处存在模式重叠，导致模式散射急剧增加。当光波进入偏振波导时，由于曲率的存在，光波模式在垂直方向和平行方向上的有效折射率不同，模式限制也不同，这导致TE模式和TM模式的衰减效应不同。
因此，需要对弯曲波导的参数进行设计以实现所需的偏转性能。其中，弯曲半径是弯曲波导的关键参数。本文利用FDTD本征模求解器计算了不同弯曲半径下的传输损耗以及不同模式间的损耗对比。计算结果表明，在小弯曲半径下，波导损耗随弯曲半径的增大而减小。在此基础上，计算了极化特性（TE模式与TM模式之比）与弯曲半径的关系，结果表明极化特性与弯曲半径成反比。片上偏振器的弯曲半径的确定应综合考虑理论计算、仿真结果、工艺能力和实际需求。
采用时域有限差分法（FDTD）模拟片上偏振器的透射光场。TE模式能够以低损耗通过波导结构，而TM模式则会产生明显的模式衰减，从而获得高消光比的偏振光。通过增加级联波导的数量，可以进一步提高偏振消光比，在微米尺度上可获得优于-35dB的偏振消光比性能。同时，片上波导结构简单，易于实现器件的低成本制造。
集成光芯片的LNOI主芯片是一块刻有多片芯片结构的未切片样品，单个LNOI主芯片的尺寸为11mm×3mm。集成光芯片的性能测试主要包括光谱比、偏振消光比和半波电压的测量。
基于集成光学芯片，搭建了陀螺仪样机，并对该集成光学芯片进行了性能测试。在室温下，于非隔振基础上，对基于集成光学芯片的陀螺仪样机进行了静态零偏性能测试。
集成于光芯片中的陀螺仪在启动阶段存在较长的漂移，这主要是由光源的启动特性和光链路的大损耗造成的。在90分钟的测试中，该陀螺仪的零偏稳定性为0.17°/h（10秒）。与基于传统分立器件的陀螺仪相比，其零偏稳定性指标下降了一个数量级，表明该集成光芯片需要进一步优化。主要优化方向包括：提高芯片的偏振消光比、提高发光芯片的发光功率、提高芯片的端耦合效率以及降低集成芯片的整体损耗。
我们提出了一种基于LNOI的集成光芯片，该芯片可实现发光、分束、合束、偏转、调制和检测等非敏感功能的集成。基于该集成光芯片的陀螺仪样机的零偏稳定性为0.17°/h。与传统的离散器件相比，该芯片的性能仍存在一定的差距，需要进一步优化和改进。我们初步探索了除环路外所有光路功能的完全集成可行性，这可以最大限度地提高集成光芯片在陀螺仪中的应用价值，并满足光纤陀螺仪小型化和低成本的发展需求。
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