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干涉式光学陀螺仪的微型化

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发表于 2025-1-2 08:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
8 B6 {5 }4 |) a: y) o. ?, i陀螺仪作为测量角速度的惯性传感器,在现代工业中扮演着关键角色。从航空航天到消费电子,从医疗设备到自动驾驶汽车,陀螺仪的应用范围持续扩大。现代陀螺仪技术主要基于两种物理效应:科里奥利效应和萨格纳克效应。科里奥利效应在外部旋转时产生机械共振模式间的能量耦合,而萨格纳克效应则在旋转系统中产生对向传播光束的相位差。( o' S# p' L' Q0 {$ }" V
$ u, P  h5 ?9 K, ]4 a# \1 J2 J
市场对微型化高性能陀螺仪的需求日益增长。特别是在导航级应用中,业界追求将体积控制在100立方厘米以下的惯性测量单元,同时保持较低的重量和功耗指标。这种小型化趋势正推动着新一代导航系统的研发[1]。9 E5 V( l6 q3 k. Q

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6 j9 c9 d1 R$ |4 w9 D% B图1:市场现有陀螺仪性能分布图,展示运行偏差稳定性与IMU/INS的尺寸、重量、功耗关系。标注星号处为微型化导航级陀螺仪的目标参数。
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5 v  |' _) i/ C$ ^工作原理
5 K* {" m# ?8 z# r& ^7 I, p萨格纳克效应构成了干涉式光学陀螺仪的核心原理。当光在旋转系统中沿闭合路径双向传播时,旋转会导致两个方向的光程差异:同向传播光程增加(+ΔS),反向传播光程减少(-ΔS)。这种光程差最终转化为可测量的相位差,其大小与系统的旋转角速度和光路包围面积直接相关。; ]* `3 d$ d+ j' u

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图2:旋转系统中光程变化示意图,清晰展示了同向和反向传播光束受旋转影响的路径变化。  t: u7 t. c5 }( e

6 p/ ]$ V5 c* g, E# G+ A一个完整的干涉式光学陀螺仪系统需要多个精密光学组件协同工作。系统采用宽带光源以降低相干噪声,通过光耦合器实现光路的互易性配置。偏振器确保光波相位的均匀性,分光器将光分为两束进行对向传播。相位调制器用于信号调制和解调,最终由光电探测器接收干涉信号并转换为电信号进行处理。" C2 z. s( Z* H6 a# C- `

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" _9 u  P' i  `+ J- c' h3 Z图3:光纤陀螺仪的系统架构,包括从光学元件到电子处理单元的完整信号链路。' g  L( I: X% S+ v; w5 i% p. o
  ^0 s3 C% _$ r
噪声来源与抑制机制% W& M( u9 T  ?% S/ v! W6 q+ K) e
干涉式光学陀螺仪的性能受多种噪声源影响。光电探测器产生的散粒噪声是基础性的量子噪声,这种噪声与接收到的光功率直接相关。系统中的偏振耦合会引入额外的相位噪声,特别是在光纤弯曲或受到机械应力时更为明显。瑞利背向散射源于光纤材料的微观不均匀性,会造成信号串扰。
1 O: h, K+ ]6 |  c: x
. U; e- a& w: T温度梯度引起的Shupe效应对系统稳定性构成重大挑战。温度变化导致光纤折射率和物理长度改变,进而影响测量精度。克尔效应则源于光纤的非线性特性,在高功率下表现显著。外部磁场通过法拉第效应影响光的传播特性,而光源的波长漂移也会引入测量误差。
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. s) k$ a- @9 R8 F4 g8 K+ s图4:干涉信号特性曲线,展示光功率与相位差的定量关系,对理解系统性能很重要。4 D$ M' D4 N8 O; s6 a% p# e- f

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图5:开环与闭环系统配置的信号对比,说明了不同工作模式下的信号处理方式。4 ]9 Z3 n; H6 @- Y
9 f/ M; r. r+ h
微型化技术路线. S- }9 L; a3 R
光纤线圈优化$ e8 C5 w$ r$ ^: Y; B" f
光纤线圈的设计需要在多个技术参数间取得平衡。保偏光纤的选择对系统性能有决定性影响,现代保偏光纤采用多种应力诱导结构实现高双折射特性。正确的线圈绕制方式可以有效抑制Shupe效应,常用的四极绕制和八极绕制技术能显著提升温度稳定性。4 R+ K" W7 Q) ~) r6 U

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6 n" C  W3 A# n  z) p
图6:各类高双折射保偏光纤的横截面结构,展示不同应力诱导机制。
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- [4 V' f: v) z0 W6 M. {5 e8 x
图7:新型光子晶体光纤的结构特征及其在陀螺仪中的实际应用。! `* |1 t, {- c1 q
8 _. E# f3 D  U
光电子集成技术
2 \" v7 r! @* s4 @. T光电子集成技术为陀螺仪微型化提供了新的解决方案。多芯光纤技术通过在单根光纤中集成多个光波导,大幅减小了系统体积。硅基光电子平台能够在芯片尺度上实现复杂的光学功能,包括分光、调制和探测等。/ e/ _1 {" V0 Z" F

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7 a+ o% j6 G% j& i' d$ Q- M6 y图8:多芯光纤系统架构,包括光信号的扇入扇出结构设计。% r$ i- b. K- f- t8 ^

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4 i+ y6 c+ W; D
图9:InP基光电子集成平台的结构示意,展示了各功能单元的集成方案。
! y4 a+ r3 X* u
- H% o) o, s7 R技术发展趋势
: R5 v8 R1 l2 k芯片级布里渊激光陀螺仪代表了微型化的最新进展。这种设计通过将激光器、光学谐振腔和检测系统集成在单个芯片上,实现了超小型化。性能评估显示,这类器件在保持小型化的同时,仍能达到较高的测量精度。
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7 A+ H% Z+ f7 M$ H图10:芯片级布里渊激光陀螺仪的结构设计和性能数据,包括详细的艾伦方差分析。8 K. f) d: A6 p3 ], c5 W% s4 H
5 l- K1 H& W, z4 E- z7 {$ _
光电子和电子器件的深度集成是未来发展的重点方向。这种集成不仅能减小系统体积,还能提高信号处理效率,降低功耗。随着制造工艺的进步,集成化陀螺仪将在自主导航、航天器姿态控制等领域发挥更大作用。% q' U% @! Q' a
4 T* b% g9 G8 s2 C% M9 K& h( s
参考文献4 U6 u" ]4 O; D5 i' T5 R
[1] Dell’Olio, Francesco & Natale, Teresa & Wang, Yen-Chieh & Hung, Yung-Jr. (2023). Miniaturization of Interferometric Optical Gyroscopes: A Review. IEEE Sensors Journal. PP. 1-1. 10.1109/JSEN.2023.3327217.
+ r$ m# J3 n3 L# ?1 S& ?- H$ v+ Y
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转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!4 X9 P: u/ ^+ e- l+ _0 b% g

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% V. Z) W, c7 m+ m6 N深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。; J" n: s% W  Y% Q% Y

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