المنتج: جيروسكوب ألياف بصرية متكامل قائم على شريحة بصرية
الميزات الرئيسية:
الخلاصة: يمهد هذا التصميم المتكامل الطريق أمام الجيروسكوبات الليفية البصرية المصغرة ومنخفضة التكلفة، مما يلبي الطلب المتزايد على حلول الملاحة بالقصور الذاتي المدمجة والموثوقة.
بفضل مزاياها المتمثلة في كونها تعمل بالكامل بتقنية الحالة الصلبة، وأدائها العالي، وتصميمها المرن، أصبحت الجيروسكوبات الليفية البصرية الجيروسكوبات العطالية السائدة، والتي تُستخدم على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل تحديد المواقع والملاحة، والتحكم في الاتجاه، وقياس ميل آبار النفط. في ظل هذا الوضع الجديد، يتجه الجيل الجديد من أنظمة الملاحة العطالية نحو التصغير وخفض التكلفة، مما يفرض متطلبات متزايدة على الأداء الشامل للجيروسكوب، كالحجم والدقة والتكلفة. في السنوات الأخيرة، شهدت الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية وجيروسكوبات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) تطورًا سريعًا بفضل ميزة صغر الحجم، مما كان له تأثير ملحوظ على سوق الجيروسكوبات الليفية البصرية. يتمثل التحدي الرئيسي في تصغير حجم الجيروسكوبات البصرية التقليدية في تقليل حجم المسار البصري. في التصميم التقليدي، يتكون المسار البصري للجيروسكوب الليفي البصري من عدة أجهزة بصرية منفصلة، يتم تصنيع كل منها بناءً على مبادئ وعمليات مختلفة، ولكل منها غلافها الخاص ووصلاتها. ونتيجةً لذلك، يقترب حجم الجهاز وفقًا للتقنيات السابقة من الحد الأقصى للتصغير، ويصعب دعم المزيد من تصغير حجم الجيروسكوب الليفي البصري. لذا، من الضروري استكشاف حلول تقنية جديدة لتحقيق التكامل الفعال بين مختلف وظائف المسار البصري، وتقليل حجم المسار البصري للجيروسكوب بشكل كبير، وتحسين توافق العمليات، وخفض تكلفة إنتاج الجهاز.
مع تطور تقنية الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات، حققت تقنية البصريات المتكاملة طفراتٍ تدريجية، وانخفض حجم مكوناتها باستمرار، حتى وصلت إلى المستويين الميكروي والنانوي، مما ساهم بشكل كبير في تطوير رقائق البصريات المتكاملة، وتطبيقها في مجالات الاتصالات البصرية والحوسبة البصرية والاستشعار البصري وغيرها. وتوفر تقنية البصريات المتكاملة حلاً تقنياً جديداً وواعداً لتصغير مسار الجيروسكوب البصري وخفض تكلفته.
يتكون جهاز قياس زاوية الدوران التقليدي من مصدر ضوئي (SLD أو ASE)، ومقرن ليفي مخروطي (يُشار إليه باسم "المقرن")، ومعدِّل طور الموجة الدليلية Y (يُشار إليه باسم "معدِّل الموجة الدليلية Y")، وكاشف، وحلقة حساسة (حلقة ليفية). وتُعد الحلقة الحساسة الوحدة الأساسية لقياس زاوية الدوران، ويؤثر حجمها بشكل مباشر على دقة الجهاز.
نقترح شريحة متكاملة هجينة، تتألف من مكون مصدر ضوئي، ومكون متعدد الوظائف، ومكون كشف، وذلك من خلال التكامل الهجين. يُعدّ جزء المصدر الضوئي مكونًا مستقلًا، ويتألف من شريحة SLD، ومكون عزل وتجميع، ومكونات طرفية مثل مشتت حراري ومبرد أشباه الموصلات. تتكون وحدة الكشف من شريحة كشف وشريحة مضخم مقاومة. أما الوحدة متعددة الوظائف، فهي الجزء الرئيسي من الشريحة المتكاملة الهجينة، والمصنوعة باستخدام شريحة غشاء رقيق من نيوبات الليثيوم (LNOI)، وتشمل بشكل أساسي دليلًا موجيًا ضوئيًا، ومحول نمط-بقعة، ومستقطبًا، ومقسمًا للشعاع، ومخففًا للنمط، ومعدلًا، وغيرها من البنى المدمجة على الشريحة. يُنقل الشعاع المنبعث من شريحة SLD إلى دليل LNOI الموجي بعد عزله وتجميعه.
يقوم المستقطب بتحريف الضوء الداخل، بينما يقوم مخفف النمط بتخفيف النمط غير العامل. بعد أن يقوم فاصل الحزمة بتقسيم الحزمة ويقوم المعدل بتعديل الطور، تدخل شريحة الإخراج إلى الحلقة الحساسة ومعدل الدوران الزاوي الحساس. يتم التقاط شدة الضوء بواسطة شريحة الكاشف، ويتدفق خرج الكهروضوئي الناتج عبر شريحة مكبر المقاومة العكسية إلى دائرة إزالة التضمين.
تتمتع الشريحة البصرية المتكاملة الهجينة بوظائف الإضاءة، وتقسيم الشعاع، ودمج الشعاع، والانحراف، والتعديل، والكشف، وغيرها. وهي تُحقق تكاملاً متعدد الوظائف للمسار البصري للجيروسكوب، حيث لا تتطلب وظائف حساسة. تعتمد الجيروسكوبات الليفية البصرية على معدل زاوية حساسية الشعاع المتماسك ذي الاستقطاب العالي، ويؤثر أداء الاستقطاب بشكل مباشر على دقة الجيروسكوبات. يُعد مُعدِّل الموجة Y التقليدي جهازًا متكاملاً، إذ يجمع بين وظائف الانحراف، وتقسيم الشعاع، ودمج الشعاع، والتعديل. وبفضل طرق تعديل المواد، مثل تبادل البروتونات أو نشر التيتانيوم، تتمتع مُعدِّلات الموجة Y بقدرة انحراف فائقة. مع ذلك، تتطلب مواد الأغشية الرقيقة مراعاة متطلبات الحجم والتكامل وقدرة الانحراف، وهي متطلبات لا يُمكن تلبيتها بطرق تعديل المواد. من جهة أخرى، يكون مجال نمط الموجة في الموجه الضوئية الرقيقة أصغر بكثير من نظيره في الموجه الضوئية المصنوعة من مادة صلبة، مما يؤدي إلى تغييرات في توزيع المجال الكهروستاتيكي ومعاملات الانكسار الكهربائي، وبالتالي يتطلب الأمر إعادة تصميم بنية الأقطاب الكهربائية. لذا، يُعدّ كل من المستقطب والمعدِّل من أهم عناصر تصميم الشريحة المتكاملة.
يتم الحصول على خصائص الاستقطاب عن طريق الانحياز الهيكلي، ويتم تصميم مستقطب على الشريحة، يتكون من دليل موجي منحني ودليل موجي مستقيم.
موافق. يمكن للموجه الموجي المنحني الحد من الفرق بين نمط الإرسال ونمط عدم الإرسال، وتحقيق تأثير انحياز النمط. ويتم تقليل فقد الإرسال في نمط الإرسال عن طريق ضبط الإزاحة.
تتأثر خصائص نقل الموجات الضوئية في الموجهات بشكل رئيسي بفقدان التشتت، وتسرب الأنماط، وفقدان الإشعاع، وفقدان عدم تطابق الأنماط. نظريًا، يكون فقدان التشتت وتسرب الأنماط في الموجهات المنحنية الصغيرة ضئيلين، ويُعزى ذلك أساسًا إلى المراحل اللاحقة من العملية. مع ذلك، يُعد فقدان الإشعاع في الموجهات المنحنية أمرًا جوهريًا، وله تأثيرات مختلفة على الأنماط المختلفة. تتأثر خصائص نقل الموجات في الموجهات المنحنية بشكل رئيسي بفقدان عدم تطابق الأنماط، ويحدث تداخل في الأنماط عند نقطة التقاء الموجه المستقيمة والمنحنية، مما يؤدي إلى زيادة حادة في تشتت الأنماط. عند نقل الموجة الضوئية إلى الموجه المستقطبة، وبسبب وجود الانحناء، يختلف معامل الانكسار الفعال لنمط الموجة الضوئية في الاتجاه الرأسي والاتجاه الموازي، ويختلف تقييد النمط، مما ينتج عنه تأثيرات توهين مختلفة لنمطي TE وTM.
لذا، من الضروري تصميم معلمات دليل الموجة المنحني لتحقيق أداء الانحراف المطلوب. ومن بين هذه المعلمات، يُعد نصف قطر الانحناء المعلمة الرئيسية. تم حساب فقد الإرسال عند أنصاف أقطار انحناء مختلفة، بالإضافة إلى مقارنة الفقد بين الأنماط المختلفة، باستخدام محلل الأنماط الذاتية FDTD. تُظهر النتائج المحسوبة أن فقد دليل الموجة يتناقص مع زيادة نصف القطر عند أنصاف أقطار الانحناء الصغيرة. بناءً على ذلك، تم حساب العلاقة بين خاصية الاستقطاب (نسبة نمط TE إلى نمط TM) ونصف قطر الانحناء، حيث تتناسب خاصية الاستقطاب عكسيًا مع نصف قطر الانحناء. ينبغي أن يراعي تحديد نصف قطر انحناء المستقطب المدمج في الشريحة الحسابات النظرية، ونتائج المحاكاة، والقدرات التقنية، والاحتياجات الفعلية.
تُستخدم طريقة الفروق المحدودة في المجال الزمني (FDTD) لمحاكاة مجال الضوء المنقول للمستقطب المدمج على الشريحة. يمر نمط TE عبر بنية الدليل الموجي بفقد منخفض، بينما يُحدث نمط TM توهينًا واضحًا، ما يُتيح الحصول على ضوء مستقطب بنسبة إخماد عالية. بزيادة عدد الأدلة الموجية المتتالية، يُمكن تحسين نسبة إخماد الاستقطاب، والوصول إلى أداء أفضل من -35 ديسيبل على مستوى الميكرون. في الوقت نفسه، تتميز بنية الدليل الموجي على الشريحة بالبساطة، ما يُسهّل تصنيع الجهاز بتكلفة منخفضة.
تتكون الشريحة الرئيسية LNOI للشريحة البصرية المتكاملة من عينة غير مقطعة محفورة بهياكل متعددة الشرائح، ويبلغ حجم الشريحة الرئيسية الواحدة 11 مم × 3 مم. يشمل اختبار أداء الشريحة البصرية المتكاملة بشكل أساسي قياس النسبة الطيفية، ونسبة انقراض الاستقطاب، وجهد نصف الموجة.
تم بناء نموذج أولي لجيروسكوب باستخدام شريحة بصرية متكاملة، وأُجري اختبار أداء لهذه الشريحة. تم قياس أداء الجيروسكوب في حالة عدم وجود تحيز ثابت، وذلك في قاعدة معزولة عن الاهتزازات عند درجة حرارة الغرفة.
يُعاني الجيروسكوب المُدمج في الشريحة البصرية من انحراف طويل الأمد في مرحلة بدء التشغيل، ويعود ذلك أساسًا إلى خصائص بدء تشغيل مصدر الضوء والفقد الكبير في الوصلة البصرية. في اختبار مدته 90 دقيقة، بلغ استقرار الجيروسكوب عند الانحياز الصفري 0.17 درجة/ساعة (10 ثوانٍ). بالمقارنة مع الجيروسكوب المُعتمد على الأجهزة المنفصلة التقليدية، يتدهور مؤشر استقرار الانحياز الصفري بمقدار عشرة أضعاف، مما يُشير إلى ضرورة تحسين الشريحة البصرية المُدمجة. تشمل اتجاهات التحسين الرئيسية: تحسين نسبة إخماد الاستقطاب للشريحة، وزيادة القدرة الضوئية للشريحة المُضيئة، وتحسين كفاءة اقتران طرفي الشريحة، وتقليل الفقد الكلي للشريحة المُدمجة.
نقترح شريحة بصرية متكاملة تعتمد على تقنية LNOI، قادرة على دمج وظائف غير حساسة مثل الإضاءة، وتقسيم الشعاع، ودمج الشعاع، والانحراف، والتعديل، والكشف. يبلغ استقرار نموذج الجيروسكوب الأولي، المبني على الشريحة البصرية المتكاملة، 0.17 درجة/ساعة عند انعدام الانحياز. ومع ذلك، لا يزال أداء الشريحة أقل من أداء الأجهزة المنفصلة التقليدية، مما يستدعي مزيدًا من التحسين والتطوير. نستكشف مبدئيًا جدوى دمج جميع وظائف المسار البصري باستثناء الحلقة، مما يُعزز القيمة التطبيقية للشريحة البصرية المتكاملة في الجيروسكوب، ويلبي متطلبات تطوير الجيروسكوب الليفي البصري من حيث التصغير وخفض التكلفة.
Xml سياسة الخصوصية المدونة خريطة الموقع
حقوق النشر
@ شركة مايكرو ماجيك كل الحقوق محفوظة.
دعم الشبكة
بالعربية
