Giroscopi ottici di nuova generazione
19 Gennaio 2016 Indice
o Introduzione
o Giroscopi ottici integrati attivi
o Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
o Giroscopi basati su risonatori ad anello a cristallo fotonico
o Conclusioni
Introduzione
Applicazioni
AOCS di satelliti per EO e missioni scientifiche
Elettronica di consumo
Rover e AOCS di SmallSat
AOCS di satelliti
telecom e per navigazione assistita
Automotive
Aerospazio e Difesa
0.01 °/h
0.1 °/h
1 °/h
10 °/h
100 °/h
0.01 °/h
0.1 °/h
1 °/h
10 °/h
100 °/h
1000 °/h
RLGs
HRGs
FOGs
Giroscopi MEMS (TRL ≥ 7)
C. Ciminelli et al., “Photonic technologies for angular velocity sensing,” Advances in Optics and Photonics , 2014.
Risoluzione
0.001 °/h
Bias drift
Robotica e strumentazione biomedica
Tecnologie
Introduzione
Sensori Bulk
Giroscopi miniaturizzati
Sfida tecnologica: Giroscopi miniaturizzati per lo Spazio con risoluzione < 10°/h
1.
Giroscopi MEMS di nuova generazione.
2.
Giroscopi ottici integrati.
F. Dell’Olio et al., “Recent advances in miniaturized optical gyroscopes,” J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public., 2014.
Giroscopi MEMS per applicazioni spaziali
Peso 750 g
Cons. di potenza 5 W
S. Kowaltschek, “Lessons learnt from the SiREUS MEMS detector evaluation,” 6th ESA Workshop on Avionics Data, Control and Software Systems, Oct. 2012.
Giroscopi ottici integrati attivi
Da circa vent’anni, il Laboratorio di Optoelettronica del Politecnico di Bari sta lavorando su sui giroscopi ottici integrati.
SRL
M. Armenise, et al., “Design and Simulation of a Ring Laser for Miniaturised
Gyroscopes,” Proc. SPIE, 1998.
fotodiodi
acc. MMI
acc. curvo
SRL
Modulatore elettro‐ottico
M. N. Armenise, et al., “Modeling and Design of a Novel Miniaturized
Integrated Optical Sensor for Gyroscope Systems,” J. Lightwave
Technol., 2001.
M. N. Armenise, et al.,“Integrated optical angular velocity sensor,”
European patent EP1219926, filed 2000, published 2002, patent grant
2010.
M.N. Armenise, et al., “Quantum effects in new integrated optical
angular velocity sensors,” ICSO 2004.
Substrato GaAs
fotodiodo
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
I due fasci ottici generati dal laser eccitano due modi risonanti contro‐propaganti della cavità ottica. Dalla misura della differenza tra le frequenze di risonanza dei due modi indotta dall’effetto Sagnac è possibile stimare la velocità di rotazione intorno all’asse ortogonale al substrato.
La lettura della differenza tra le frequenze di risonanza è ottenuta tramite spettroscopia a modulazione di fase.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Integrazione ibrida vs. integrazione monolitica
INTEGRAZIONE IBRIDA
1. Ottimizzazione di tutti i componenti del sensore.
2. Scelta della migliore piattaforma per ciascuno di essi.
Migliori tecnologie per il risonatore: Silica‐on‐Silicon and Nitruro di Silicio.
Progetto IOLG finanziato da ESA: modello, progetto e fabbricazione di un risonatore a
spirale per sensing di velocità angolare in tecnologia Silica‐on‐Silicon. Caratterizzazione
ottica del dispositivo nell’ampio del progetto MiOS finanziato da ESA.
Lunghezza della spirale= 42 cm
Perdita di propagazione della guida d’onda = 0.1 dB/cm.
Fattore di qualità della cavità = 1.5x106. Stima della risoluzione del sensore = 5 °/h.
C. Ciminelli, et. , “Numerical and experimental investigation of an optical high‐Q spiral resonator gyroscope”, 14th International
Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2012.
C. Ciminelli, et al., “High‐Q Spiral Resonator for Optical Gyroscope Applications: Numerical and Experimental Investigation,” IEEE
Photonics Journal 2012.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Integrazione ibrida vs. integrazione monolitica
INTEGRAZIONE MONOLITICA
1. Aumento della compattezza del sensore.
2. Elevata immunità ai disturbi (es. vibrazioni).
Migliore piattaforma tecnologica: InP.
Aspetto critico: valori tipici del fattore di qualità dei risonatori ad anello InP 103 ÷ 105.
Progetto MiOS finanziato da ESA: modello, progetto, fabbricazione e caratterizzazione di un risonatore ad anello ad alto Q.
Diametro dell’anello = 2.6 cm.
Perdita di propagazione della guida d’onda = 0.45 dB/cm.
C. Ciminelli, et al., “High performance InP ring resonator for new generation monolithically integrated optical gyroscopes,” Optics Express, 2013.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Risonatore InP per applicazioni giroscopiche fabbricato da HHI, Berlino
Chip fabbricato
anello
guida d’onda bus
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Caratterizzazione ottica del risonatore
Il fattore di qualità ha migliorato di un ordine di grandezza lo
stato dell’arte (S. J. Choi et al., IEEE Photon. Tech. Lett. 16,
2266-2268, 2004).
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Packaging del risonatore
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Circuito elettronico di readout
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Test di sistema
Il segnale d’uscita (curva rossa) segue il segnale ad onda quadra (curva blu) che simula una rotazione di
circa ± 200 °/s. Il setup disponibile al momento non consente di simulare rotazioni al di sotto dei 200 °/s (in
modulo) perché la minima ampiezza dell’onda quadra che pilota I modulatori acusto‐ottici che simulano la
rotazione è 20 mVpp.
F. Dell’Olio, et al., “System test of an optoelectronic gyroscope based on a high Q‐factor InP
ring resonator,” Optical Engineering, 2014.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Risonatore ad anello InP fabbricato presso COBRA, TU/e
Risonatore a spirale per applicazioni giroscopiche con footprint = 10 mm2, e fattore di qualità 5x105. C. Ciminelli, et al., “A high‐Q InP resonant angular velocity sensor for a monolithically integrated optical gyroscope,” IEEE Photonics J., 2016.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Configurazione del giroscopio basata sul risonatore ad anello InP
fabbricato presso COBRA, TU/e
Il risonatore è compatibile con tutti gli alti component (laser, modulatori, fotodiodi) della piattaforma tecnologica.
C. Ciminelli, et al., “A high‐Q InP resonant angular velocity sensor for a monolithically integrated optical gyroscope,” IEEE Photonics J., 2016.
Giroscopi ottici integrati passivi ‐ RMOGs
Schema di principio del circuito integrato fotonico che integra tutti i componenti del giroscopio
Risoluzione target= 10 °/h
PD
P
P
PM
SP
CIR
PM
Risonatore ad anello
CIR
Laser
P
P
InP
PD
Collegamenti elettrici
Guida d’onda
Risonatore ad anello a cristallo fotonico
Il fattore di qualità teorico di un risonatore ad anello in tecnologia silica‐on‐silicon
basato su questo principio, avente diametro 4.6 mm, è dell’ordine di 109.
Un giroscopio basato su questo risonatore avrebbe risoluzione < 0.01 °/h.
Il modello matematico del risonatore è già stato sviluppato e lo studio sperimentale è in corso , in collaborazione con UCSB (prof. Bowers).
C. Ciminelli, et al, “Optical Rotation sensor as well as method of manufacturing an optical rotation sensor”, European Patent
n. EP 056933, filed in April 2013. ESA contract n. 5401000410/0/0/0/0, Photonic Crystal Micro‐cavities for On‐board Satellite Applications (MICAD)
Conclusioni
 Sono stati discussi i risultati sperimentali relativi a due risonatori ad
anello appositamente progettati e fabbricati per applicazioni giroscopiche
nell’ambito di due progetti ESA. Essi sono realizzati in tecnologia silicaon-silicon e InP e hanno fattore di qualità dell’ordine di 106. Il risonatore
InP ha migliorato lo stato dell’arte di un fattore 10.
 Recentemente, in collaborazione con il Research institute COBRA della
Technische Universiteit Eindhoven, è stata dimostrata la concreta
fattibilità di un circuito integrato fotonico InP per il sensing di velocità
angolare (gyro-on-chip). La risoluzione stimata per il giroscopio è 10 °/h.
 E’ attualmente in corso una promettente attività di ricerca
teorico/sperimentale sui risonatori ad anello a cristallo fotonico per
applicazioni giroscopiche in collaborazione con UCSB. L’attività ha preso
le mosse dai risultati di un progetto ESA (MICAD) che ha portato al
deposito di un brevetto europeo.