Miniaturized high-end interferometric optoelectronic gyroscopes via silicon photonics

Interferometric optical gyroscopes provide the long-term stability required for high-accuracy navigation, yet conventional fiber-based implementations are penalized by size, weight, and power (SWaP), while MEMS gyroscopes typically fall short in bias stability. This thesis advances GCube, a hybrid tri-axis interferometric gyroscope concept that preserves fiber-optic gyroscope physics while leveraging silicon photonics for integration and manufacturability. A physics-based model of the modulation and demodulation chain is developed and experimentally validated, incorporating shot noise, thermal noise, Kerr-induced bias, and long-term drift. The model accurately reproduces the behavior of a commercial single-axis fiber-optic gyroscope, achieving an angle random walk of approximately 3.0 × 10 − 3   ∘ / h 3.0×10 −3 ∘ / h ​ and a bias instability of approximately 2.2 × 10 − 2   ∘ / h 2.2×10 −2 ∘ /h under both square- and sine-wave biasing, thereby closing the loop between modeling and hardware validation. Building on these results, a one-axis silicon-photonics gyroscope chip is designed on the IMEC iSiPP50G platform, integrating reciprocal splitting and combination, a TM-rejecting polarization filter, a high-linearity pure-phase modulator with suppressed residual amplitude modulation, grating-coupler interfaces, and germanium photodiodes. The rotation-sensing path employs a polarization-maintaining fiber mini-coil with an outer diameter below 30 mm, driven by an external superluminescent diode. Complementing the hardware, a real-time adaptive-threshold wavelet denoising algorithm is introduced, improving the effective signal-to-noise ratio by up to 12 dB while preserving steps and fast transients. The relationship between post-processed Allan metrics and the combined sensor–algorithm chain is clarified. Collectively, these results demonstrate a credible route toward navigation-grade performance within a MEMS-class SWaP envelope and establish a validated methodology for scaling GCube to three-axis implementations.

I giroscopi ottici interferometrici offrono la stabilità a lungo termine richiesta per applicazioni di navigazione ad alta accuratezza; tuttavia, le implementazioni tradizionali basate su fibra ottica sono penalizzate in termini di dimensioni, peso e consumo (SWaP), mentre i giroscopi MEMS risultano generalmente limitati nella stabilità di bias. Questa tesi presenta GCube, un concetto ibrido di giroscopio interferometrico triassiale che preserva la fisica dei giroscopi a fibra ottica sfruttando al contempo la fotonica al silicio per l’integrazione e la producibilità. Viene sviluppato e validato sperimentalmente un modello fisico della catena di modulazione e demodulazione, che include rumore shot, rumore termico, bias indotto dall’effetto Kerr e deriva a lungo termine. Il modello riproduce accuratamente il comportamento di un giroscopio a fibra ottica commerciale a singolo asse, con un angle random walk di circa 3.0 × 10 − 3   ∘ / h 3.0×10 −3 ∘ / h ​ e una bias instability di circa 2.2 × 10 − 2   ∘ / h 2.2×10 −2 ∘ /h sia in condizioni di bias quadra sia sinusoidale, chiudendo il ciclo di validazione tra modello e hardware. Sulla base di tali risultati, viene progettato un chip giroscopico a singolo asse in fotonica al silicio sulla piattaforma IMEC iSiPP50G, che integra funzioni di splitting e combinazione reciproca, un filtro di polarizzazione con reiezione della modalità TM, un modulatore di fase ad alta linearità con minima modulazione di ampiezza residua, interfacce a grating coupler e fotodiodi al germanio. Il percorso di misura della rotazione utilizza una mini-bobina in fibra a mantenimento di polarizzazione con diametro esterno inferiore a 30 mm, alimentata da una sorgente superluminescente esterna. In parallelo allo sviluppo hardware, viene introdotto un algoritmo di denoising wavelet a soglia adattiva in tempo reale, capace di migliorare il rapporto segnale-rumore effettivo fino a 12 dB preservando discontinuità e transitori rapidi. Viene inoltre chiarita la relazione tra le metriche di Allan post-processate e la catena sensore–algoritmo complessiva. Nel loro insieme, questi risultati delineano un percorso credibile verso prestazioni navigation-grade all’interno di un involucro SWaP di classe MEMS e forniscono una metodologia validata per l’estensione del concetto GCube a configurazioni triassiali.