Волоконно-оптические гироскопы с эрбиевыми волоконными источниками излучения

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 4а видна световедущая роль микроструктурированной оболочки, которая используется для повышения плотности накачки сердцевины как за счет высокой числовой апертуры этой оболочки, так и за счет уменьшения площади центральной части волокна, по которой распространяется излучение накачки [8]. Активные МСВС данной конструкции удобны для торцевой накачки волоконно-оптического лазера. Полученные образцы данных МСВС переданы в НЦВО при ИОФ РАН для создания на их основе волоконнооптических лазеров (для иттербиевых волоконных световодов длина волны накачки обычно 0,98 мкм, а длина волны излучения ~ 1,1 мкм [5]).

Библиографический список

1. Бирюков, А.С. Волоконные световоды на основе фотонных кристаллов / А.С. Бирюков, Е.М. Дианов // Волоконно-оптические технологии, материалы и устойства: сб. науч. тр. - 2002. - № 5. - С. 6-16.

2. Федотов, А.Б. Пространственно-спектральная фильтрация излучения суперконтинуума, генерируемого в мик-

роструктурированных волокнах / А.Б. Федотов, Пинг Жу, Ю.Н. Кондратьев, и др. // Квантовая электроника. - 2003. - Т 33. - № 9. - С. 828-832.

3. Бурков, В.Д. Принципы построения многоканальных

волоконно-оптических информационно-измеритель-

ных систем на основе технологии пассивных и активных микроструктурированных волоконных световодов / В.Д. Бурков, Ф.А. Егоров, Г.А. Иванов и др. // Науч.-технич. конф. - МГУЛ, 2004.

4. Дианов, Е.М. Эффект катастрофического разрушения в микроструктурированном световоде / Е.М. Дианов, А.А. Фролов, И.А. Буфетов и др. // Квантовая электроника. - 2004. - Т 34. - № 1. - С. 59-61.

5. Курков, А.С. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности / А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квант. электроника. - 2004. - № 10. - С. 881-900.

6. J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russel, D.M. Atkin. Allsilica single-modefiber with photonic crystal cladding.// Opt. Lett., 21, (1996), 1547-1549.

7. T.A. Birks, J.C. Knight, P.St.J. Russel. Endlessly singlemode photonic crystal fibers.// Opt. Lett., 22, (1997), 961-963.

8. K. Furusowa, A. Malinowski, J.H.V. Price, T.H. Monro, al.et. Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding.// Optics Express, v.9, №13, (2001), 714-720.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ С ЭРБИЕВЫМИ ВОЛОКОННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В.Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, д-р техн. наук,

В.П. ГУБИН, ст. науч. сотр. Института радиотехники и электроники РАН, канд. физ-мат. наук, А.И. САЗОНОВ, ст. науч. сотр. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, канд. техн. наук

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) [1, 2, 7] является датчиком угловой скорости, который регистрирует вращение объекта в инерциальной системе координат. Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка в кольцевом интерферометре. В нем с помощью делителя светового пучка (направленного ответвителя) создаются две когерентные световые волны, распространяющиеся в кольцевом контуре во встречных направлениях и проходящие один и тот же оптический путь с последующей интерференцией на том же делителе пучка. При вращении контура между встречными волнами возникает разность фаз ф^, пропорциональная проекции вектора угловой скорости Q объекта на нормаль к плоскости контура: ф^ = (2nLD / cX)Q. Здесь L и D - длина волокна и диаметр контура, c - скорость света в вакууме, X - длина волны света. Величина разности фаз очень мала: при Q = 0,01 град/час ф^ = 10-6 радиан для контура с L = 1000 м и D = 10 см. Поэтому необходим ряд мер для снижения влияния факторов, вызывающих паразитные фазовые сдвиги меж-

ду волнами. Главной мерой является применение широкополосного светового излучения, т.е. излучения с малой длиной когерентности Lc << L. При этом снижается влияние рассеяний и отражений в контуре и нелинейных эффектов в волокне.

Эрбиевые волоконные источники излучения

Генерация света в СВИ происходит благодаря квантовому переходу между уровнями 2 ^ 1 эрбия. Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого волокна. За счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (1) в верхнее возбужденное состояние (3), которое является короткоживущим (время жизни т3 =1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2, т2 = 10 мс). В результате создается инверсия населенностей между уровнями 1 и 2 и активное волокно становится усилителем оптического излучения в полосе около 1530-1580 нм. Широ-

8

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

кополосное спонтанное излучение с подуровней уровня 2 усиливается, проходя по волокну, и образует выходное излучение.

Требования к ВОГ наивысшей точности приведены в таблице.

Масштабный коэффициент ВОГ пропорционален средней частоте спектра (или средней длине волны, учитывая, что До / и = АХ / X при Ли << и). Реально достижимый температурный коэффициент эрбиевого источника < 1 ppm/°C Это значительно лучше, чем у СЛД, который имеет коэффициент -400 ppm/°C Кроме того, у СЛД малый ввод излучения в волокно и часто недостаточный ресурс. Следует также отметить, что волоконный источник имеет гладкую форму спектра в отличие от СЛД, у которого на широкий спектр могут быть наложены остаточные узкие линии продольных мод (спектральная модуляция). Поэтому функция временной когерентности волоконного источника отлична от нуля только в области малых задержек, в то время как в СЛД она может иметь пики при значительных задержках. Это обстоятельство является важным при проектировании волоконных устройств с низкокогерентным излучением, к которым относится ВОГ, в особенности в случае, когда используются схемы с деполяризаторами излучения.

Температурная зависимость средней длины волны источника определяется температурной зависимостью мощности и длины волны диода накачки

dX0 / dT = dX0 / dT + (dX0 / dPp)(dPp / dT) +

+ (dX0 / dXp)(dXp / dT).

Для полупроводниковых лазерных диодов dXp / dT = -400 ppm/oC, dPp / dT = -0,3 мВт/оС.

При разработке волоконного источника для получения требуемой температурной зависимости, а также спектра, выходной мощности и

ширины спектра проводится выбор следующих параметров: мощность накачки P длина волны накачки X , состав и длина активного волокна L , а также конфигурация оптической схемы (однокаскадная, двухкаскадная, прямая или/и обратная накачка по отношению к направлению распространения сигнала).

Спектральные характеристики эрбиевого источника

В данном разделе экспериментально исследованы спектральные характеристики эрбие-вых волоконных источников излучения (СВИ), изготовленных из кварцевых волокон, легированных ионами иттербия и эрбия, с рабочей длиной волны Х0 = 1,55 мкм и накачкой многомодовым полупроводниковым лазером с длиной волны 0,98 мкм. Были исследованы зависимости средней длины волны А0 спектра излучения в области 1,55 мкм и ширины спектра ДА, от тока инжекции лазера накачки (от выходной мощности источника).

Измерение спектральных характеристик Er-СВИ проводили на анализаторе спектра фирмы Anritsu. Среднюю длину волны Х0 и ширину спектра ДА определяли путем обработки измеренных спектральных профилей мощности Р(А). Типичные спектры Р(А) для однокаскадного источника показаны на рис. 1, а, для двухкаскадного источника - на рис. 1, б. Спектры записывались для ряда значений тока i инжекции лазера накачки, соответствовавших различным уровням мощности излучения в активированном волокне.

Средняя (средневзвешенная) длина волны Х0 спектра Р(А) определяется соотношением

X 0 = Ex ,P

i=1 i=1

где n - число интервалов разбиения анализируемого спектра.

Таблица

Характеристика Назначение Требуемая величина

Большая ширина спектра Снижение погрешностей из-за: 1) обратного рэлеевского рассеяния в волокне контура 2) связи поляризационных мод 3) нелинейного эффекта Керра в волокне Не менее 5 нм Сейчас получено 25 нм

Высокая выходная мощность в одномодовом волокне Получение высокого отношения сигнала к шуму Создание мультиплексных ВОГ 10 мВт Сейчас получено 200 мВт

Температурная стабильность средней длины волны Получение стабильного масштабного коэффициента ВОГ 1 ppm Сейчас получено <1 ppm/oC

Большой ресурс Надежность при длительной эксплуатации Получено >100000 ч

Слабая чувствительность к коротковолновой радиации Эксплуатация в неблагоприятных условиях Нужно иметь длину волны > 1.3 мкм 1,55 мкм

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

9

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рис. 1. Спектральные характеристики эрбий-иттербиевых источников при фиксированной длине активного волокна и различных токах диода накачки (различной выходной мощности): а - схема с одиночной секцией активного волокна; б - схема с двумя секциями активного волокна

В связи с тем, что спектр излучения эр-биевого источника имеет относительно сложную форму, для характеристики его ширины применяется средневзвешенная по мощности ширина спектра АХ, определяемая по формуле

АХ = £АХ

i=1

где АХ(Х.) - ширина интервала разбиения спектра с центром X;

P - максимальное значение спектральной плотности мощности в исследуемом спектре Р(Х).

Результаты обработки измерений спектров однокаскадного источника приведены на рис. 2. Они показывают, что простая однокаскадная схема СВИ создает излучение с мощностью в волокне 5-10 мВт и шириной спектра порядка 15 нм. При этом потребляемый ток составляет 450 мА.

Результаты обработки измерений спектров двухкаскадного источника приведены на рис. 3. Из них следует, что данный источник обес-

печивает выходную мощность около 50 мВт при ширине спектра 15 нм. При другом выборе тока накачки можно получить ширину спектра 22 нм при выходной мощности около 20 мВт. При этом потребляемый ток составляет 1,6 А и 1 А соответственно.

Поляризационные характеристики эрбиевого источника

В принципе, излучение эрбиевого СВИ должно быть неполяризованным. Однако на практике оно содержит небольшую примесь поляризованной компоненты, состояние поляризации которой может быть произвольным эллиптическим и которое можно охарактеризовать величиной компоненты р, азимутом 0 и углом эллиптичности s поляризационного эллипса. Ниже приводится методика измерений поляризационной компоненты однокаскадного эрбиевого волоконного источника, которая может иметь малую величину, а также рассмотрены зависимости p от тока диода накачки и внешних воздействий на активированное волокно [3].

Рис. 2. Зависимости средней длины волны а и ширины спектра б от средней мощности однокаскадного СВИ

10

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследуемый эрбиевый волоконный источник был изготовлен из нескольких метров активированного волокна (АВ), уложенного в кольцевую бухточку с радиусом r = 15 мм. Одномодовая сердцевина АВ легировалась ионами Ег3+ и имела величину An = 1,5-10-3 и длину волны отсечки 1,3 мкм. На одном из концов отрезка АВ был изготовлен направленный ответвитель-мультиплексор, с помощью которого в АВ вводилось более 90 % излучения накачки от многомодового лазерного диода с длиной волны X « 980 мкм.

p

Установка для измерения поляризационных характеристик источника включает расположенные в линию вращаемые четвертьволновую фазовую пластинку и поляризатор, установленные в коллимированном световом пучке, который затем фокусируется на фотоприемник. Напряжение с выхода фотоприемника поступает на персональный компьютер через аналоговоцифровой преобразователь. Измерительная установка имеет погрешность измерений не хуже 0,1 %.

Рис. 3. Зависимости средней длины волны а и ширины спектра б от средней мощности двухкаскадного СВИ

Рис. 4. Основные схемы ВОГ с эрбиевым волоконным источником минимальная схема ВОГ (а); схема ВОГ с активным волокном в режиме источника-усилителя (б): 1 - активное волокно; 2 - ответвитель-мультиплексор; 3 - лазерный диод накачки; 4 - входной направленный ответвитель; 5 - поляризатор; 6 - контурный направленный ответвитель; 7 - чувствительный волоконный контур; 8 - фотоприемник; 9 - фазовый модулятор; 10 - фазовый детектор; 11 - опорный генератор

Схемы ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками

Применение эрбиевых волоконных источников в ВОГ позволяет существенно улучшить точностные и эксплуатационные характеристики ВОГ разных классов точности и стоимости, реализованных в настоящее время с суперлюминесцентными диодами. Рабочая длина волны, для которой оптические волокна имеют повышенную радиационную стойкость, высокий ресурс и надежность делают ВОГ с эрбиевыми источниками наиболее адекватными для использования в системах длительного космического базирования.

На основе эрбиевых волоконных источников разрабатываются ВОГ наивысшей точности (до 10-5 град/час и лучше) [7], что более чем на порядок превышает уровень, достигнутый в настоящее время для СЛД. Это связано, во-первых, с большой мощностью излучения в волокне, что обеспечивает более высокое отношение сигнала к шуму и, следовательно, улучшает пороговую чувствительность ВОГ. Во-вторых, высокая стабильность спектра эрбиевого источника дает возможность снизить погрешности масштабного коэффициента ВОГ в диапазоне температур среды. В целом по комплексу параметров эрбиевый

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

11

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

источник удовлетворяет требованиям к ВОГ высокой точности [7]. Известно, что такие ВОГ создаются на основе так называемой минимальной оптической конфигурации [7], цельноволоконный вариант которой показан на рис. 4, а. Следует отметить, что наилучшие точностные характеристики ВОГ достигнуты в настоящее время в интегрально-волоконном варианте минимальной конфигурации при использовании схемы обработки с замкнутым контуром [7].

На основе эрбиевых источников можно создать новые конфигурации оптических схем ВОГ. В одной из них (рис. 4, б) используется свойство активного волокна генерировать и усиливать излучение в обоих направлениях распространения света [4, 6]. Фотоприемник установлен на одном из выходов активного волокна, работающего в качестве источника излучения и оптического усилителя, благодаря чему симметрия устройства ввода-вывода достигается без использования дополнительного направленного ответвителя, а также снижаются требования к чувствительности фотоприемника благодаря оптическому усилению выходного сигнала. Существует ряд особенностей.

1. Контраст полезного сигнала меньше, чем в минимальной схеме, из-за засветки приемника излучением от нерабочего конца источника. Поскольку мощность излучения на выходах активного волокна источника пропорциональна усилению G света в волокне, излучение на рабочем и нерабочем выходах изолированного источника можно записать в виде P1 = k1 G и P2 = k2 G соответственно, где k1 и k2 - постоянные. Мощность света на фотоприемнике в рассматриваемой схеме ВОГ имеет вид

P0 = P2 + K P1 G ,

где K - коэффициент передачи оптической схемы

ВОГ от входа к выходу.

Для контраста полезного сигнала можно записать соотношение

5 = KP1 G / (P2 + KP1 G) = k1 K G / (k1 K G + k2 ), из которого следует, что при достаточно большом усилении можно получить контраст, близкий к единице. Таким образом, шум излучения будет примерно таким же, как в минимальной схеме.

2. При оценке величины поляризационной подставки следует учитывать дихроизм оптического тракта источника [5].

3. Для того, чтобы избежать влияния друг на друга встречных световых пучков в активной среде, один из которых модулирован по ампли-

туде, необходимо выбирать достаточно высокую частоту модуляции.

4. В связи с тем, что эрбиевый усилитель насыщается уже при небольших мощностях света, можно ожидать зависимости G от измеряемой угловой скорости, поскольку от нее зависит средняя мощность света на выходе ВОГ. Эту зависимость можно исключить, применяя схему обработки выходного сигнала, в которой используется отношение гармоник, поскольку амплитуды всех гармоник одинаково зависят от G. С другой стороны, зависимость G(O) может быть использована для коррекции (линеаризации) выходной характеристики ВОГ в некоторых пределах.

Применение эрбиевых источников в традиционных оптических схемах повышает их технические и эксплуатационные характеристики. При невысоких требованиях к точности ВОГ в схеме (б) может быть исключен поляризатор [6]. При широкополосном слабополяризованном источнике максимальная величина поляризационной подставки в этой схеме определяется степенью остаточной поляризации излучения. По сравнению с предыдущей схемой она увеличивается в 1/п раз, где п -коэффициент экстинкции поляризатора по амплитуде.

Схема ВОГ с изотропным контуром и деполяризатором Лайота становится менее критичной к выбору длин волоконных отрезков благодаря «гладкой» функции когерентности источника (отсутствию спектральной модуляции).

Пороговая чувствительность ВОГ

Пороговая чувствительность ВОГ (минимально обнаружимая угловая скорость) ограничена шумами на выходе из-за ряда физических факторов. При регистрации выходного сигнала ВОГ на частоте гармоник вспомогательной модуляции в области фурье-частот f > 10 кГц шум на выходе фотоприемника ВОГ может быть в большинстве реальных ситуаций охарактеризован постоянной спектральной плотностью интенсивности флуктуации напряжения электрического сигнала Su f) = const (белый гауссов шум).

При регистрации сигнала на первой гармонике модуляции пороговая чувствительность может быть рассчитана по формуле

О (1,т) 11 + J0

Ц,ш(10) =-

^0С

5 J1 2nLD

х[ B(— +

Х2

2kT

2~2

+

ei,

Pq 2cAX RPs2q2 P2q2

)]

1/2

X

CoPm

12

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007