ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП (ВАРИАНТЫ)
SEMICONDUCTOR LASER GYROSCOPE (VERSIONS)

Изобретение - полупроводниковый лазерный гироскоп (далее - ПЛГ) - относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при создании твердотельных лазерных гироскопов.
Как известно, лазерные гироскопы на основе эффекта Саньяка позволяют измерять угловую скорость вращения подвижных объектов. Они используются в системах различного назначения, в том числе в навигации и автоматическом управлении движением, для индикации поворотов транспортных средств и во многих других применениях.
Длительное время единственным типом лазерных гироскопов оставался He-Ne-гироскоп, представляющий собой весьма сложное и дорогостоящее устройство, имеющее ряд недостатков, среди которых сравнительно небольшая надежность и долговечность, а также высокая стоимость.
Наиболее близким к заявленному гироскопу является твердотельный лазерный гироскоп (пат. РФ №90895, от 20.01.2010). Устройство содержит задающий лазер и кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, устройства ввода/вывода оптического излучения и электронной системы (блока).
При этом задающий лазер и кольцевой лазер образуют пару «задающий и ведомый лазеры», в качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения. Используется инжекция излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизация накачки обоих лазеров. Устройство ввода/вывода оптического излучения выполнено с использованием управляемого интегрально-оптического фазового модулятора. Система обработки сигнала, входящая в состав электронного блока, включает устройство высокоскоростной системы обратной связи, связанной с управляемым интегрально-оптическим фазовым модулятором.
Таким образом, указанный гироскоп имеет весьма сложную конструкцию, что в свою очередь является причиной высокой трудоемкости его изготовления и, соответственно, его большой стоимости.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции гироскопа как в части оптической схемы, так и в части системы обработки сигнала, следствием чего является снижение стоимости ПЛГ.
Указанный технический результат согласно первому варианту достигается тем, что полупроводниковый лазерный гироскоп (ПЛГ) включает кольцевой лазер, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора, выполненного из смотанного в многовитковую катушку световода, электронную систему, два фотоприемника, волоконно-оптический разветвитель, имеющий четыре оптических порта, первый из которых соединен с одним из двух оптических портов ПОУ, второй - со световодом, первый и второй порты являются частью кольцевого резонатора, а третий и четвертый порты соединены с фотоприемниками, электронная система выполнена таким образом, что обеспечивает возбуждение ПОУ током на межмодовой частоте ν=c/Ln, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода и n - показатель преломления материала световода в вакууме.
Целесообразно, чтобы электронная система включала блоки импульсного возбуждения ПОУ, термостабилизации, обработки сигнала (фототока) и определения направления и скорости углового вращения.
Целесообразно наличие управляемого оптического переключателя типа «2×2», соединенного двумя входными оптическими портами с двумя оптическими портами ПОУ, а двумя выходными портами - со световодом и устройством вывода оптического излучения.
1
2
1
2
Указанный технический результат согласно второму варианту достигается тем, что полупроводниковый лазерный гироскоп (ПЛГ) включает кольцевой лазер, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора, выполненного из смотанного в многовитковую катушку световода, разделенного на две части L и L, между которыми встроен ПОУ, фотоприемник и электронную систему, два волоконно-оптических разветвителя, один из волоконно-оптических разветвителей имеет оптические порты, первый из которых соединен с одним из двух оптических портов ПОУ, второй - со световодом, второй волоконно-оптический разветвитель выполнен с тремя портами, выходной из которых соединен с фотоприемником, первый волоконно-оптический разветвитель третьим и четвертым портами соединен с первым и вторым входами второго волоконно-оптического разветвителя; два оптических порта первого волоконно-оптического разветвителя, соединенные со световодом, являются частью кольцевого резонатора; электронная система выполнена таким образом, что обеспечивает возбуждение ПОУ током на межмодовой частоте ν=c/(L+L)n, где c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления световода в вакууме.
Целесообразно, чтобы электронная система включала блоки импульсного возбуждения ПОУ, термостабилизации, обработки сигнала (фототока) и определения направления и скорости углового вращения.
Целесообразно наличие управляемого оптического переключателя типа «2×2», соединенного двумя входными оптическими портами с двумя оптическими портами ПОУ, а двумя выходными портами - со световодом и устройством вывода оптического излучения.
Описание гироскопа поясняется примерами его осуществления и чертежами. На чертежах представлены:
Фиг.1 - блок-схема первого варианта ПЛГ с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух фотоприемников;
Фиг.2а и 2б - экспериментальные результаты измерения угловой скорости вращения, полученные с помощью устройства по Фиг.1;
Фиг.3 - блок-схема ПЛГ второго варианта ПЛГ с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью одного фотоприемника;
Фиг.4 - блок-схема ПЛГ первого варианта по п.3 формулы изобретения с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух фотоприемников и использованием управляемого оптического переключателя «2×2»;
Фиг.5 - блок-схема ПЛГ второго варианта по п.7 формулы изобретения с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью одного фотоприемника и использованием управляемого оптического переключателя «2×2».
На Фиг.1 приведена блок-схема первого варианта предлагаемой полезной модели - полупроводникового лазерного гироскопа (ПЛГ). ПЛГ 10 содержит следующие компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 1, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2 и кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 3, волоконно-оптический разветвитель 4, фотоприемники 5 и 6 и электронную систему 7.
В качестве активного элемента используется ПОУ 2, представляющий собой гетероструктуру InGaAsP/InP. ПОУ 2 имеет два оптических порта 2а и 2b, выполненные в виде световодов, а также элемент Пельтье для поддержания стабильной температуры гетероструктуры InGaAsP/InP и термосопротивления (на Фиг.1 не показаны).
Сохраняющий поляризацию одномодовый световод 3 смотан в катушку радиусом R=5 см; длина световода L=200 м; два конца световода 3 обозначены на блок-схеме рассматриваемого устройства как 3а и 3b.
Волоконно-оптический разветвитель 4 является элементом кольцевого резонатора, а также служит для вывода части мощности двух циркулирующих волн к фотоприемникам 5 и 6. Разветвитель 4 - стандартный одномодовый сплавной разветвитель конфигурации «2×2»; он имеет четыре оптических порта. Первым и вторым портами - портами 4а и 4b - соединен соответственно с портом 2а ПОУ2 и с концом световотода 3b. Используются сварные соединения 9.
1
2
В результате образуется кольцевой лазер, в резонаторе которого навстречу друг другу циркулируют две волны - волна 11 против направления хода часовой стрелки, а волна 12 - по направлению хода часовой стрелки. Интенсивности циркулирующих волн определяются направлением и скоростью углового вращения; обозначим их соответственно как I(Ω) и I(Ω), где Ω - угловая скорость вращения объекта, в (на) котором размещен данный ПЛГ.
1
2
Два других порта 4с и 4d разветвителя 4 служат для вывода части мощности двух циркулирующих волн 11 и 12 к фотоприемникам 5 и 6; на Фиг.1 выводимые волны обозначены как 11' и 12'; их интенсивности, соответственно, есть αI(Ω) и αI(Ω), где α - коэффициент передачи разветвителя 4.
1
2
Фотоприемники (ФП) 5 и 6 служат для преобразования оптической мощности каждой из выводимых волн в электрические сигналы, их усиления и преобразования в напряжение. Фотоприемники включают германиевые фотодиоды (ФД) и стандартные устройства - усилители фототока, преобразующие также фототок в напряжение. При этом сигналы на выходах двух фотоприемников U и U есть:
1
2
где η и η - произведение квантовой эффективности используемых ФД на коэффициент преобразования фототока в напряжение.
Электронная система 7 включает блок питания 13, блок термостабилизации 14, АЦП 15, блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16.
Блок питания 13 используются для импульсного возбуждения (накачки) ПОУ 2 с помощью тока на межмодовой частоте ν=c/Ln, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода в вакууме и n - показатель преломления световода. Частота ν=c/Ln, как известно, является частотным интервалом между соседними модами кольцевого лазера с длиной резонатора L. В рассматриваемом устройстве частота ν составляет 1,0 МГц.
1
2
Устройство 14 используется для термостабилизации ПОУ 2. Двухканальное АЦП 15 преобразует сигналы U и U в цифровой формат.
Блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16 - цифровое вычислительное устройство, оснащенное соответствующим программным обеспечением, памятью и средствами отображения и вывода результата (информации). Результатом работы устройства 16 является определение направления и величины угловой скорости вращения Ω объекта, в которой размещен описываемый ПЛГ. В качестве цифрового вычислительного устройства 16 может использоваться ПК (персональный компьютер).
1
2
Алгоритм определения направления и величины скорости вращения Ω в устройстве 16 заключается сначала в вычислении отношения разности и суммы двух сигналов U и U, т.е. величины
которое с учетом (1) есть:
Следующим шагом обработки сигнала является, собственно, определение направления и величины скорости вращения Ω:
где K(Ω) - калибровочная функция, содержащаяся в памяти ПК, причем направление вращения определяет знак величины (4).
Реальность осуществления данной полезной модели доказывают представляемые ниже результаты, полученные с помощью созданного экспериментального образца ПЛГ 10. В экспериментах экспериментальный образец - все устройство кроме ПК, используемого в качестве блока обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16 - был размещен на столе, который мог вращаться в противоположных направлениях с угловой скоростью Ω=4°/c (угловых градуса в секунду).
На Фиг.2а и 2б приведены результаты экспериментов - картины с экрана монитора ПК. В данных экспериментах в течение коротких моментов времени задавалось вращение со скоростью Ω=4°/c сначала в направлении по ходу часовой стрелки, а затем в противоположном направлении. На обеих фигурах Фиг.2а и 2б вращению по ходу часовой стрелки соответствуют импульсы «положительной полярности», вращению против хода часовой стрелки - импульсы «отрицательной полярности» и состоянию покоя - горизонтальные участки эпюр.
Таким образом, полученные в ходе экспериментального исследования результаты показывают реальность осуществления предлагаемого ПЛГ, позволяющего определять направление и величину скорости углового вращения.
Вместе с тем очевидно, что данное устройство имеет существенно более простую конструкцию по сравнению с устройством-прототипом, так как не содержит задающего одночастотного лазера, длина волны которого должна совпадать с центром эмиссии ПОУ, а время генерации точно синхронизироваться с моментом накачки ПОУ. Нет также необходимости в управляемом интегрально-оптическом фазовом модуляторе - вместо него используется простой разветвитель «2×2».
Кардинально проще также становится система обработки сигнала, включающая программные средства для обеспечения работы цифрового вычислительного устройства. Нет необходимости также в использовании петли обратной связи, связывающей выходной сигнал с напряжением, подаваемым на фазовый модулятор, и удерживающей на постоянном уровне сигнал на выходе измерительной системы - теперь достаточно просто измерять изменения интенсивностей выводимых волн, а направление и величину угловой скорости вращения определять по знаку и величине этих изменений.
Все эти факторы, существенно упрощающие конструкцию ПЛГ и делающие его более простым и дешевым по сравнению с прототипом, свидетельствуют о достижении заявляемого технического результата.
На Фиг.3 приведена блок-схема второго варианта предлагаемого устройства, ПЛГ 20. Отличие данного варианта ПЛГ от устройства 10 в том, что здесь измерения производятся с помощью не двух фотоприемников, а только одного.
ПЛГ 20 содержит следующие функциональные компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 21, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2 и кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 23, два волоконно-оптических разветвителя 24 и 25, оба конфигурации «2×2», фотоприемник 26 и электронную систему 27.
Используемый ПОУ идентичен ПОУ 2, описанному выше, это также гетероструктура InGaAsP/InP с двумя оптическими портами 2а и 2b. ПОУ имеет два оптических порта 2а и 2b, выполненные в виде световодов, а также элемент Пельтье и термодатчик.
1
2
Сохраняющий поляризацию одномодовый световод 23 смотан в катушку радиусом R=5 см и при этом разделен на две части: 23-1 и 23-2, длиной, соответственно, L=50 м и L=150 м, обе смотанные на общую бобину радиусом R=5 см.
Волоконно-оптический разветвитель 24 является частью кольцевого резонатора, а также совместно с разветвителем 25 служит для вывода части мощности двух циркулирующих волн к фотоприемнику 26.
ПОУ 2 оптическим портом 2а соединен с концом 23-2-b световода 23-2, а портом 2b - с концом 23-1-b световода 23-1. Концом 23-2-а световод 23-2 соединен с портом 24b разветвителя 24, концом 23-1-а световод 23-1 соединен с портом 24а разветвителя 24.
Таким образом, ПОУ 2 встроен между двумя частями световода 23 - световодами 23-1 и 23-2 - и является частью кольцевого резонатора, в результате чего навстречу друг другу в кольцевом резонаторе циркулируют две волны 11 и 12 - волна 11 циркулирует против направления хода часовой стрелки, а волна 12 - по направлению хода часовой стрелки.
Разветвитель 24 двумя портами 24с и 24d соединен с двумя портами разветвителя 25 - портами 25а и 25b. Один из других двух портов 25с предназначен для вывода части мощности двух циркулирующих волн 11 и 12 к фотоприемнику 26.
1
2
Фотоприемник (ФП) 26 используется для преобразования оптической мощности каждой из выводимых волн в электрические сигналы, их усиления и преобразования в напряжение. Фотоприемник 26 включает германиевый фотодиод (ФД) и стандартное устройство - усилитель фототока, преобразующий также фототок в напряжение. При этом сигналы на выходе ФП 26 U и U, соответствующие двум выводимым волнам, есть:
где α - коэффициент передачи двух разветвителей 24 и 25 и η - произведение квантовой эффективности ФП 26 на коэффициент преобразования фототока в напряжение.
Электронная система 27 включает блок питания 29, блок термостабилизации 14, АЦП 15, блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 31.
В рассматриваемом устройстве длины световодов 23-1 и 23-2 заданы таким образом, что обеспечивают поочередный пробег циркулирующих волн 11 и 12 через разветвитель 24 и, соответственно, поочередный вывод двух волн по одному тракту к ФП 26.
1
2
Устройство питания 29 используется для накачки ПОУ 2 с помощью тока на межмодовой частоте ν=c/(L+L)n=1,0 МГц и длительностью импульсов  мкс.
1
2
В данном случае частота накачки также равна межмодовой частоте кольцевого лазера ν=c/(L+L)n. Можно видеть также, что так как время пробега каждой из циркулирующих волн от ПОУ до устройства вывода различное, то волны поочередно поступают на фотоприемник. Так как длительность каждой из волн τ=0,5 мкс малая, то при этом выводимые волны не перекрываются во времени.
Устройство термостабилизации ПОУ 6 - то же самое, что применяется в ПЛГ 10.
Блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 27 - цифровое вычислительное устройство, оснащенное соответствующим программным обеспечением, памятью и средствами отображения и вывода результата (информации). В качестве цифрового вычислительного блока 27 может использоваться ПК.
1
2
Блок 27 служит для определение направления и величины угловой скорости вращения Ω объекта, на/в котором установлено данное устройство. Используется один канал преобразования АЦП 15, с помощью которого последовательно оцифровываются оба сигнала (фототока) U и U, которые далее вводятся в блок 27.
Вычисление в данном варианте угловой скорости Ω вращения производится в соответствии с выражением
при этом знак вычисляемой величины Ω определяет направление вращения - по или против направления хода часовой стрелки.
Очевидно, что рассмотренный вариант также существенно упрощает конструкцию ПЛГ, делая его более простым и дешевым по сравнению с прототипом. Данное устройство имеет существенно более простую конструкцию по сравнению с устройством-прототипом, так как не содержит задающего одночастотного лазера, длина волны которого должна совпадать с центром эмиссии ПОУ, а время генерации точно синхронизироваться с моментом накачки ПОУ. Нет также необходимости в управляемом интегрально-оптическом фазовом модуляторе - вместо него используется простой разветвитель «2×2».
Кардинально проще также становится система обработки сигнала, включающая программные средства для обеспечения работы цифрового вычислительного устройства. Нет необходимости также в использовании петли обратной связи, связывающей выходной сигнал с напряжением, подаваемым на фазовый модулятор, и удерживающей на постоянном уровне сигнал на выходе измерительной системы, - теперь достаточно просто измерять изменения интенсивностей выводимых волн, а направление и величину угловой скорости вращения определять по знаку и величине этих изменений.
Все эти факторы, существенно упрощающие конструкцию ПЛГ и делающие его более простым и дешевым по сравнению с прототипом, свидетельствуют о достижении заявляемого технического результата. Кроме того, в данном варианте определяемая величина Ω не зависит от квантовой эффективности η, а следовательно, исключается возможность дрейфа этого параметра, что означает более высокую точность измерений величины угловой скорости вращения, обеспечиваемую данным устройством по сравнению с ПЛГ 10.
Возможность устранения «дрейфа нуля», причиной которого является ПОУ, основана на экспериментальных исследованиях ПОУ. Из анализа полученных результатов следует, что интенсивности циркулирующих волн имеют вид
где  - интенсивности циркулирующих волн в отсутствие «невзаимности» в ПОУ, а  - поправки, учитывающие эту «невзаимность».
Если изменить схему пробега волн таким образом, чтобы обе волны пробегали по кольцу-световоду в прежних направлениях, а через ПОУ - в противоположных, то интенсивности волн имели бы следующие новые значения:
Тогда, комбинируя (складывая) сигналы  и  можно было бы исключить «невзаимность» и «дрейф нуля», связанные с ПОУ:
Таким образом, возможность исключения «дрейфа нуля» связана с изменением конструкции ПЛГ таким образом, чтобы имелась возможность периодически изменять направление пробега для циркулирующих волн через ПОУ. Это осуществляется в описываемом ниже варианте предлагаемого устройства - ПЛГ 30 - с использованием управляемого оптического переключателя «2×2» (далее - оптический переключатель).
Блок-схема ПЛГ 30 приведена на Фиг.4 и построена, как можно видеть, на основе ПЛГ 10. ПЛГ 30 содержит следующие функциональные компоненты: полупроводниковый кольцевой лазер (ПКЛ) 32, включающий ПОУ 2, оптический переключатель 33, световод 3, волоконно-оптический разветвитель 4, фотоприемники 5 и 6, электронную систему 7 и контроллер 34 для управления работой оптического переключателя 33.
Оптический переключатель 33 представляет собой электроуправляемое оптическое устройство, которое позволяет коммутировать входные и выходные порты. Оно имеет два входных порта 33а, 33b и два выходных порта 33с, 33d, все в виде одномодовых световодов. По управляющему сигналу, подаваемому от контроллера 34, входные и выходные порты могут соединяться попарно либо напрямую или перекрестным образом, т.е. могут соединяться либо порты (33a, 33c) и (33b, 33d) или порты (33a, 33d) и (33b, 33c).
С помощью сварных соединений 9 оптический переключатель 32 входными портами 33a и 33b связан с портами 2a и 2b ПОУ, а двумя выходными портами 33c и 33d - c первым концом 3a световода и с выводом 4а волоконно-оптического разветвителя 4.
Устройство и работа используемых элементов - световода 3 длиной 200 м, разветвителя 4, фотоприемников 5 и 6, электронной системы 7 - аналогичны используемым в устройстве 10. Частота переключения F=100 Гц, подаваемая от контроллера 34 на оптический переключатель 33, при этом относительно небольшая - много меньше частоты ν.
Соответственно этому интервалы времени, соответствующие четным полупериодам F, циркулируют волны с интенсивностями , а в нечетные полупериоды - волны с интенсивностями .
В устройстве обработки сигнала 16 производится сначала попарное сложение сигналов (фототока), пропорциональных интенсивностям  и , то есть вычисляются величины
с помощью которых затем определяется угловая скорость вращения:
Блок-схема ПЛГ 40 с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух ФП и построенного на основе ПЛГ 30 приведена на Фиг.5. Данный вариант имеет преимущество перед только что рассмотренным вариантом, так как здесь одновременно устраняются два фактора - нестабильность масштабного коэффициента и «дрейф нуля».
ПЛГ 40 содержит следующие функциональные компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 41, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2, оптического переключателя 33, кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 23, два волоконно-оптических разветвителя 24 и 25, оба конфигурации «2×2», фотоприемник 26, электронную систему 27 и контроллер 34 для управления работой оптического переключателя 33.
Управляемый оптический переключатель 33 соединен двумя входными портами 33a и 33b с двумя портами ПОУ 2a и 2b, а двумя выходными портами 33c и 33d - c концом 23-2-b световода 23-2 и с концом 23-1-b световода 23-1.
1
2
Устройство и работа используемых элементов - световода 23, состоящего из двух частей 23-1 и 23-2 с длинами L=50 м и L=150 м, обе части смотанные на общую бобину радиусом R=5 см, и с размещением ПОУ между двух данных частей, разветвителей 24 и 25, фотоприемника 26, электронной системы 27 - эти элементы фактически те же самые, что в устройстве 30.
Так как в рассматриваемом устройстве длины световодов 23-1 и 23-2 также точно определены, то это обеспечивает поочередный пробег циркулирующих волн 11 и 12 через разветвитель 24 и, соответственно, поочередный вывод двух волн к фотоприемнику 26.
1
2
Устройство питания 29 используется для накачки с помощью тока с частотой повторения ν=c/(L+L)n=1,0 МГц и длительностью импульсов  мкс; как следствие, циркулирующие волны поочередно выводятся к фотоприемнику, поочередно обрабатываются АЦП и направляются для последующей обработки в электронную систему 27.
Оптический переключатель 33 и контроллер 34 идентичны используемым в устройстве 30. При этом частота переключения F=100 Гц оптического переключателя 33 снова много меньше частоты ν.
Таким образом, устройство 40 позволяет компенсировать как дрейф параметра используемого фотоприемника, так и «невзаимность» циркулирующих в кольцевом лазере волн.
1
2
Описанные варианты ПЛГ поясняют принцип работы изобретения, при этом конкретные числовые параметры - длины световодов L, L и L, частоты ν и длительности импульсов накачки τ - приведены в качестве примеров, иллюстрирующих изложение. Выбор конкретного варианта ПЛГ будет определяться назначением и требуемой чувствительностью лазерного гироскопа, трудоемкостью и ценой изготовления.
Литература
1. Сахаров В.К. и Дураев В.П. Твердотельный лазерный гироскоп. Патент РФ №90895.