Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп
INTERFEROMETRIC FIBER-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при создании волоконно-оптических гироскопов для измерения угловой скорости вращения и служит для навигации и гиростабилизации.
Известно устройство, волоконно-оптический гироскоп, патент РФ № 2589450, G01C 19/72, от 10.07.2016, содержащий оптически соединенные источник излучения, поляризатор, входной ответвитель, интегрально-оптическую схему, содержащую поляризатор, ответвитель и фазовый модулятор, соединенную с волоконным контуром. Входной ответвитель соединен с двумя фотоприемниками, передающими сигналы в электронную схему обработки информации, управляющий выход которой соединен с управляющим входом интегрально-оптической схемы.
Недостатком известного решения является ошибка глубины фазовой модуляции между оптическими пучками, распространяющимися в волоконно-оптическом контуре во встречных направлениях из-за того, что фазовые модуляторы в один и тот же момент времени подвергаются воздействию разных внешних воздействующих факторов, таких, как температура, влажность, давление, вибрация и т.д., так как разнесены в пространстве в электрооптическом кристалле, на котором собрана интегрально-оптическая схема. Поскольку заряды, образовавшиеся на поверхности кристалла из-за пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, неравномерно распределяются по поверхности интегрально-оптической схемы и перераспределяются за время меньшее, чем время прохождения оптического сигнала по волоконно-оптическому контуру, разнесение модуляторов в пространстве обуславливает паразитный набег фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа, что понижает точность измерений угловой скорости вращения.
Известно устройство, неинтерферометрический оптический гироскоп на основе изменения поляризации, патент US 2015/0345950 A1, Int. Cl. GOIC 9/72, GOIJ 4/04, U.S. Cl CPC G0IC 19/721; G0IJ 4/04, от 3.12.2015, содержащий оптически соединенные линейнополяризованный источник оптического излучения, оптический элемент, выделяющий из входного оптического излучения два линейно поляризованных взаимно ортогональных оптических сигнала и направляющих их в разные выходные порты, волоконно-оптический контур и анализатор поляризации.
Недостатком известного решения является отсутствие возможности создания фазомодулированной несущей оптического сигнала, в результате чего точность измерений волоконно-оптического гироскопа ограничена качеством изготовления используемых оптических компонентов.
Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, интерферометрический волоконно-оптический гироскоп [Lefevre H. C. et al. Integrated optics: A practical solution for the fiber-optic gyroscope //Fiber Optic Gyros: 10th Anniversary Conf. – International Society for Optics and Photonics, публ. 11.03.1987. – Т. 719. – С. 101-112.], котороевключает оптически соединенныеширокополосный источник излучения, X-ответвитель,интегрально-оптическую схему, построенную на электрооптическом кристалле и включающую поляризатор, Y-ответвитель и два фазовых модулятора, включающих два волновода (плечи Y-ответвителя) и сформированныес помощью трех электродов (один из них расположен между плечами Y-ответвителя, два – с внешних сторон этих плеч). За счет разницы в подаваемом на них напряжении с частотой, превышающей собственную частоту интерферометра Саньяка в два раза, происходит модуляция фазы оптического излучения, распространяющегося по волоконно-оптическому контуру во встречных направлениях.  Интегрально-оптическая схема оптически соединена с волоконно-оптическим контуром, а X-ответвитель соединен с управляющей платой, включающей последовательно соединенные фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство, управляющий выход которого соединен через цифро-аналоговый преобразователь с управляющим входом интегрально-оптической схемы.
Недостатком
данного устройства являетсяошибка глубины фазовой модуляции между оптическими пучками, распространяющимися в волоконно-оптическом контуре во встречных направлениях из-за того, что фазовые модуляторы в один и тот же момент времени подвергаются воздействию разных внешних воздействующих факторов, таких, как температура, влажность, давление, вибрация и т.д., так как разнесены в пространстве в электрооптическом кристалле, на котором собрана интегрально-оптическая схема. Поскольку заряды, образовавшиеся на поверхности кристалла из-за пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, неравномерно распределяются по поверхности интегрально-оптической схемы, разнесение модуляторов в пространстве обуславливает паразитный набег фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа, что понижает точность измерений угловой скорости вращения.
Задача, решаемая заявляемым изобретением,
состоит в повышении точности измерения угловой скорости вращения волоконно-оптическим гироскопом за счет снижения влияния пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов в электрооптическом кристалле, входящем в состав интегрально-оптической схемы, т.е. исключения паразитного набега фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа.
Поставленная задача решается следующим образом.
В интерферометрическом волоконно-оптическом гироскопе, содержащем оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения, X-ответвитель, интегрально-оптическую схему, двулучепреломляющий Y-ответвитель, а также волоконно-оптический контур из двулучепреломляющего оптического волокна, при этом,  интегрально-оптическая схема построена на электрооптическом кристалле, внутри которого сформирован волновод, а на поверхности электрооптического кристалла, образуя модулятор, закреплены, размещенные по обеим сторонам от волновода два электрода, соединенные с управляющим выходом управляющей платы, широкополосный источник оптического  излучения оптически соединен с первым портом X-ответвителя, третий порт X-ответвителя оптически затерминирован, четвертый порт X-ответвителясоединен с входом управляющей платы, включающей последовательно соединенные фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство и цифро-аналоговый преобразователь, выход управляющей платы соединен с электродами интегрально-оптической схемы, которая представляет собой модулятор двулучепреломления, включающий двулучепреломляющий волновод, двулучепреломляющий Y-ответвитель расположен  между интегрально-оптической схемой и волоконно-оптическим контуром, второй порт  X-ответвителя оптически соединен с первым портом первого линейного поляризатора, второй порт первого линейного поляризатора оптически соединен с первым портом интегрально-оптической схемы, причем ось пропускания первого линейного поляризатора сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волновода интегрально-оптический схемы,второй порт интегрально-оптической схемы оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с первым портом двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт которого оптически соединен с первым портом второго поляризатора, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт второго линейного поляризатора оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром, а третий порт волоконного двулучепреломляющего Y-ответвителя оптически соединен с первым портом третьего линейного поляризатора, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт третьего линейного поляризатора оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром.
При наличии флуктуаций оптической мощности источника для их компенсации целесообразно присоединить к третьему порту X-ответвителя дополнительный фотоприемник. Для этого необходимо, чтобы излучение источника оптического излучения было линейно поляризовано, а X-ответвитель был двулучепреломляющим. При этом, ось двулучепреломления первого порта X-ответвителя и ось пропускания первого линейного поляризатора должны быть согласованы с поляризацией излучения источника.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Излучение источника широкополосного оптического излучения, пройдя через Х-ответвитель и первый поляризатор, распространяется только по одной оси двулучепреломления волокна. Для фазовой модуляции в данном случае важно наличие двух волн, поскольку нужно зафиксировать набег фаз между ними. Перераспределить излучение по двум волнам так, чтобы они распространялись по одному волокну без взаимодействия и имели разные электрооптические коэффициенты в электрооптическом кристалле интегрально-оптической схемы, можно, разведя излучение по разным осям двулучепреломления (поляризационным модам). Для этого в заявляемом устройстве ось пропускания первого линейного поляризатора сориентирована под 45° относительно осей двулучепреломления двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы.
В интегрально-оптической схеме две волны распространяются по одному волноводу, то есть не разнесены в пространстве, а значит, неравномерное распределение заряда, вызванное пьезоэлектрическим и пироэлектрическим эффектами, влияет на фазу каждой из волн практически одинаково, то есть набег фаз за счет данных эффектов мал и пропорционален разности электрооптических коэффициентов, а не случаен. Также в интегрально-оптической схеме, благодаря приложенному напряжению волны приобретают модулирующий набег фаз, пропорциональный разнице электрооптических коэффициентов в кристалле по направлениям, вдоль которых поляризованы волны. Далее эти волны нужно разделить для встречного прохождения по волоконно-оптическому контуру, сохранив каждую из них.
Поскольку в интегрально-оптической схеме используется двулучепреломляющий волновод, для разделения волн используется двулучепреломляющий Y-ответвитель. Он делит излучение в каждой оси двулучепреломления по интенсивности в соотношении порядка 50/50, сохраняя в каждом из выходных портов обе поляризационные моды.
Для выделения волны, распространяющейся по медленной оси двулучепреломления Y-ответвителя (на фиг.1 данная волна распространяется по волоконно-оптическому контуру по часовой стрелке), используется второй линейный поляризатор, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления Y-ответвителя и волоконно-оптического контура. Для выделения поляризационной моды, распространяющейся по быстрой оси двулучепреломления Y-ответвителя (на фиг.1 данная волна распространяется по волоконно-оптическомуконтуру против часовой стрелки), используется третий линейный поляризатор, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломления Y-ответвителя и с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура. Таким образом, волна, распространявшаяся по быстрой оси двулучепреломления Y-ответвителя, переходит в медленную ось двулучепреломления волоконно-оптического контура.
Совмещение оси пропускания третьего линейного поляризатора с быстрой осью двулучепреломления Y-ответвителя и с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура также понадобится для изменения поляризационной моды волны, распространявшейся по волоконно-оптическому контуру по часовой стрелке, на ортогональную ей. Тогда эта волна и волна, распространявшаяся по волоконно-оптическому контуру против часовой стрелки и прошедшая через поляризатор без изменений, после выхода из двулучепреломляющего ответвителя будут распространяться по одному волокну, но в ортогональных осях двулучепреломления, не интерферируя.
При обратном прохождении излучения через интегрально-оптическую схему, модулирующий набег фаз удваивается, а связанный с разницей в скоростях распространения набег фаз компенсируется. На выходе из интегрально-оптической схемы, благодаря соединению волновода и первого линейного поляризатора, оси двулучепреломления и пропускания которых сориентированы под углом 45°, происходит перераспределение излучения по поляризационным модам, в частности, по 50% излучения от каждой поляризационной моды теперь распространяются по каждой оси двулучепреломления волокна. Поляризатор пропускает излучения только по согласованной оси двулучепреломления, происходит интерференция.
)
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2, где на фиг.1 представлена схема заявляемого волоконно-оптического гироскопа, а на фиг.2 - схема интегрально-оптической схемы соответственно.
Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения 1, X-ответвитель 2, интегрально-оптическую схему 3, двулучепреломляющий Y-ответвитель 4, а также волоконно-оптический контур 5 из двулучепреломляющего оптического волокна, при этом,  интегрально-оптическая схема 3 построена на электрооптическом кристалле 6, внутри которого сформирован двулучепреломляющий волновод 7, а также  модулятор, сформированный с помощью электродов 8, закрепленных на поверхности интегрально-оптической схемы 3 по обеим сторонам от волновода 7, широкополосный источник оптического  излучения 1 оптически соединен с первым портом X-ответвителя 2, третий порт X-ответвителя оптически затерминирован, четвертый порт X-ответвителя 2соединен с входом управляющей платы 9, включающей последовательно соединенные фотоприемник 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетно-анализирующее устройство 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13, выход управляющей платы 9 соединен с электродами 8 интегрально-оптической схемы 3, котораяпредставляет собой модулятор двулучепреломления, (включающий двулучепреломляющий волновод 7), а двулучепреломляющий Y-ответвитель 4 расположен  между интегрально-оптической схемой 3 и волоконно-оптическим контуром 5, второй порт  X-ответвителя 2 оптически соединен с первым портом первого линейного поляризатора 14, , второй порт первого линейного поляризатора 14 оптически соединен с первым портом интегрально-оптической схемы 3, причем ось пропускания первого линейного поляризатора 14 сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптический схемы 3,второй порт интегрально-оптической схемы 3 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с первым портом двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт которого оптически соединен с первым портом второго поляризатора 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт второго линейного поляризатора 15 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром 5, а третий порт волоконного двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 оптически соединен с первым портом третьего линейного поляризатора 16, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт третьего линейного поляризатора 16 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром 5.
.
Устройство работает следующим образом. Из широкополосного источника 1 оптическое излучение попадает в первый порт X-ответвителя 2, где делится по интенсивности и уходит в оптический терминатор. Излучение, выходящее из второго порта X-ответвителя 2, проходит через линейный поляризатор 14, ось пропускания которого сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волноводаПоскольку ось пропускания первого линейного поляризатора 14 сориентирована под 45° относительно оси двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптической схемы 3, излучение в интегрально-оптической схеме 3 распространяется как по медленной, так и по быстрой оси двулучепреломляющего волновода 7.
Далее излучение заходит в первый порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4. Там излучение делится по интенсивности. Часть излучения выходит из второго порта и проходит через второй линейный поляризатор 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя. Поскольку линейный поляризатор 15 оптически соединен с волоконно-оптическим контуром 5 с выставлением осей двулучепреломления, линейно поляризованное излучение попадает в волоконно-оптический контур 5 и распространяется по часовой стрелке.
Часть излучения, выходящая из третьего порта двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, проходит через третий линейный поляризатор 16. Поскольку, ось пропускания линейного поляризатора 16 совпадает с быстрой осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 и с медленной осью волоконно-оптического контура 5, волны меняют свою ориентацию на ортогональную, а излучение, распространявшееся в Y-ответвителе 4 по медленной оси, отсекается линейным поляризатором 16. Таким образом, излучение, распространявшееся по быстрой оси в Y-ответвителе 4 и вышедшее через третий порт этого Y-ответвителя, распространяется в волоконно-оптическом контуре 5 по медленной оси против часовой стрелки.
Выходящие из волоконно-оптического контура 5 волны приобретают набег фаз, пропорциональный угловой скорости вращения волоконно-оптического контура.
Излучение, распространявшееся против часовой стрелки, выходит из волоконно-оптического контура 5 и проходит через линейный поляризатор 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура 5 и двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, без изменений и входит во второй порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4.
Излучение, распространявшееся по часовой стрелке, выходит из волоконно-оптического контура 5 и проходит через линейный поляризатор 16, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура 5 и с быстрой осью Y-ответвителя 4. Излучение поворачивается из медленной оси в быструю и проходит в третий порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4.
Из первого порта двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 излучение, распространяющееся по быстрой и по медленной осям, попадает в двулучепреломляющий волновод интегрально-оптической схемы 3. На электродах 8 устанавливается такое же по величине, но обратное по знаку напряжение. Теперь, проходя через интегрально-оптическую схему 3, набег фазы между волнами, которые распространяется по быстрой и медленной оси двулучепреломляющего волновода, связанный с разными электромагнитными коэффициентами удваивается, а набег фазы, связанный с разницей скоростей распространения по быстрой и по медленной осям в модуляторе двулучепреломления и в первом, втором и третьем портах Y-ответвителя 4, компенсируется.
После интегрально-оптической схемы 3 излучение проходит через первый линейный поляризатор 14. Поскольку ось пропускания этого поляризатора сориентирована под 45° относительно осей двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптической схемы 3, часть излучения, распространявшегося по быстрой оси двулучепреломления волновода и часть излучения, распространявшегося по медленной оси волновода, соединяются в одной оси пропускания линейного поляризатора 14 и интерферируют.
Линейно-поляризованное излучение подходит ко второму порту X-ответвителя 2, и через четвертый порт направляется на вход управляющей платы 9, где попадает в фотоприемник 10.
После фотоприемника 10 электрический сигнал, пропорциональный пришедшей на него оптической мощности, попадает в аналого-цифровой преобразователь 11, где сигнал преобразуется в цифровую форму. Далее сигнал попадает в счетно-анализирующее устройство 12, где рассчитывается набег фаз, приобретенный за прошедшую итерацию. Через цифро-аналоговый преобразователь 13 часть электрического сигнала направляется на выход управляющей платы 9 и подается на электроды 8 интегрально-оптической схемы 3, формируя обратную связь. Модулирующий набег фаз пересчитывается с учетом измеренных данных, выставляя в нужное положение рабочую точку интерференционной передаточной характеристики интерферометра Саньяка. Данные от каждой итерации учитываются в последующем анализе.
В качестве конкретного примера выполнения в качестве широкополосного источника 1 использован эрбиевый  суперлюминесцентный источник оптического излучения.
В качестве X-ответвителя был использован сплавнойX-ответвитель с центральной длиной волны 1550±20нм.
Интегрально-оптическая схема, которая выполняет функцию модулятора двулучепреломления и включает двулучепреломляющий волновод, сформированный методом диффузии титана в пластине из электрооптического кристалла ниобата лития, и размещенные на ней два металлических электрода, расположенных с двух сторон от волновода и соединенных с управляющей платой, включающей фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство и цифро-аналоговый преобразователь.
В качестве фотоприемника был использован фотодиодный модуль PDI-80-R50-H-5-SM3-FA фирмы «LasersCom».
Был использован аналого-цифровой преобразователь AD7986 фирмы «ANALOG DEVICES».
В качестве счетно-анализирующего устройства был использован вычислитель Cyclone IV Device фирмы «ALTERA».
Был использован цифро-аналоговый преобразователь AD5791 фирмы «ANALOG DEVICES».
Был использован сплавной Y-ответвитель с центральной длиной волны 1550±20нм, типом волокна «Panda» и с коэффициентом деления для медленной оси 0,49, а для быстрой оси 0,32.
Поляризаторы 14, 15 и 16 характеризуются волновым диапазоном 1550±30нм, максимальными вносимыми потерями 0.50дБ, минимальными обратными потерями 50дБ, согласованием с медленной осью двулучепреломления, размерами 50×3мм, двулучепреломляющим волокном с защитной оболочкой 900мкм и длиной 1м, максимальной оптической мощностью 500мВт, максимальной растягивающей нагрузкой 5Н, рабочим диапазоном температуры -5÷70°С и диапазоном температуры хранения -40÷85°С.
Между источником и первым линейным поляризатором, а также между X-ответвителем и фотоприемником для соединения используется изотропное волокно, в волоконно-оптическом контуре используется двулучепреломляющее волокно с эллиптической напрягающей оболочкой, а в остальных соединениях используется двулучепреломляющее волокно типа «Panda».
Ориентация оси пропускания первого поляризатора, относительно осей двулучепреломления двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы под 45° реализована с помощью стыковки двулучепреломляющего волокна первого поляризатора и двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы с ориентацией осей двулучепреломления под 45°. Совмещение оси пропускания третьего линейного поляризатора с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя и с медленной осью волоконно-оптического контура, реализовано с помощью сварного соединения волокон между Y-ответвителем и третьим линейным поляризатором с ориентацией под 90°.
Таким образом, заявляемое конструктивное решение, использующее модулятор двулучепреломления, обеспечивает распространение модулируемого излучения в двух осях двулучепреломления одного волновода, что обеспечивает снижение паразитных изменений фазы, вызванных неравномерным распределением зарядов по поверхности двулучепреломляющего кристалла, что уменьшает влияние пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, паразитное изменение фазовой модуляции, а значит, и ошибку в сигнале волоконно-оптического гироскопа, вызванную данным изменением, это обеспечивает повышение точности измерения угловой скорости вращения.
Кроме того, интегрально-оптическая схема заявляемого гироскопа требует только двух оптических соединений – одно через порт 1 с портом 2 первого поляризатора и одно через порт 2 с портом 1 Y-ответвителя, что обеспечивает упрощение сборки волоконно-оптического гироскопа.