ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Настоящая полезная модель относится к устройствам интегральной оптики, таким как волноводные каналы, разветвители, поляризаторы и модуляторы света, расположенные на единой подложке. Более конкретно, полезная модель относится к интегрально-оптическим модуляторам на подложке ниобата лития для волоконно-оптических гироскопов.
Интегрально-оптический модулятор является ключевым элементом волоконно-оптического гироскопа и выполняет следующие функции: поляризацию оптического излучения, разделение оптического сигнала на два канала, модуляцию фазы в каналах, пространственную фильтрацию и стыковку оптических каналов с волоконным контуром.
Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. заявка CN 104931036, МПК G01C 19/72, опубликована 23.09.2015), включающий прямоугольную пластину из ниобата лития, первый и второй оптические волноводы образующие первый Y-разветвитель, сформированный в пластине по продольной оси методом термической диффузии титана, второй Y-разветвитель одновременно выполняющий функцию поляризатора, сформированный в пластине по продольной оси методом протонного обмена и систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов.
Недостатком известного интегрально-оптического модулятора является то обстоятельство, что мода, поляризация которой не поддерживается протонно-обменными волноводами, вытекает из оптического волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных оптических сигналов в схемах регистрации сигнала. Известный модулятор имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения условия эксплуатации такого модулятора. Использование в конструкции известного интегрально-оптического модулятора Y-разветвителя, принципиально имеющего неустранимые оптические потери, приводит к увеличению интенсивности паразитного рассеянного света, распространяющегося сквозь пластину и попадающего в выходные каналы, что приводит к увеличению шумов и дрейфа волоконно-оптического гироскопа. Помимо этого, использование Y-разветвителя и поляризующих протонно-обменных волноводов ограничивает точность согласования оптических осей поддерживающего поляризацию оптического волокна, составляющего волоконный контур гироскопа, с плоскостью поляризации света в интегрально-оптическом модуляторе, так как не позволяет использовать для юстировки обоих выходов методы поляризационной интерферометрии.
Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. патент RU 2176803, МПК G02B 6/125, G02B 6/134, опубликован 10.12.2001), включающий пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Y-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси методом протонного обмена, систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов. Торцы пластины скошены в противоположные стороны под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношению:
;
c
где n - показатель преломления материала подложки,
Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки.
В известном интегрально-оптическом модуляторе использована пластина кристалла ниобата лития со скошенными под углом α передним и задним торцами, что исключает попадание на фотоприемник волоконно-оптического гироскопа обратно отраженных лучей. Оптические волноводы, сформированные в пластине методом протонного обмена, поддерживают распространение только одной поляризации света, являясь сами по себе поляризаторами, и поэтому не требуют включения в конструкцию дополнительные устройства для поляризации света. Однако мода, поляризация которой не поддерживается, вытекает из волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных сигналов. Использование Y-разветвителя, принципиально имеющего неустранимые оптические потери, приводит к увеличению интенсивности паразитного рассеянного света, распространяющегося сквозь пластину и попадающего в сигнальные волноводы, что приводит к увеличению шумов и к возникновению дрейфа волоконно-оптического гироскопа. Известный модулятор имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения на условия эксплуатации такого модулятора. Помимо этого, использование Y-разветвителя и поляризующих протонно-обменных волноводов ограничивает точность согласования оптических осей поддерживающего поляризацию оптического волокна, составляющего волоконный контур гироскопа с плоскостью поляризации света в интегрально-оптическом модуляторе, т.к. не позволяет использовать для юстировки обоих выходов методы поляризационной интерферометрии.
Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. заявка CN 1847929, МПК G01C 19/72, G02B 06/125, G02B 06/26, G02F 01/065, опубликован), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Интегрально-оптический модулятор, включающий прямоугольную пластину из ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие X-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси методом протонного обмена, систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов.
В отличие от Y-разветвителя, в котором используется принцип деления волнового фронта на два канала, в X-разветвителе используют деление амплитуды на два канала. В Х-разветвителе на порядок ниже интенсивность рассеянного в пластину света, что приводит к уменьшению уровня шумов. Оптические волноводы, сформированные в пластине методом протонного обмена, поддерживают распространение только одной поляризации света, являясь сами по себе поляризаторами, и поэтому не требуют включения в конструкцию дополнительные устройства для поляризации света. В то же время мода, поляризация которая не поддерживается, вытекает из оптического волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных сигналов в схемах регистрации сигналов вращения. Модулятор-прототип имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения условия эксплуатации такого модулятора. В известном интегрально-оптическом модуляторе прототипе торцы пластины не имеют скоса, в результате возникает паразитная интерференция отраженного от торцов света, что приводит к увеличению уровня шумов.
Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа, которая обеспечивала бы низкие оптические потери в волноводных структурах, высокую термическую стойкость параметров волноводных структур, низкий уровень шумов и дрейфа.
Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа включает пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Х-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси термической диффузией титана, поляризатор, выполненный на входном участке первого оптического волновода в виде металлической пленки с диэлектрическим подслоем, по меньшей мере три электрода, расположеннные с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов. Торцы пластины скошены в под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношению:
c
где n - показатель преломления материала подложки,
Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки.
1
Входной торец первого оптического волновода смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d, удовлетворяющее соотношению:
0
где w - поперечный размер модового пятна оптических волноводов, мм;
2
при этом расстояние d между выходными торцами первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, удовлетворяет соотношению:
Поляризатор может быть сформирован на входном участке первого оптического волновода.
Дополнительно два поляризатора могут быть сформированы на выходных участках соответственно первого и второго оптических волноводов.
1
2
2
3
Новым в интегрально-оптическом модуляторе для волоконно-оптического гироскопа является формирование оптических волноводов в пластине из ниобата лития термической диффузией титана; смещение входного торца первого оптического волновода относительно выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d, удовлетворяющее соотношению (2); и разнесение выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d, удовлетворяет соотношению (3). Оптические волноводы, сформированные термической диффузией титана, обладают высокой термической стойкостью и малыми потерями. Такие оптические волноводы не обладают способностью выделять поляризацию, поэтому в конструкцию интегрально-оптического модулятора введен поляризатор в виде нанесенных на поверхность оптического волновода нижнего диэлектрического слоя, например, из AlO, и верхнего металлического слоя, например, из алюминия. Эти слои предназначены для возбуждения плазмонно-поляритонных мод и подавления моды, поляризованной перпендикулярно границе раздела металл/диэлектрик. Преимуществом данной конструкции является то, что подавление моды происходит за счет ее поглощения в металлическом слое. Таким образом, в отличие от протонно-обменных волноводных поляризаторов, где подавляемая мода вытекает в подложку и распространяется в ней, в настоящем поляризаторе не происходит образование паразитных засветок. Такая конструкция поляризатора характеризуется высоким коэффициентом выделения заданной поляризации (19 Дб/мм) и отсутствием температурной восприимчивости.
Входной участок второго оптического волновода может быть выведен на входной торец пластины и быть использован как тестовый выход для контроля юстировки при стыковке с оптическими волокнами с поддержкой поляризации с использованием метода поляризационной интерферометрии.
1
0
1
0
Смещение входного торца первого оптического волновода на расстояние d>10w от выходных торцов первого и второго оптических волноводов обусловлено тем, что при d≤10w выходные торцы попадают в область засветки распространяющимся по пластине светом, не попавшим в первый оптический волновод на входе.
2
2
Разнесение выходных торцов первого и второго оптических волноводов на расстояние d, меньшее 2 мм приводит к тому, что оптическая разность хода света отраженного от выходных торцов первого и второго оптических волноводов меньше чем 200 мкм (типичная длина когерентности волоконно-оптических эрбиевых суперлюминисцентных источников, см. P.F. Wysocki, М.J.F. Digonnet and В.Y. Kim, "Spectral characteristics of high-power 1.5 mu m broadband superluminescent fiber sources," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 2, no. 3, pp.178-180, March 1990. doi: 10.1109/68.50882), а при расстоянии d больше 10 мм большой поперечный размер подложки ведет к увеличению чувствительности к градиенту температур, внешним вибрациям и механическим напряжениям.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показано первое воплощение интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа;
на фиг. 2 приведено второе воплощение интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа.
2
3
1
2
Интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа в первом воплощении (см. фиг. 1) содержит пластину 1 из кристалла ниобата лития со скошенными под углом α передним торцом 2 и задним торцом 3. В пластине 1 сформированы по продольной оси термической диффузией титана первый оптический волновод 4 и второй оптический волновод 5, образующие Х-разветвитель 6. На входном участке 7 первого оптического волновода 4 расположен поляризатор 8, выполненный в виде металлической пленки, например, из алюминия с диэлектрическим подслоем, например, из AlO. С внешних сторон выходных участков 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5 расположены первый электрод 11 и второй электрод 12, а третий электрод 13, расположен между выходным участком 9 первого оптического волновода 4 и выходным участком 10 второго оптического волновода 5, торцы пластины скошены под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим приведенному выше соотношению (1). Входной торец первого оптического волновода 4 смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов 4, 5 в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины 1, на расстояние d, удовлетворяющее соотношению (2). Расстояние d между выходными торцами первого и второго оптических волноводов 4, 5 в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины 1, удовлетворяет соотношению (3). В интегрально-оптическом модуляторе может быть использовано и большее количество электродов, например, два электрода могут быть расположены с внешних сторон выходных участков 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5, а третий и четвертый электроды могут быть расположены между выходными участками 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5.
Интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа во втором воплощении (см. фиг. 2) отличается тем, входной участок 12 второго оптического волновода 5 продлен до переднего торца 2 пластины 1 и может быть использован как тестовый выход для контроля юстировки при стыковке с одномодовыми оптическими волокнами с поддержкой поляризации. Кроме поляризатора 8 на входном участке 7 первого оптического волновода 4, дополнительно на выходном участке 9 первого оптического волновода 4 и на выходном участке 10 второго оптического волновода 5 расположены соответственно поляризаторы 13 и 14.
Настоящий интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа работает следующим образом. Оптическое излучение из входного волокна вводится с переднего торца 2 и попадает во входной участок 7 первого оптического волновода 4. На пленочном поляризаторе 8 происходит поглощение поляризационной моды с ТМ линейной поляризацией, перпендикулярной плоскости пластины 1 из кристалла ниобата лития. Распространяющаяся по оптическим волноводам мода с ТЕ линейной поляризацией, параллельной плоскости пластины 1, делится на Х-разветвителе 6 по мощности в соотношении 50:50 между выходными участками 9, 10 оптических волноводов 4, 5. Прикладываемые к электродам 11, 12, 13 управляющие электрические сигналы создают за счет электрооптического эффекта разность фаз между оптическим излучением в выходных участках волноводов 9, 10. Линейно поляризованное оптическое излучение из выходных участков волноводов 9 и 10 вводится в оптические волокна с сохранением поляризации, подведенные со стороны выходного торца 3 пластины 1, оси которых точно сориентированы относительно направления линейной поляризации оптического излучения в выходных участках 9, 10 оптических волноводов 4, 5.
3
2
3
2
В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен опытный образец интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа. Образец был изготовлен на кристаллической пластине конгруентного ниобата лития размерами 5×50×1 мм. Угол α скоса торцов пластины был равен 10 угловых градусов. Оптическая схема с Х-разветвителем на основе канальных одномодовых волноводов была изготовлена по стандартной технологии термической диффузии титана с использованием методов контактной литографии и высокотемпературного отжига (см. М. Fukuma, J. Noda, and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides," J. Appl. Phys., 49(7), 3693-3698, 1978). Использовался пленочный поляризатор длиной 10 мм в виде металлической пленки из алюминия с диэлектрическим подслоем AlO. Выходные торцы первого и второго оптических волноводов были разнесены на расстояние d=3 мм. Система электродов была выполнена в виде трех независимых электродов из пленки золота на подслое титана, два электрода расположены с внешней стороны выходных участков оптических волноводов, а один электрод расположен между выходными участками оптических волноводов. Выходные участки оптических волноводов были состыкованы с оптическими волокнами интерференционного контура, сохраняющими поляризацию. Точная юстировка оптических осей волокон с сохранением поляризации проводилась с использованием методов поляризационной интерферометрии. Проведенные испытания модулятора в составе волоконно-оптического гироскопа показали, что опытный образец по уровню шумов и паразитных сигналов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к комплектующим для волоконных гироскопов класса точности 0,001 град/час.
Таким образом, в настоящей конструкции интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа достигаются низкие потери света, высокая термическую стойкость параметров модулятора, низкий уровень шумов и высокая точность стыковки с оптическим волокном с сохранением поляризации за счет возможности использования методов поляризационной интерферометрии.