ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА КОЛЬЦЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
OPTICAL CIRCUIT OF RING INTERFEROMETER FOR FIBRE-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (далее по тексту - ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.
ВОГ содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр (далее по тексту - ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ содержит источник широкополосного оптического излучения, первый волоконный делитель мощности оптического излучения, поляризатор, второй делитель мощности оптического излучения, фазовый модулятор, многовитковую волоконную чувствительную катушку и фотоприемник. Это оптическая схема ВКИ так называемой "минимальной" конфигурации [1].
На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами вследствие эффекта Саньяка возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;
L - длина световода катушки;
λ - центральная длина волны излучения широкополосного источника;
c - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа.
Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде:
Ф
0
S
I=1/2Р(1+cosϕ),
0
где P - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.
Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей (функция cos в районе нулевых угловых скоростей имеет нулевую производную) используется вспомогательная фазовая модуляция с целью повышения крутизны выходной характеристики гироскопа. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в ВКИ с помощью фазового модулятора используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора. Это временное запаздывание составляет величину:
0
где n - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.
При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих, например, с частотой 1/2τ [2], на выходе синхронного детектора наблюдается сигнал вида:
Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз в кольцевом интерферометре ВОГ, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее фазу Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [2]. В результате сигнал на выходе синхронного детектора приобретает следующий вид:
K
где φ - сдвиг фаз, вносимый пилообразным ступенчатым напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.
S
K
Учитывая, что в режиме компенсации ϕ-φ≈0, напряжение на входе синхронного детектора можно представить:
Одним из основных источников ошибки ВОГ являются паразитные поляризационные эффекты в оптических элементах ВКИ. Выражение для максимально возможного паразитного набега разности фаз лучей, прошедших многовитковую чувствительную катушку ВКИ в двух взаимно противоположных направлениях, можно представить в виде:
д
где η - остаточная степень поляризации излучения на выходе источника широкополосного оптического излучения;
h - коэффициент межмодовой поляризационной связи в отрезках световода чувствительной катушки, примыкающих ко второму делителю оптической мощности;
p
L - длина поляризационных биений в световоде чувствительной катушки;
λ - центральная длина волны излучения источника;
Δλ - ширина линии излучения источника;
ε - коэффициент поляризационной экстинкции поляризатора по напряженности электрического поля излучения.
В реальных приборах оптические компоненты ВКИ, такие как поляризатор, второй делитель оптической мощности и фазовый модулятор, объединяются в виде интегрально-оптической схемы (далее по тексту - ИОС) ВОГ. ИОС выполняется на подложке ниобата лития, в которой формируются канальные волноводы Y-делителя оптической мощности по протонно-обменной технологии. Такая технология позволяет получать поляризующие свойства в канальных волноводах ИОС. На выходных плечах Y-делителя оптической мощности формируются фазовые модуляторы путем нанесения по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов. При подаче на электроды электрического напряжения в канальных волноводах Y-делителя возникает эффект фазовой модуляции лучей ВКИ за счет электрооптического эффекта, которым обладает ниобат лития. Таким образом, ИОС объединяет в себе функции поляризатора (поляризующие канальные волноводы Y-делителя), второго делителя (Y-делитель) оптической мощности и фазового модулятора. В этом случае оптическая схема ВКИ содержит источник широкополосного оптического излучения, первый делитель оптической мощности, ИОС, многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник.
Известно, что основными составляющими шума ВОГ, определяющими его чувствительность, являются следующие:
- дробовой шум фотоприемника;
- тепловые шумы предварительного усилителя фотоприемника;
- шумы интенсивности источника оптического излучения.
Чувствительность ВОГ по уровню дробового шума можно представить в виде:
где  - минимально обнаруживаемая угловая скорость по уровню дробовых шумов;
h - постоянная Планка;
В - полоса пропускания электронного тракта обработки информации [Гц].
Чувствительность ВОГ по уровню тепловых шумов предварительного усилителя фотоприемника можно представить в виде:
где  - минимально обнаруживаемая скорость по уровню шумов предварительного усилителя;
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура в градусах Кельвина;
H
R - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя;
e - заряд электрона;
T
I - темновой ток фотоприемника.
Чувствительность ВОГ с замкнутой петлей обратной связи по уровню шумов интенсивности источника излучения можно представить в виде:
где  - минимально обнаруживаемая угловая скорость по уровню шумов интенсивности источника излучения,
m
m
Из приведенных выше соотношений для чувствительности ВОГ, работающего в режиме замкнутой петли обратной связи, следует, что его чувствительность в значительной степени зависит от глубины (амплитуды) вспомогательной фазовой модуляции ϕ. При большой выходной мощности источника излучения и малых потерях в элементах оптической схемы ВКИ гироскопа чувствительность ВОГ определяется в основном уровнем шума источника излучения, который может быть значительно снижен при стремлении глубины модуляции ϕ к π радиан.
Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента [2]. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение:
n
где f(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;
Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;
η - эффективность фазового модулятора;
П
U - пиковое значение напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка ступенчатой пилы;
сm
τ - длительность каждой ступеньки компенсирующей пилы.
Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величина [2]:
ст
П
Если выбрать τ=τ и обеспечить ηU=2π, то выражение для масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:
П
П
По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а, в конечном счете, стабилизации масштабного коэффициента в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи организуется второй контур обратной связи, который позволяет стабилизировать величину Uη на уровне 2π при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [2]. Это достигается с помощью специальной вспомогательной фазовой модуляции с помощью импульсов напряжения следующих с частотой .
Здесь также необходимо отметить еще одно обстоятельство. На стабильность масштабного коэффициента ВОГ серьезное влияние оказывает паразитная модуляция интенсивности лучей кольцевого интерферометра в канальных волноводах ИОС [3]. Влияние паразитной модуляции на стабильность масштабного коэффициента можно также снизить за счет выбора глубины вспомогательной модуляции в районе π радиан [3].
При использовании в ВОГ глубины вспомогательной фазовой модуляции в районе π радиан для повышения чувствительности гироскопа и повышения стабильности его масштабного коэффициента необходимо использование широкополосного источника оптического излучения с большой выходной мощностью с целью сохранения на приемлемом уровне величины размаха амплитуды сигнала вращения гироскопа, который, как известно, определяется множителем sin от глубины вспомогательной фазовой модуляции.
Использование источника излучения с большой выходной мощностью излучения приводит к тому, что из-за поляризующих свойств канальных волноводов в подложке ИОС рассеивается половина выходной мощности источника, при этом может происходить неравномерный разогрев подложки ИОС при включении гироскопа. Далее этот неравномерный разогрев подложки также может изменяться и во времени, что может приводить к возникновению изменяющейся во времени паразитной разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа из-за эффекта Шьюппа [4].
Другим источником дрейфа выходного сигнала гироскопа является наличие примеси высших мод излучения, распространяющегося по световоду чувствительной катушке или в канальных волноводах ИОС. Высшие моды распространяются с другими фазовыми скоростями и поэтому могут быть источниками возникновения паразитных набегов разности фаз лучей, распространяющихся в чувствительной катушке и ИОС. В этом случае необходима тщательная фильтрация на входе и выходе оптической схемы не только паразитных состояний поляризации излучения (для чего и используется поляризатор), но и фильтрация всех высших мод излучения. С этой целью на входе и выходе схемы необходимо использование помимо поляризационного медового фильтра (поляризатора) фильтра высших мод излучения. Обычно в качестве фильтра высших мод используется отрезок одномодового световода. Повышение эффективности фильтрации высших мод можно достичь в основном двумя способами, а именно либо сдвигать длину волны отсечки первой высшей моды в более коротковолновую область соответствующим выбором диаметра световедущей жилы, либо сдвигать ее уменьшением радиуса изгиба световода. При низкой длине волны отсечки первой высшей моды резко возрастают изгибные потери в одномодовом световоде, которые неизбежны при укладке световода в элементах конструкции гироскопа. Необходимо использование в качестве фильтра высших мод одномодового волоконного световода, который имеет достаточно низкую длину волны отсечки первой высшей моды, но при этом имеет малые изгибные потери.
Целью настоящего изобретения является повышение точности гироскопа.
Указанная цель достигается тем, что на входе ИОС дополнительно используют отрезок поляризующего световода.
Повышение точности ВОГ достигается за счет использования на входе ИОС гироскопа линейно-поляризованного излучения, при котором обеспечивается минимальный разогрев подложки ИОС. В качестве поляризующего световода может использоваться поляризующий световод на основе световода с W-профилем распределения показателя преломления, который является хорошим фильтром высших мод в световоде [6], что также повышает точность ВОГ.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная оптическая схема кольцевого интерферометра ВОГ "минимальной конфигурации". На фиг.2 показана оптическая схема кольцевого интерферометра "минимальной конфигурации" с использованием ИОС. На фиг.3 показана оптическая схема кольцевого интерферометра ВОГ с использованием поляризующего световода на входе ИОС. На фиг.4 показан профиль распределения показателя преломления W-световода и график спектральных потерь фундаментальной и первой высшей моды. На фиг.5 показаны спектральные потери поляризационных фундаментальных мод в W-световоде "Панда".
На фиг.1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра "минимальной конфигурации". Луч света от источника 1 поступает на вход первого делителя мощности оптического излучения 2, затем он проходит поляризатор 3, после которого луч света имеет только одну линейно-поляризованную компоненту. Затем этот луч поступает на вход второго делителя оптической мощности 4, делится им на два луча, которые проходят фазовый модулятор 5 и чувствительную катушку 6 в двух взаимно противоположных направлениях. После этого эти два луча объединяются вторым делителем в один луч, который вновь проходит поляризатор, после чего поступает на вход фотоприемника 7, но уже в обратном направлении. После прохождения поляризатора в обратном направлении объединенный луч имеет ту же линейно-поляризованную компоненту излучения, что и на выходе поляризатора при прохождении его в прямом направлении. Таким образом, поляризатор обеспечивает поступление на вход второго делителя мощности линейно-поляризованного оптического излучения, а также вывод возвращающегося назад оптического луча после второго делителя с тем же состоянием линейной поляризации излучения, что и у луча на входе второго делителя. Оптическая схема такой конфигурации позволяет минимизировать ошибку ВОГ из-за изменения состояния поляризации излучения при прохождении оптических элементов кольцевого интерферометра ВОГ [1].
На фиг.2 показана оптическая схема кольцевого интерферометра "минимальной конфигурации" с использованием интегрально-оптической схемы 8. ИОС имеет в своем составе Y-делитель 9 (второй делитель оптической мощности) на основе канальных волноводов, сформированных в подложке ниобата лития; металлические электроды 10 и места стыка 11, 12 с волокном чувствительной катушки гироскопа и 13 с выходным отрезком световода первого делителя оптической мощности. Канальные волноводы Y-делителя формируются по протонно-обменной технологии и поэтому обладают поляризующими свойствами [5]. При подаче электрического напряжения на металлические электроды в канальных волноводах ИОС за счет электрооптического эффекта, которым обладает кристалл ниобата лития, возникает эффект фазовой модуляции лучей, распространяющихся по канальным волноводам. Таким образом ИОС объединяет в своем составе следующие элементы оптической схемы ВКИ "минимальной конфигурации": второй делитель оптической мощности (Y-делитель), поляризатор (поляризующие канальные волноводы Y-делителя) и фазовый модулятор (канальные волноводы Y-делителя с располагающимися по обе стороны от них металлическими электродами).
На фиг.3 показана оптическая схема кольцевого интерферометра гироскопа "минимальной конфигурации" с использованием дополнительного отрезка поляризующего световода 14 (PZ-световод). Отрезок PZ-световод соединяется одним своим концом с выходным отрезком световода первого делителя оптического луча, а второй его конец соединен непосредственно с входным канальным волноводом ИОС. Отрезок PZ-световода выполняет две дополнительные функции: производит фильтрацию высших мод на входе и выходе второго делителя оптического луча ИОС, а также фильтрацию поляризационных мод на входе ИОС.
11
21
PZ-световод выполняется на основе световода с W-профилем распределения показателя преломления 15 (фиг.4). Значения нормализованных частот, которые определяют условия отсечки фундаментальной моды V и первой высшей моды V определяются из следующих соотношений:
-
+
где Λ=Δn/Δn.
с
с
21
11
Зависимость длины волны отсечки первой высшей моды λ  от длины волны отсечки фундаментальной моды λ  выражается следующим образом:
с
с
11
21
21
11
λ =λ ×(V/V).
В таблице 1 приведены значения длин волн отсечки первой высшей моды и фундаментальной моды в световоде с W-профилем распределения показателя преломления в зависимости от параметра Λ.
Таблица 1.
Значение параметра Λ
Длина волны отсечки фундаментальной моды λ<sub>c</sub> <sup>11</sup>, мкм
Длина волны отсечки первой высшей моды λ<sub>c</sub> <sup>21</sup>, мкм
1,0
1,75
0,9275
1,5
1,75
0,9450
2,0
1,75
0,9625
Кривые спектральных потерь первой высшей моды 16 и фундаментальной моды 17 имеют большую крутизну, так как при приближении к длине волны отсечки моды за счет туннелирующего эффекта в оболочку начинают испытывать сильное затухание. В областях до длин волн отсечки они имеют малое затухание даже при достаточно сильных его изгибах (радиус изгиба до 2,5 мм). Таким образом, в световодах с W-профилем распределения показателя преломления область длин волн между длинами волн отсечки первой высшей моды и фундаментальной моды является одномодовым режимом работы световода. Ширина спектра одномодового режима работы может быть выражена следующим образом:
c
21
11
21
11
Δλ=λ [(V-V)/V].
В этом спектральном диапазоне отрезок световода с W-профилем распределения показателя преломления имеет малые изгибные потери фундаментальной моды и является эффективным фильтром высших мод. Высшие моды могут возбуждаться на различного рода неоднородностях как в световоде чувствительной катушки гироскопа, так и в канальных волноводах ИОС. Так как высшие моды распространяются с другими фазовыми скоростями, нежели чем фундаментальная мода, то это может приводить к неравномерному распределению интенсивности в поперечном сечении лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях за счет интерференции фундаментальной моды и примеси высших мод. В силу этого наличие примеси высших мод может вносить ошибки в работу ВОГ при измерении угловой скорости. Для минимизации ошибок ВОГ при измерении угловой скорости необходима эффективная фильтрация высших мод как на входе ИОС, так на ее выходе.
Для снижения шумов ВОГ необходимо использование амплитуды вспомогательной фазовой модуляции в районе π радиан, но при этом также необходимо использование широкополосных источников оптического излучения с большой выходной мощностью для обеспечения амплитуды полезного сигнала гироскопа на приемлемом уровне. Для минимизации ошибок гироскопа из-за паразитных поляризационных эффектов при прохождении излучения через элементы ВКИ необходимо также использование источников с деполяризованным излучением на выходе. Как уже отмечалось ранее, канальные волноводы ИОС должны быть поляризующими для минимизации ошибок гироскопа из-за паразитных поляризационных эффектов. В результате этого в подложке ИОС рассеивается половина мощности источника излучения, что приводит к неравномерному разогреву материала канальных волноводов ИОС, который к тому же еще и меняется во времени. Этот эффект может приводить к ошибкам при измерении угловых скоростей из-за эффекта Шьюппа [4]. Поэтому необходимо обеспечить большое затухание поляризационной моды до входа в канальные волноводы ИОС. Эту функцию может выполнить отрезок поляризующего световода, который состыковывается с входным канальным волноводом ИОС.
x
y
Поляризующий световод выполняется на основе световода с W-профилем распределения показателя преломления [6]. В световодах "Панда" за счет механических напряжений в световедущей жиле и депрессивной отражающей оболочке (световод с W-профилем распределения показателя преломления) создается линейное двулучепреломление, за счет которого происходит спектральное расщепление кривых затухания поляризационных x и y фундаментальных мод 18, 19 (фиг.5). За счет двулучепреломления величиной В вносится различие в значение параметров Λ для x-поляризационной моды и y-поляризационной моды. В этом случае параметры Λ и Λ могут быть выражены следующим образом:
x
-
+
Λ=(Δn-0,5В)/(Δn+0,5В)
y
-
+
Λ=(Δn+0,5В)/(Δn-0,5В)
Согласно этим выражениям фундаментальная поляризационная x-мода и фундаментальная поляризационная y-мода имеют различные длины волн отсечки и поэтому в некотором спектральном окне ЛХ (фиг.5) с малыми потерями распространяется только одна фундаментальная поляризационная x-мода, а поляризационная y-мода испытывает сильное затухание. Фундаментальная поляризационная y-мода рассеивается в защитной оболочке отрезка PZ-световода. Таким образом, во входной канальный волновод ИОС поступает излучение, имеющее одно состояние линейной поляризации, которое и канализируется по поляризующим канальным волноводам ИОС с малыми потерями, при этом разогрева материала канальных волноводов практически не происходит.
Использование отрезка поляризующего световода на основе световода с W-профилем распределения показателя преломления на входе ИОС позволяет одновременно осуществить эффективную фильтрацию высших мод на входе и выходе ИОС, а также фильтрацию нежелательной фундаментальной поляризационной y-моды на входе ИОС, что и позволяет повысить точность ВОГ.
Литература
1. С.Kintner, "Polarization control in optical-fiber gyroscopes" Opt. Lett., vol.6, pp.154-156, 1981.
2. G.A.Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 46-60.
3. A.M.Курбатов, "Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа." Патент РФ №2160885, заявка №99122943, приоритет от 02.11.1999 г.
4. F.Mohr, "Thermooptically Induced Bias Drift in Fiber Optical Sagnac Interferometers". Journal of Lightwave Technology, vol.14, №1, pp.27-41, 1996.
3
5. D.Veselka, G.A.Bogert, "Low-loss TM-pass polarizer fabricated by proton exchange for Z-cut Ti:LiNbO waveguides". El. Letters, №1, pp.29-31, 1987.
6. A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов "Поляризующий одномодовый световод". Патент РФ №2250482, заявка №2003127934, приоритет от 16.09.2003 г.