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 ВКИ между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mi>Ω</mi></mrow>
,
где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;
L - длина световода катушки;
λ - центральная длина волны излучения широкополосного источника;
с - 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 Р - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.
Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей (функция косинуса 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:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>L</mi><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow>
,
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 предварительного усилителя тока фотоприемника напряжение пропорционально величине:
0
m
S
m
S
U~Р[1+cosϕ·cosϕ±sinϕ·sinϕ].
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, 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 усилителя тока фотоприемника приобретает следующий вид:
0
m
S
K
m
S
K
U~P{1+cosϕ·cos[ϕ-φ]±sinϕ·sin[ϕ-φ]},
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 U можно представить:
0
m
m
S
K
U~P{1+cosϕ±sinϕ·sin[ϕ-φ]}.
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:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>η</mi><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>Ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
n
где f(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;
<mrow><mi>Ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
- угловая скорость вращения гироскопа;
η - эффективность фазового модулятора;
П
U - пиковое значение напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка ступенчатой пилы;
ст
τ - длительность каждой ступеньки компенсирующей пилы. Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в данном случае является величина [2]:
<mrow><mi>М</mi><mi>К</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>η</mi><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
ст
П
Если выбрать τ=τ и обеспечить ηU=2π, то выражение для масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:
<mrow><mi>М</mi><mi>К</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
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 данной 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. Это достигается с помощью специальной вспомогательной фазовой модуляции [2].
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:
п
д
p
½
Δψ=1,6ηε[hL(λ/Δλ)],
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 [3]. 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, делитель оптической мощности, ИОС, многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. Использование источника излучения с большой выходной мощностью 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 Шьюпа [4]. Для устранения этого паразитного эффекта на входе ИОС используется дополнительный поляризатор [5]. Волоконный поляризатор на входе ИОС в совокупности с поляризующим световодом в чувствительной катушке ВКИ может также использоваться и для снижения поляризационной ошибки ВОГ [6].
Другим источником дрейфа выходного сигнала гироскопа является наличие примеси высших мод излучения, распространяющегося по световоду чувствительной катушки или в канальных волноводах ИОС. Высшие моды распространяются с разными 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, но и фильтрация всех высших мод излучения. С этой целью на входе и выходе схемы, помимо поляризационного модового фильтра (поляризатора), необходимо также использование фильтра высших мод.
Обычно в качестве фильтра высших мод используется отрезок одномодового световода, из которого изготавливается волоконный делитель оптического излучения. Для изготовления волоконного делителя мощности оптического излучения используется световод с так называемым скомпенсированным профилем показателя преломления в поперечном сечении световода. Примером такого световода, который используется для изготовления волоконных делителей, является известный световод SMF-28. Но такой световод обладает недостаточно хорошими фильтрующими свойствами. Для достижения нужного уровня фильтрации высших мод в этом случае необходимо использование световода большой длины (порядка нескольких десятков метров), либо отрезок относительно небольшой длины, но скрученный в кольца малого радиуса. Однако при скрутке световода в нем возрастают потери оптического излучения, что приводит, в конечном счете, к потере точностных характеристик ВОГ.
Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа.
+
-
-3
-3
Указанная цель достигается тем, что дополнительно используют между делителем оптического излучения и поляризатором отрезок одномодового световода с размером диаметра пятна основной моды (6,0÷10,0) микрометров и содержащий световедущую жилу, депрессивную отражающую оболочку и внешнюю защитную кварцевую оболочку, при этом разность показателей преломления между световедущей жилой и депрессивной отражающей оболочкой Δn=(4÷12)×10, а разность показателей преломления между внешней защитной кварцевой оболочкой и депрессивной оболочкой Δn=(3÷16)×10, при этом отношение диаметра депрессивной оболочки 2τ к диаметру световедущей жилы 2ρ лежит в пределах τ/ρ=(1,3÷4,5).
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена оптическая схема кольцевого интерферометра «минимальной конфигурации» [1] с отрезком поляризующего световода на входе ИОС [5, 6]. На Фиг.2 приведена оптическая схема кольцевого интерферометра с использованием отрезка световода для фильтрации высших мод. На Фиг.3 представлена конструкция поперечного сечения световода для фильтрации высших мод. На Фиг.4 представлен профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении световода для фильтрации высших мод. На Фиг.5 представлен график затухания высших мод в световоде с депрессивной отражающей оболочкой и в световоде типа SMF-28.
Луч света от источника 1 (Фиг.1) проходит волоконный делитель оптической мощности луча 2, далее луч проходит место соединения 3 выходного световода делителя с отрезком поляризующего световода 4, после которого луч света поступает на вход ИОС 5, в которой он делится на два луча одинаковой интенсивности. Эти два луча затем поступают в чувствительную катушку 6 и проходят ее в двух взаимно-противоположных направлениях, после чего они проходят ИОС в обратном направлении и объединяются в ней - делителем. Объединенный луч проходит затем отрезок поляризующего световода, волоконный делитель луча и попадает на площадку фотоприемника 7, где и наблюдается интерференционная картина двух лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно-противоположных направлениях.
При распространении излучения по световоду чувствительной катушки и в других компонентах ВКИ могут возбуждаться высшие моды излучения, которые распространяются с разными фазовыми скоростями и поэтому, попадая на фотоприемник, могут приводить к паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ. Для устранения этого эффекта необходима фильтрация высших мод на входе и выходе оптической схемы ВКИ.
На Фиг.2 приведена оптическая схема ВКИ с использованием отрезка световода 8, который представляет собой фильтр высших мод. Он соединен с выходным световодом волоконного делителя оптического излучения путем сварки 9, а также путем сварки 10 соединен со входом отрезка поляризующего световода.
На Фиг.3 показана конструкция поперечного сечения одномодового световода, который может быть использован в качестве эффективного фильтра высших мод. Световод содержит световедушую жилу 11, депрессивную отражающую оболочку 12, внешнюю защитную кварцевую оболочку 13 и полимерное защитно-упрочняющее покрытие 14.
+
-
На Фиг.4 показан профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении световода 15, назовем профиль распределения показателя преломления такого световода W - профилем, а сам световод - W-световодом. Световедущая жила с диаметром 2ρ состоит из кварцевого стекла, легированного, например, германием, а внешняя защитная оболочка обычно состоит из нелегированного кварцевого стекла и поэтому световедущая жила имеет положительную разность показателей преломления Δn по сравнению с внешней защитной оболочкой. Депрессивная оболочка диаметром 2τ состоит из кварцевого стекла, легированного, например, фтором и поэтому она имеет отрицательную разность показателей преломления Δn по сравнению с внешней защитной оболочкой. При изготовлении ВКИ используются световоды с размером диаметра пятна основной моды (MFD) в диапазоне (6,0÷10,0) микрометров.
Используемый для фильтрации высших мод световод 15 также должен обладать сильной устойчивостью к изгибам (при намотке в кольца с диаметром 10 мм потери основной моды не должны составлять более 0.1 дБ/м).
На Фиг.5 показаны сравнительные расчетные графики потерь высшей моды в прямом световоде SMF-28 (кривая 16), а также в W-световоде, имеющем MFD=10 мкм, причем кривая 17 соответствует неизогнутому W-световоду, а кривая 18 - изогнутому.
Одной из важнейших задач также является возможность варьировать MFD в достаточно широких пределах. Выше заявлена область MFD=(6,0÷10,0) мкм. Ясно, что для этого требуются W-профили с различными параметрами. Более того, для каждого отдельного MFD также возможен целый класс W-профилей. В Таблице перечислены пределы изменения параметров W-профиля 15 (Фиг.4) показателя преломления для двух световодов с крайними значениями MFD=6 и MFD=10 мкм.
Таблица
Параметр
MFD=6 мкм
MFD=10 мкм
Δn<sub>+</sub>
(12-9)*10<sup>-3</sup>
(4.5-4.2)*10<sup>-3</sup>
Δn<sub>-</sub>
(3-16)*10<sup>-3</sup>
(3-16)*10<sup>-3</sup>
2ρ (мкм)
(5-6.8)
(11.0-13.0)
χ=τ/ρ
(1.6-4.5)
(2.2-1.4)
Отсечка первой высшей моды (мкм)
(1.1-1.12)
(1.34-1.35)
+
-
-3
-3
-3
-3
Здесь предполагается, что все перечисленные в Таблице профили обладают одинаковыми потерями основной моды при диаметре изгиба 10 мм. Данные два случая MFD=6 и MFD=10 мкм являются, очевидно, крайними для заявленного диапазона MFD. Поэтому общие для них пределы параметров W-профиля (Δn=4.2*10-12*10, Δn=3*10-16*10, 2ρ=5-13 мкм, χ=1.4-4.5) определяют диапазон изменения MFD от 6,0 до 10,0 мкм.
Приведенные пределы для параметров W-профиля показателя преломления основываются на нескольких математических моделях для затухания первой высшей моды в режиме отсечки и для изгибных потерь основной моды. Для эффективного подавления высших мод их отсечки помещаются как можно далее от рабочей длины волны (1.55 мкм), а также берется минимальное соотношение χ=τ/ρ, позволяющее держать изгибные потери основной моды в необходимых пределах (не более 0.1 дБ/м при намотке в кольца с диаметром 10 мм). В случае с MFD=10 мкм отсечка близка к рабочей длине волны 1.55 мкм (см. Таблицу), но эффективность модовой фильтрации достигается тем, что спектральная кривая потерь высшей моды в режиме отсечки растет с длиной волны достаточно резко. В случае с MFD=6 мкм к фактору резкости роста спектральной кривой потерь добавляется также то, что сама отсечка достаточно далека от рабочей длины волны (см. Таблицу). В силу этого, в световоде с MFD=6 мкм, модовая фильтрация гораздо более эффективна, чем в световоде с MFD=10 мкм, и тем более - чем в световоде SMF-28.
В случае промежуточных MFD из области =(6,0-10,0) мкм отсечка первой высшей моды находится между 1.1 и 1.35 мкм. При этом спектральные потери в режиме отсечки также резко растут с увеличением длины волны, как и в световодах с MFD=6 и 10 мкм. Таким образом, в этих промежуточных случаях эффективность модовой фильтрации находится между таковой для световода с MFD=10 мкм и для световода с MFD=6 мкм, т.е. также заметно превосходит эффективность модовой фильтрации в световоде SMF-28.
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
[3] D.Veselka, G.A.Bogert, “Low-loss TM-pass polarizer fabricated by proton exchange for Z-cut Ti:LiNbO waveguides”. E1. Letters, №1, pp.29-31, 1987.
[4] F.Mohr, “Thermooptically Induced Bias Drift in Fiber Optical Sagnac Interferometers”. Journal of Lightwave Technology, vol.14, №1, pp.27-41, 1996.
[5] A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов «Оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа»; заявка №2009138354, приоритет от 16.10.2009 г.
[6] A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов «Оптическая схема кольцевого интерферометра для снижения поляризационной ошибки в волоконно-оптическом гироскопе», заявка №2010152182, приоритет от 20.12.2010 г.