ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМОВ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.

На фотоприемнике кольцевого оптоволоконного интерферометра наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимнопротивоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами вследствие эффекта Саньяка возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:

ϕ_S=[4πrl/λc]×Ω

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;

L - длина световода катушки;

λ - центральная длина волны излучения источника;

с - скорость света в вакууме;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.

Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде:

I_Ф=1/2P₀(1+cosϕ_S)

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС, используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величину:

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ т на выходе синхронного детектора наблюдается сигнал вида:

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате сигнал на выходе синхронного детектора приобретает следующий вид:

где φ_K - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.

Учитывая, что в режиме компенсации ϕ_S-φ_K≈0 напряжение на входе синхронного детектора можно представить:

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;

R_H - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя;

е - заряд электрона;

I_T - 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;

Δλ - ширина линии излучения источника.

Ниже приведены формулы для расчета оптических шумов волоконно-оптического гироскопа в зависимости от его основных характеристик.

Для параметров ВОГ R L=40, Р₀=6×10^-4 Вт, λ=1550 нм, Δλ=20 нм, ϕ_m=7/8 π радиан, R_н=100 кОм, уровень дробовых шумов составит 6,4×10^-5 град./час^1/2, уровень шумов усилителя тока фотоприемника равен 9,4×10^-6 град./час^1/2, а уровень шумов ВОГ из-за шумов интенсивности источника излучения составит 4×10^-4 град./час^1/2. Таким образом, даже при большой амплитуде вспомогательной фазовой модуляции уровень шума ВОГ с закрытым контуром, определяемый шумами интенсивности источника излучения значительно превышает дробовой шум фотоприемника и тепловой шум усилителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению по снижению шумов интенсивности источника излучения является изобретение, описанное в [1]. Излучение с выхода источника разделяется на несколько независимых каналов распространения, а затем излучение суммируется на площадке фотоприемника. Разность длины каждого канала распространения излучения последовательно отличается друг от друга не менее чем на длину когерентности излучения. В результате на фотоприемнике суммируется несколько некогерентных между собой лучей, что и приводит к снижению шумов интенсивности излучения на фотоприемнике при сохранении общей его мощности. Основным недостатком известного способа снижения шумов интенсивности является то, что оптический луч на выходе любого интрферометрического датчика на основе одномодового световода делится на несколько лучей, которые приходят на площадку фотоприемника с запаздыванием по времени относительно друг друга и поэтому фотоприемником фиксируются интерференционные картины, несущие информацию об измеряемой величине в разные моменты времени, что может вносит существенные ошибки, например, при измерении угловой скорости волоконно-оптическим гироскопом. Таким образом, при использовании известного способа снижения шумов интенсивности выигрыш по точности волоконно-оптического гироскопа за счет этого может быть снижен за счет потери его точности за счет запаздывания лучей, несущих информацию об измеряемой величине относительно друг друга при их попадании на площадку фотоприемника. Другой тип устройства, предложенный авторами известного патента, представляет собой два волоконных поляризационных расщепителя и два отрезка световода с большим двулучепреломлением. При использовании этого устройства ошибки в измерении угловой скорости не возникает, так как все лучи, несущие информацию об одной и той же угловой скорости, приходят на площадку фотоприемника одновременно. Но такой тип устройства принципиально имеет потери оптической мощности не менее 3 дБ, что в свою очередь приводит к снижению точности гироскопа за счет повышения дробовых шумов фотоприемника.

Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет снижения шумов интенсивности источника оптического излучения при устранении запаздывания лучей относительно друг друга при попадании их на площадку фотоприемника.

Указанная цель достигается тем, что выход источника соединен с рядом из N штук делителей оптической мощности, где N=1, 2, 3, ….. с коэффициентом деления каждого из этих делителей по прямому каналу к, где к может принимать цифровые значения больше 0 и меньше 1, причем выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда делителей, а каждый первый выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя, при этом второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим вторым выходом, а длина каждого из этих световодов больше длины когерентности L_к излучения источника, при этом длина световода, соединяющего вторые вход и выход каждого предыдущего делителя из ряда N делителей больше или меньше длины световода каждого последующего делителя из этого ряда, по крайней мере, чем на длину когерентности L_к излучения источника, а длина световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя ряда из N делителей больше NL_к.

2. Источник излучения по п.1, отличающийся тем, что выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда делителей, а каждый второй выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя, при этом второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим первым выходом.

Снижение шумов интенсивности и вследствие этого повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет разделения излучения на большое количество независимых источников при циркуляции излучения по каналам делителей оптической мощности. Предлагаемое техническое решение предполагает разделение излучения одного источника на несколько каналов на входе оптической схемы волоконно-оптического гироскопа и таким образом на площадку фотоприемника одновременно попадает несколько независимых лучей, несущих информацию об одной и той же угловой скорости. Таким образом, при разделении одного луча на несколько независимых лучей на входе оптической схемы ВОГ не вносит дополнительных ошибок при измерении угловой скорости. Повышения уровня дробовых шумов также не происходит, так как излучение распространяется по каналам делителей практически без потерь.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен источник излучения с делением излучения на четыре канала распространения. На Фиг.2 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе одного волоконного делителя типа 2×2. На Фиг.3 представлен график зависимости коэффициента снижения шума в волоконно-оптическом гироскопе при использовании источника излучения с одним делителем. На Фиг.3 представлен график зависимости коэффициента снижения шума в волоконно-оптическом гироскопе при использовании источника излучения с одним делителем. На Фиг.4 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2. На Фиг.5 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2 с другим соединением волоконных концов делителей.

На Фиг.1 представлен источник широкополосного оптического излучения 1 для волоконно-оптического гироскопа. Этот источник может быть выполнен на основе эрбиевого волокна. Достоинствами таких источников является высокая выходная мощность, которая обеспечивает малый уровень дробовых и тепловых шумов усилителя тока фотоприемника. Но ширина линии излучения у него недостаточно большая (Δλ=20÷25 нм), и потому шумы интенсивности этих источников ухудшают более чем в 10 раз шумовые характеристики волоконно-оптических гироскопов. Одним из способов снижения шумов интенсивности [1] это разделение излучения с помощью делителя 2 (Фиг.1), например, на четыре канала 3, 4, 5, 6 распространения излучения. Излучение с выходов 7, 8, 9, 10 поступает затем на площадку фотоприемника. Длины каналов распространения L₁, L₂, L₃, L₄ отличаются друг от друга более чем на длину когерентности излучения источника. Рассмотрим обычное сложение мощностей множества одинаковых источников. Данная задача наглядно проиллюстрирует саму идею об уменьшении шума при использовании множества источников.

Итак, рассмотрим сложение мощностей N одинаковых источников, каждая из которых имеет постоянную (р_0,n) и шумовую (δp_n) составляющие:

p_n(t)=P_0,n+δp_n(t).

Будем считать, что шумовые составляющие от разных источников не коррелируют друг с другом. Также считаем, что каждая отдельная шумовая составляющая δр_n от n-го источника являет собой белый шум. Численной характеристикой этого шума в данном случае является его дисперсия

,

одинаковая для всех источников с номерами n=1…N. Как показывает простой расчет, если просуммировать мощности всех этих источников, то дисперсия σ₀ суммарной шумовой составляющей равна

Таким образом, дисперсия суммарной мощности от N источников в N^1/2 раз больше, чем дисперсия мощности любого единичного источника. Однако в то же время суммарная постоянная составляющая больше, чем у одиночного источника в N раз. Таким образом, шум суммарной мощности всех источников улучшается в N^1/2 раз. Это напоминает картину флуктуации плотности идеального газа в некотором объеме пространства, которые также уменьшаются как N^1/2, только здесь N - среднее число молекул газа в данном объеме. Таким образом, при сложении на фотоприемнике излучения, распространяющегося по четырем каналам при условии, что их мощности одинаковы, можно снизить шумы интенсивности в 2 раза (при разделении распространения излучения по четырем каналам). Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) состоит из волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) и электронного блока обработки информации. Источник излучения входит в состав ВКИ, который изготавливается из одномодовых световодов. Поэтому для улучшения шумовых характеристик ВОГ необходимо ввести излучение, распространяющееся по четырем каналам во входное одномодовое волокно оптической схемы ВКИ ВОГ, но при этом неизбежно возникают большие потери оптической мощности всех четырех источников. Поэтому снижение шумов ВОГ за счет снижения шумов интенсивности может компенсироваться негативным повышением дробовых шумов фотоприемника и тепловых шумов усилителя за счет снижения мощности полезного сигнала ВОГ.

На Фиг.2 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе одного волоконного делителя 11 типа 2×2. Делитель может быть выполнен по сплавной технологии двух отрезков одномодовых световодов. Для этого два отрезка световода располагают параллельно друг другу и в их средней части производят сплавление световодов на небольшом участке с одновременным формированием биконической перетяжки в месте сплавления световодов. Затем биконическую перетяжку помещают, например, в кварцевый капилляр. Делитель имеет два входа (первый и второй, располагающиеся слева) и два выхода (первый и второй, располагающиеся справа) в виде отрезков одномодовых волоконных световодов. Обозначим коэффициент деления оптической мощности по прямому каналу как отношение оптической мощности на первом выходе при вводе ее на первый вход или как отношение оптической мощности на втором выходе при вводе ее на второй вход. Коэффициент деления оптической мощности в перекрестных каналах может быть определен либо как отношение мощности излучения на втором выходе при вводе ее на первый вход либо как отношение оптической мощности на первом выходе при вводе ее на второй вход. Обозначим коэффициент деления делителя типа 2×2 по прямому каналу как к, где к может принимать цифровые значения больше нуля, но меньше 1, а коэффициент деления оптической мощности в перекрестных каналах определяется как (1-к). Одномодовый световод второго входа соединяется, например, методом дуговой сварки 12 со световодом второго выхода делителя. Излучение от источника вводится в отрезок волокна, являющегося первым входом делителя, далее часть излучения, определяемая коэффициентом деления мощности по прямому каналу делителя, поступает на первый выход делителя 13, а другая часть излучения, определяемая коэффициентом деления по перекрестным каналам делителя, со второго выхода делителя поступает на второй вход делителя, после чего это излучение частично поступает на первый выход делителя (эта часть мощности в данном случае определяется коэффициентом деления мощности по перекрестным каналам), а другая часть мощности поступает вновь на второй выход делителя и так далее. Таким образом, при многократном прохождении каналов делителя на его первом выходе формируется несколько источников излучения. Если длина световода, соединяющего второй выход делителя с его вторым входом превышает длину когерентности излучения источника, на выходе одномодового световода, являющегося первым выходом делителя присутствуют несколько независимых источников (некогерентных между собой). Количество источников определяется количеством циркуляции излучения по каналу второй вход - второй выход через соединяющий их отрезок одномодового световода. Данная конфигурация определяет практически всю выходную мощность источника на выходе отрезка одномодового волокна, являющегося первым выходом делителя и, таким образом, при соединении с входным отрезком одномодового световода ВКИ вся мощность источника, практически без потерь будет использована. Суммарная выходная мощность, представляющая собой сумму мощностей независимых источников, определяется в данном случае потерями излучения в делителе, в месте соединения источника излучения с отрезком световода первого входа делителя и в месте сварки отрезков световодов, соединяющих вторые вход и выход делителя. Из приведенного рассмотрения также следует, что количество независимых источников и мощность их излучения определяется коэффициентом деления мощности по прямому каналу делителя, а суммарная их мощность определяется потерями излучения при прохождении излучения в элементах приведенной конструкции делителя, то есть в местах указанных выше. Таким образом, предположим, что мощности независимых источников складываются с различными весовыми коэффициентами A_n>0 (то есть ни одна из мощностей не вычитается из результирующей мощности). В этом случае постоянная и шумовая составляющие суммарной мощности равны

, .

Таким образом, постоянные составляющие просто складываются. Дисперсия же суммарной шумовой составляющей вычисляется как

.

Отсюда ясно, что шум интенсивности на фоне суммарной мощности изменяется по сравнению с шумом единичного источника в n₀ раз, где

.

Для любых положительных A_n (см. выше) из теоремы Коши-Буняковского следует, что n₀>1, т.е. имеет место выигрыш по шумам интенсивности. В частности, выше, где мы рассматривали сложение мощностей с одинаковыми амплитудами, имеем A_n=1, т.е. n₀=N^l/2, где n₀ - коэффициент (разы) снижения шума интенсивности источника излучения. Для увеличения коэффициента снижения шумов интенсивности необходимо иметь как можно больше циркулирующих волн, и они должны иметь близкие значения мощности.

Рассмотрим сначала случай с учетом потерь в делителе. Для детерминированной составляющей мощности после разветвителя (сигнал):

.

Дисперсия шумовой составляющей мощности после разветвителя (шум):

,

где

t=exp(-α_c), t₀=exp[-(αL+α₀)].

Здесь κ - коэффициент прохождения мощности по прямому каналу разветвителя (1-κ - по перекрестному), α_с - потери в разветвителе при однократном его прохождении, L - длина разветвителя, α - потери в световоде замкнутого канала разветвителя, α₀ - потери на сварке при замыкании этого световода, L - его длина.

Соотношение сигнал/шум после делителя равно σ=Р/δР, тогда как до делителя оно равно σ₀=Р₀/δР₀ (то есть соотношение сигнал/шум непосредственно источника). Снижение шумов интенсивности, таким образом, равно коэффициенту n₀=σ₀/σ. На Фиг.3 показаны графики этого выигрыша в зависимости от коэффициента деления делителя по прямому каналу для двух случаев: 1. кривая 14 в отсутствие любого вида потерь; 2. кривая 15 для случая, когда потери на прохождение через делитель равны 0.05 дБ, потери на сварке равны 0.05 дБ, потери в замкнутом световоде, соединяющем вторые вход и выход делителя равны 0.5 дБ/км, длина этого световода L=1 м. Пунктирная кривая 16 характеризует выигрыш по коэффициенту шума в 3^1/2 раз.

Из графика видно, что эти два случая различаются слабо. Помимо этого оба случая имеют максимум при κ≈0.4, равный приблизительно 1.78 (случай с потерями - чуть меньше). В обоих случаях также имеет место достаточно широкий диапазон κ≈(0.33-0.5), в котором выигрыш n₀ составляет не менее чем в 3^1/2 раза (в случае потерь это чуть более узкий диапазон коэффициентов κ).

Таким образом, для максимального выигрыша по коэффициенту снижения шума следует выбрать κ=0.4. При этом потери оказываются достаточно малыми ввиду того, что в работе описываемого здесь устройства принимают реальное участие не более 5-7 циркулирующих по второму каналу волоконного делителя волн с достаточно быстро убывающими амплитудами.

На Фиг.4 показан источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2. Первый выход первого делителя с помощью сварки световодов 17 соединяется с первым входом 18 второго делителя оптической мощности 19. При этом вторые вход и выход второго делителя соединены между собой также с помощью сварки световодов 20. Первый выход 21 второго делителя также соединяется с первым входом следующего волоконного делителя 22 из ряда N делителей. Вторые вход и выход каждого из N делителей также соединены друг с другом с помощью отрезка световода. Выходом источника в этом случае будет первый выход 23 N-го волоконного делителя. Для того чтобы все вторичные источники, образующиеся за счет циркуляции оптической мощности по световодам, соединяющим вторые вход и выход каждого делителя необходимо, чтобы длина световодов, соединяющих вторые вход и выход каждого последующего делителя были либо меньше на длину когерентности источника излучения, либо больше ее. В случае когда длина отрезка световода, соединяющего вторые вход и выход каждого последующего делителя будет меньше на длину когерентности излучения, чем длина предыдущего отрезка световода, то в этом случае необходимо, чтобы длина отрезка световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя была больше NL_к, где L_к - длина когерентности излучения источника. Если коэффициент деления мощности каждого делителя ряда из N делителей будет равен 0,4, то коэффициент снижения шума интенсивности составит величину n₀=(3^1/2)^N, таким образом, при использовании четырех волоконных делителей можно снизить шум интенсивности не менее чем в 9 раз, при этом суммарные потери оптической мощности всех некогерентных лучей при распространении по каналам делителей не более 0,6 дБ.

На Фиг.5 показан источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2, но с другим соединением волоконных концов делителей. Второй выход первого делителя 24 в виде отрезка одномодового волокна 25 методом дуговой сварки 26 соединен с отрезком одномодового световода 27 первого входа второго делителя 28. Первый выход и второй вход первого делителя соединены с помощью сварки световодов 29. Второй вход и первый выход второго делителя соединены методом дуговой сварки 30 двух соответствующих отрезков световодов. Первый выход в виде отрезка одномодового волокна 31 второго делителя соединен с первым входом следующего из N делителей, а второй выход N-го делителя 32 служит выходом источника излучения, при этом второй вход и первый выход N-го делителя соединены между собой с помощью дуговой сварки 33 соответствующих световодов. Оптимальным коэффициентом деления по прямому каналу волоконных делителей с использованием такой схемы соединения делителей будет к=0,6.