Результат интеллектуальной деятельности: Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп

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.], которое включает оптически соединенные широкополосный 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 сформированные с 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 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, 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-ответвителя соединен 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-оптическому контуру 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 2 соединен 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, которая представляет 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 волновода. Поскольку 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 сплавной X-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.