11.03.2019
219.016.dde8

Способ изготовления волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
02176803
Дата охранного документа
10.12.2001
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Способ изготовления волноводов интегрально-оптической схемы для волоконно-оптического гироскопа заключается в формировании в подложке из материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, канальных волноводов Y-делителя оптической мощности луча. Ширина входного канального волновода обеспечивает длину волны отсечки входного канального волновода Y-делителя меньшей любой спектральной компоненты общего спектра излучения источника. Угол скоса α волноводов Y-делителя на торцах подложки определяется из условия где n - коэффициент преломления материала подложки, Δn - разность показателей преломления материалов канальных волноводов и подложки. Наносят металлические электроды в области расположения выходных канальных волноводов Y-делителя для создания в них электрического поля, стыкуют канальные волноводы Y-делителя с одномодовыми волоконными световодами. Обеспечивают путем подбора ширины канальных волноводов изгибных участков Y-делителя их длину волны отсечки, равную центральной длине волны спектра излучения источника. Ширину канальных волноводов Y-делителя в области расположения системы электродов подбирают так, чтобы их длина волны отсечки λ удовлетворяла условию λ≥ λ, где λ - спектральная компонента коротковолновой части общего спектра источника излучения по уровню 0,5. Разность показателей преломления Δn выбирают в диапазоне (7-12)•10. Обеспечено уменьшение потерь оптической мощности и уменьшен уровень паразитной модуляции. 1 ил., 3 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области интегральной и волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин.

Известен волоконно-оптический гироскоп, в кольцевом интерферометре которого используется интегрально-оптическая схема [1]. Кольцевой интерферометр гироскопа содержит источник широкополосного оптического излучения, обладающего, таким образом, малой длиной когерентности. В качестве источника используется, как правило, полупроводниковый суперлюминесцентный диод или волоконные суперфлюоресцентные источники на основе активированных световодов. Для обеспечения высоких точностных характеристик волоконно-оптического гироскопа, построенного на основе пассивного волоконного интерферометра Саньяка, необходимо, чтобы излучение источника было низкокогерентным, поэтому относительная ширина линии излучения, как правило, лежит в диапазоне
Δλ/λ0= 6•10-3-3•10-2,
где λ0 - центральная длина волны спектра излучения источника, а Δλ - ширина линии излучения по уровню 0,5, то есть излучение для обеспечения малой длины когерентности должно иметь достаточно широкий спектр излучения. Пассивный кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа содержит также волоконный разветвитель, волоконную чувствительную катушку, фотоприемник и интегрально-оптическую схему.

Интегрально-оптическая схема представляет из себя сформированные по титан-диффузионной или протон-обменной технологии канальные волноводы Y-делителя оптической мощности луча в подложке ниобата лития. Ниобат лития обладает линейным электро-оптическим эффектом, то есть при возникновении в нем электрического поля он изменяет показатель преломления. В области выходных канальных волноводов Y-делителя формируется система металлических электродов для создания в них электрического поля. При подаче на электроды электрического напряжения изменяется показатель преломления материала канального волновода и фаза оптических лучей кольцевого интерферометра изменяется в зависимости от величины приложенного к электродам электрического напряжения.

Y-делитель оптической мощности может работать в зависимости от угла расхождения выходных волноводов в месте их слияния с входным канальным волноводом в двух режимах. При малых углах расхождения Y-делитель работает в режиме расщепления мод. В этом случае для угла расхождения волноводов θp должно выполняться условие [2]

где Δβ - разность постоянных распространения основной моды и высшей моды первого порядка,
γ - поперечная компонента волноводного вектора электрического поля излучения.

Если входной канальный волновод является неодномодовым, то при θp≤ 0,8° вторая мода излучения проходит в один канал, а основная мода низшего порядка - во второй канал Y-делителя.

Поэтому в любом случае угол расхождения выходных канальных волноводов должен быть больше 0,8o. При θp> 0,8° Y-делитель работает в режиме деления волноводного фронта, и при наличии второй моды излучения во входном канальном волноводе Y-делителя интенсивность лучей в выходных канальных волноводах Y-делителя можно представить в виде:


где P0 - мощность основной моды излучения,
P1 - мощность высшей моды излучения,
Δθ - разность фаз между основной модой и модой высшего порядка.

Из этих выражений следует, что даже в случае работы Y-делителя в режиме деления волнового фронта излучения при наличии во входном канальном волноводе примеси моды более высокого порядка в зависимости от фазовых соотношений между этими модами коэффициент деления интенсивности оптического луча может отличаться от 1:1. И это отличие может быть тем значительнее, чем выше интенсивность моды более высокого порядка. Отличие коэффициента деления от значения 1:1 приводит к таким негативным последствиям в волоконно-оптическом гироскопе, как появление паразитного смещения нуля из-за эффектов фоторефракции в канальных волноводах Y-делителя и эффекта Керра в волоконной чувствительной катушке, которые возникают при неодинаковой интенсивности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Указанные выше эффекты могут привести не только к смещению нуля гироскопа, но и к случайным уходам нуля гироскопа при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, которые неизбежно вызывают изменение разности фаз Δθ между основной модой и модой более высокого порядка.

Для избежания влияния на точностные характеристики гироскопа эффектов фоторефракции и нелинейного эффекта Керра [3] необходимо, чтобы входной канальный волновод имел строго одномодовый режим работы для всего спектра излучения источника оптического излучения, использующегося в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, при относительной ширине линии излучения источника Δλ/λ0≈ 3•10-2 длина волны отсечки λc входного канального волновода Y-делителя должна удовлетворять соотношению λc≈ 0,9λ0, где λ0 - центральная длина волны спектра излучения источника. Длина волны отсечки канального волновода обычно подбирается шириной формируемого канального волновода.

При исследованиях характеристик волоконно-оптических гироскопов, в которых использовались интегрально-оптические схемы на основе Y-делителя оптической мощности, было обнаружено существование зоны нечувствительности гироскопа при малых угловых скоростях. Наличие зоны нечувствительности связано с существованием в интегрально-оптической схеме паразитного интерферометра Майкельсона, образующегося обратно отраженными лучами, распространяющимися в выходных канальных волноводах Y-делителя, от торца подложки. В самом деле, обратно отраженные лучи с заднего торца подложки, проходя во второй раз в обратном направлении интегрально-оптические фазовые модуляторы, смешиваются Y-делителем оптической мощности и попадают затем на фотоприемник, образуя на его площадке наряду с лучами кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа интерференционную картину. Интерференционные картины лучей кольцевого интерферометра и лучей паразитного интерферометра Майкельсона, образованного обратно отраженными от торца подложки лучами, являются независимыми из-за малой длины когерентности излучения источника, но разность фаз лучей этих интерферометров оказывается промодулированной на одинаковых частотах, и поэтому при малых угловых скоростях разность фаз лучей паразитного интерферометра Майкельсона воспринимается схемой обработки сигнала как разность фаз Саньяка. Но разность фаз паразитного интерферометра Майкельсона очень нестабильна, так как оптические дорожки интерферирующих лучей проходят по разным канальным волноводам, и поэтому схема обработки сигнала постоянно "сбивается", что и приводит к зоне нечувствительности волоконно-оптического гироскопа. Величина зоны нечувствительности гироскопа зависит от интенсивности лучей паразитного интерферометра Майкельсона, то есть от интенсивности обратно отраженных лучей от заднего торца подложки. С целью исключения образования обратно отраженных лучей торец подложки сошлифовывают под определенным углом с тем, чтобы отраженный луч не захватывался канальным волноводом. Угол скоса торца α, который определяется как угол между осью канального волновода и нормалью к отшлифованной поверхности, должен удовлетворять следующему условию:

где nс - показатель преломления материала подложки,
Δn - разность показателей преломления между материалом 1 канального волновода и материалом подложки.

В этом случае обратно отраженный луч от торца подложки не будет каналироваться в обратном направлении канальным волноводом Y-делителя. Для исключения возрастания уровня шума фотоприемника из-за обратно отраженного луча от переднего торца подложки интегрально-оптической схемы передний торец подложки также имеет угол скоса α.
Для использования интегрально-оптической схемы в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа канальные волноводы интегрально-оптической схемы должны быть состыкованы с одномодовыми волоконными световодами. Стыкуемые с канальными волноводами торцы одномодовых световодов также должны иметь углы скоса для сопряжения осей распространения излучения в световодах и канальных волноводах. Угол скоса торцев одномодовых световодов в этом случае должен удовлетворять условию:

где nв - показатель преломления материала одномодового световода.

Для обеспечения минимальных потерь оптической мощности в местах стыка одномодовых световодов с канальными волноводами интегрально-оптической схемы необходимо согласование модовых пятен излучения, распространяющегося в одномодовом световоде и канальном волноводе интегрально-оптической схемы. Однако канальные волноводы, сформированные в подложке из ниобата лития, имеют по глубине несколько меньший размер, чем по ширине, и поэтому для согласования с крупным модовым пятном одномодового волоконного световода пользуются усредненным модовым пятном канального волновода

где Wx - размер канального волновода по ширине,
Wy - размер канального волновода по глубине.

Величину коэффициента связи одномодового волоконного световода с канальным волноводом интегрально-оптической схемы можно определить по формуле, которая находится путем вычисления интеграла перекрытия полей [2]:

где Wc - размер модового пятна световода,
ε = Wx/Wy - отношение ширины канального волновода к его глубине.

Недостатком известного способа изготовления канальных волноводов следует считать то, что при выборе длины волны отсечки канальных волноводов Y-делителя λc≈ 0,9λ0 могут возникать потери оптической мощности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа на изгибных участках канальных волноводов Y-делителя. Для использования в волоконно-оптических гироскопах интегрально-оптическая схема должна обладать достаточно малыми габаритами, то есть длина корпуса схемы должна быть в пределах 30-40 мм и, кроме того, минимальное расстояние между парой канальных волноводов Y-делителя, в области которых формируется система металлических электродов для осуществления фазовой модуляции, составляет ~ 250 мкм, для того, чтобы иметь возможность стыковки с парой одномодовых световодов. Габариты корпуса модулятора и расстояние между канальными волноводами, а также длина участков канальных волноводов Y-делителя, которая должна обеспечить фазовую модуляцию лучей кольцевого интерферометра гироскопа с необходимой эффективностью, накладывают довольно жесткие требования на радиус кривизны канальных волноводов. Реально радиус кривизны канальных волноводов в Y-делителях интегрально-оптической схемы составляет величину Rс ≈ 100 мкм. При таких радиусах изгиба канальные волноводы имеют быстровозрастающие потери канализируемого излучения при удалении длины волны отсечки канального волновода от длины волны канализируемого излучения в коротковолновую область.

Другим недостатком известного способа изготовления канальных волноводов Y-делителя интегрально-оптической схемы является то, что при λc≈ 0,9λ0 на прямолинейных участках канальных волноводов Y-делителя, на которых осуществляется фазовая модуляция лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, при подаче на металлические электроды переменного модулирующего напряжения в канальных волноводах помимо эффекта модуляции фаз лучей возникает паразитная модуляция интенсивности лучей, проходящих по канальным волноводам Y-делителя интегрально-оптической схемы. Паразитная модуляция интенсивности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа приводит к нестабильности масштабного коэффициента гироскопа и к возникновению нестабильности смещения нуля. Уровень паразитной модуляции интенсивности лучей значительно возрастает при смещении длины волны отсечки канального волновода от рабочей дайны волны канализируемого излучения в коротковолновую область.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа в интегрально-оптической схеме, а также уменьшение уровня паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении канальных волноводов Y-делителя оптической мощности луча, в которых осуществляется фазовая модуляция лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.

Указанная цель достигается тем, что обеспечивают путем подбора ширины канальных волноводов изгибных участков Y-делителя их длину волны отсечки, равную центральной длине волны спектра излучения источника, а ширину канальных волноводов Y-делителя в области расположения системы электродов подбирают так, чтобы их длина волны отсечки по крайней мере превышала минимальное значение спектральной компоненты общего спектра излучения источника, при этом разность показателей преломления Δn выбирают в диапазоне (7-12)•10-3.

Уменьшение потерь оптической мощности на изгибных участках канальных волноводах Y-делителя достигается за счет увеличения длины волны отсечки канальных волноводов на их изгибных участках по сравнению с длиной волны отсечки входного канального волновода Y-делителя, а также за счет создания в канальном волноводе достаточно высокого Δn. Увеличение длины волны отсечки и Δn создают условия для большего удержания в канальном волноводе канализируемого излучения. Уменьшение уровня паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов фазовых модуляторов достигается за счет еще большего увеличения длины волны отсечки канальных волноводов, а также за счет увеличения Δn. Уменьшение уровня паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра достигается также за счет создания условий для большего удержания в канальном волноводе каналируемого излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежом на котором изображен общий вид интегрально-оптической схемы для волоконно-оптического гироскопа.

Интегрально-оптическая схема для волоконно-оптического гироскопа изготавливается следующим образом. На подложке из ниобата лития 1 методом, например, протонного обмена формируются канальные волноводы Y-делителя оптической мощности луча. Кристалл ниобата лития обладает линейным двулучепреломлением, то есть в кристалле имеются две ортогональные оси двулучепреломления, по которым могут распространяться две моды излучения с ортогональными друг к другу поляризующими электрического поля с разными фазовыми скоростями, что эквивалентно тому, что для одной поляризации показатель преломления материала равен nс (необыкновенный луч), а для другой поляризации показатель преломления равен n0 (обыкновенный луч). При проведении процесса протоннного обмена при замене ионов лития протонами показатель преломления nс для необыкновенного луча возрастает. При проведении протонного обмена с помощью бензойной кислоты показатель преломления для необыкновенного луча может возрастать до Δnс = 0,12, при этом показатель преломления для обыкновенного луча понижается до Δn0 = -0,04. Таким образом, при проведении протонного обмена канальный волновод образуется только для необыкновенного луча, в свою очередь, для обыкновенного луча канальный волновод является антиволноводом. В силу этого обстоятельства протон-обменный канальный волновод является однополяризационным с высоким коэффициентом поляризационной экстинкции, что позволяет достигать очень высокой поляризационной стабильности смещения нуля в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа [4].

Входной канальный волновод 2 Y-делителя должен быть строго одномодовым для всего спектра источника излучения, применяемого в волоконно-оптическом гироскопе. Так как ширина канального волновода обычно всегда несколько больше его глубины, то для выполнения условия его одномодовости его ширина h1 должна удовлетворять следующему соотношению:

при Δn << nс
где V - нормализованная частота,
nc - показатель преломления материала подложки,
Δn - разница показателей преломления между материалом канального волновода для канализируемой поляризации излучения и материалом подложки,
λc - длина волны отсечки канального волновода.

Для случая когда профиль распределения показателя преломления в канальном волноводе представляет собой ступенчатую функцию, величина V ≈ 2,4. Длина волны отсечки λc канального волновода шириной h1 должна быть выбрана так, чтобы она была меньше любой спектральной компоненты общего спектра излучения источника, применяемого в волоконно-оптическом гироскопе. Таким образом, выполняется основное условие, обеспечивающее коэффициент деления оптической мощности луча Y-делителем любой компоненты спектра излучения источника 1: 1, то есть мощность любой спектральной компоненты входного луча делится пополам между вновь образованными двумя лучами кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. При абсолютной идентичности лучей кольцевого интерферометра как по спектру, так и по величине мощности исключается влияние на точность волоконно-оптического гироскопа эффекта Керра [3] (при недостаточной ширине спектра излучения источника), а также эффекта фоторефракции [5].

Одним из основных требований к Y-разветвителю на основе канальных волноводов является малые потери оптической мощности лучей, проходящих канальные волноводы Y-разветвителя. Наиболее критичными с этой точки зрения являются изгибные участки канальных волноводов 3, 4 Y-разветвителя. Для обеспечения минимального уровня потерь оптической мощности лучей, распространяющихся по изгибному канальному волноводуЮ необходимо выполнение следующего условия [6] :

где h2 - ширина изгибных участков канальных волноводов Y-разветвителя,
- параметр моды в отражающей оболочке (направляемые моды),
Rс - радиус изгиба канального волновода.

Из приведенного соотношения следует, что чем ближе длина волны отсечки изгибного канального волновода к длине волны излучения источника и чем больше разность показателей преломления Δn между материалом канального волновода и материалом подложки, тем меньше потери в изгибном канальном волноводе.

В таблицах 1-3 приведены результаты теоретических расчетов допустимого радиуса кривизны канального волновода в зависимости от положения длины волны отсечки λc и разности показателей преломления между материалом канального волновода и материалом подложки.

При расчетах использовалась центральная длина волны излучения волоконного источника на основе активизированного эрбием световода ≈ 1,54•10-6 м, который получил широкое применение в высокоточных волоконно-оптических гироскопах. Из данных таблиц 1-3 следует, что критический радиус кривизны канального волновода значительно возрастает при удалении длины волны отсечки канального волновода от центральной длины волны излучения источника в коротковолновую область, то есть безусловное выполнение требований к одномодовости входного канального волновода Y-делителя приводит к возрастанию потерь оптической мощности на изгибных участках канальных волноводов Y-делителя. Поэтому для уменьшения потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра ширину изгибных участков канальных волноводов Y-делителя выбирают несколько большей ширины входного канального волновода с тем, чтобы длина волны отсечки изгибных канальных волноводов была равна центральной длине волны излучения источника. В этом случае возбуждение мод высшего порядка на изгибных участках волноводов маловероятно и увеличения потерь оптической мощности за счет высветки в местах изгибов канальных волноводов, по-видимому, не будет.

Для минимизации потерь изгибы канальных волноводов должны быть достаточно плавными. При разработке топологического рисунка канальных волноводов Y-делителя изгибные участки канальных волноводов обычно описываются кусками косинусоиды с ее вершинами в месте перехода входного канального волновода в два выходных канальных волновода Y-делителя и в местах перехода изгибных канальных волноводов в два параллельных канальных волновода 5, 6, на которых формируются фазовые модуляторы. Наименьший радиус кривизны канальные волноводы имеют в области вершин косинусоиды, которой описываются изгибы канальных волноводов, так как в этих местах изменение производной из этой функции максимально. Радиус кривизны канальных волноводов, очевидно, зависит от протяженности участка L1 (см. чертеж), а также расстояния H0 между выходными канальными волноводами Y-делителя. Длина входного канального волновода должна быть не менее 7 мм для обеспечения нормального режима работы Y-делителя по коэффициентам деления оптической мощности луча. Длина участков канальных волноводов, на которых формируются фазовые модуляторы для обеспечения эффективности фазовой модуляции не менее 1 рад/В, должна быть не менее 20 мм, таким образом, для обеспечения общей длины подложки интегрально-оптической схемы не более 34 мм длина участка L1 должна быть ~ 7 мм. Общая длина подложки ~ 34 мм с учетом пристыкованных к канальным волноводам чипов с одномодовыми световодами обеспечивает длину корпуса модулятора не более 50 мм, что позволяет создавать достаточно компактные конструкции волоконно-оптических гироскопов.

Критический радиус кривизны Rc канальных волноводов Y-разветвителя может быть расчитан по формуле

где H'0 = H0 - h2, ϕ ≈ 0,17. При H0 = 0,50 мм, L1 = 5 мм, минимальный радиус кривизны канальных волноводов составляет ~ 90 мкм, а при H0 = 0,25 мм, L1 = 7 мм он равен 435 мкм. При стыковке пары одномодовых световодов с парой канальных волноводов Y-разветвителя трудно обеспечить хорошее качество клеевого соединения при расстоянии между канальными волноводами меньше 250 мкм, поэтому при расчетах Rc используются минимальное значение H0 = 250 мкм. При увеличении H0 критический радиус кривизны Rc канальных волноводов возрастает, что может привести и к возрастанию потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра. Более того, необходимо иметь определенный запас по величине критического радиуса кривизны, так как при использовании предельного его значения при малейших технологических неидеальностях изготовления изгибных канальных волноводов в них может возникнуть разность потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра. Разность потерь оптической мощности лучей может привести к потери точности волоконно-оптического гироскопа из-за влияния на смещение нуля кольцевого интерферометра эффектов Керра и фоторефракции. Из приведенных выше таблиц следует, что минимальным значением Δn при формировании канальных волноводов следует считать Δn = 7•10-3, так как в этом случае при λc= λ0, где λ0 - центральная длина волны излучения источника, использующегося в волоконно-оптическом гироскопе, Rc ≈ 349 мкм. Дальнейшее повышение Δn приводит к уменьшению значения критического радиуса кривизны канального волновода.

Интегрально-оптическая схема для волоконно-оптического гироскопа помимо поляризующих канальных волноводов Y-делителя в своем составе содержит два фазовых модулятора, которые образуются системой металлических электродов 7, 8, 9. Центральный электрод 7 является общим. На чертеже показано расположение электродов в случае выбора ниобата лития с ориентацией осей, присущей Х-срезу. Таким образом, электрическое поле, создаваемое в канальных волноводах, располагается в поперечной плоскости волновода перпендикулярно его оси. При подаче электрического напряжения на электроды электрическое поле изменяет показатель преломления материала канального волновода и происходит модуляция фазы оптического луча. Но помимо модуляции фазы оптического луча в интегрально-оптических модуляторах присутствует паразитный эффект модуляции интенсивности луча, проходящего по канальному волноводу, что в конечном счете ухудшает точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа. Для исключения влияния на смещение нуля гироскопа эффекта паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра на частоте вспомогательной фазовой модуляции электроды двух фазовых модуляторов соединены попарно, но в случае, когда уровень паразитной модуляции интенсивности в двух фазовых модуляторах имеет разное значение, что вполне возможно в реальной ситуации, этот эффект имеет негативное влияние на стабильность масштабного коэффициента гироскопа, которое проявляется через нарушение нормальной работы схемы подстройки амплитуды компенсирующей фазовой пилы в схеме волоконно-оптического гироскопа с закрытым контуром [2]. Поэтому очень важно сконструировать канальный волновод фазовых модуляторов таким образом, чтобы обеспечить минимально возможный уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Уровень паразитной модуляции интенсивности связан со способностью удерживать канализируемое излучение волноводом, как и в случае изгибов канальных волноводов. Механизм возникновения паразитной модуляции интенсивности лучей, по всей видимости, связан с модуляцией Δn канальных волноводов, и поэтому для минимизации паразитной модуляции интенсивности необходимо увеличивать Δn волноводов, а также сдвигать длину волны отсечки их в более длинноволновую область. Как следует из расчетов, приведенных в таблицах 1-3, при превышении длины волны отсечки канальных волноводов рабочих длин волн источника излучения удержание основной моды излучения в канальном волноводе увеличивается. Поэтому целесообразно длину волны отсечки канальных волноводов Y-делителя, являющихся фазовыми модуляторами, подбором ширины канального волновода h3 выбрать таким образом, чтобы
λc≥ λmin
где λmin - спектральная компонента коротковолновой части общего спектра источника излучения по уровню 0,5.

Возбуждение моды более высокого порядка на участке канального волновода длиной ~ 20 мм маловероятно, а если это и будет происходить, то интенсивность ее будет невелика по сравнению с интенсивностью основной моды излучения. На характеристиках волоконно-оптического гироскопа межмодовая интерференция не должна сказываться, так как при прямом прохождении лучей кольцевого интерферометра возникшая мода более высокого порядка эффективно отфильтровывается световодом чувствительной катушки гироскопа, а при обратном прохождении лучей кольцевого интерферометра мода более высокого порядка также эффективно отфильтровывается на изгибных участках канальных волноводов и входном канальном волноводе Y-делителя и далее при прохождении одномодового световода волоконного разветвителя оптической мощности луча. Таким образом, при работе канальных волноводов Y-делителя, являющихся фазовыми модуляторами, в квазиодномодовом режиме достигается такой режим, при котором уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра является минимальным, и в силу этого удается значительно повысить точностные характеристики волоконно-оптических гироскопов.

Повышение разницы показателей преломления между материалом канального волновода и материалом подложки Δn также благотворно сказывается на уменьшении уровня паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра, так как в этом случае также улучшается удержание канализируемой канальным волноводом основной моды излучения. Повышение Δn приводит также к уменьшению ширины канального волновода, и поэтому металлические электроды, создающие электрическое поле в нем, могут располагаться ближе друг к другу, что в свою очередь при одном и том же напряжении на электродах приводит к большей концентрации электрического поля в канальном волноводе, что в конечном счете приводит к повышению эффективности фазовой модуляции в фазовых модуляторах в интегрально-оптической схеме волоконно-оптического гироскопа. При повышении Δn становится допустим более короткий участок Y-делителя L1 и также участки канальных волноводов, являющихся фазовыми модуляторами, что позволяет создавать более компактные интегрально-оптические схемы для волоконно-оптических гироскопов.

Подложка интегрально-оптической схемы имеет скосы 10 торцов под углом при Δn << nс.

Скосы необходимы для исключения обратно отраженного луча от переднего торца подложек, который, попадая на фотоприемник, значительно увеличивает его постоянную засветку, что приводит к возрастанию шумов и, как следствие, к ухудшению чувствительности волоконно-оптического гироскопа к вращению. Обратно отраженные лучи от заднего торца подложки интегрально-оптической схемы образуют паразитный интерферометр Майкельсона, который при малых угловых скоростях приводит к образованию зоны нечувствительности волоконно-оптического гироскопа. Скосы на заднем торце подложки исключают образование паразитного интерферометра Майкельсона. При очень маленькой длине когерентности излучения источника углы скоса заднего торца подложки могут быть и меньше указанного выше значения, но при этом такой величины, чтобы обеспечивать разность хода лучей паразитного интерферометра Майкельсона, несколько большую, чем длина когерентности излучения источника.

В высокоточных волоконно-оптических гироскопах обычно используются световоды для чувствительных катушек с большим линейным двулучепреломлением для обеспечения свойств сохранения состояния поляризации излучения, распространяющегося по световоду чувствительной катушки. Наиболее перспективной и отработанной конструкцией одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения для высокоточных гироскопов, является световод типа "PANDA" [7] . Для достижения предельных характеристик световода "PANDA" по сохранению поляризации излучения он имеет минимально допустимый диаметр ~ 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра световода его характеристики по сохранению поляризации излучения ухудшаются, ухудшается и прочность световода. При использовании световодов "PANDA" для намотки чувствительных катушек с диаметром световода ~ 80 мкм обеспечиваются достаточно малые их габариты при достаточно высоких достигаемых при этом технических характеристиках. В настоящее время световоды, сохраняющие поляризацию излучения, с диаметром кварцевой нити ~ 80 мкм становятся гироскопическим стандартом. Расчет оптимальной конструкции световода "PANDA" с диаметром кварцевой нити ~ 80 мкм с обеспечением максимально возможной величины двулучепреломления показывает, что световод "PANDA" должен иметь разность показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой Δn0 ≈ 18•10-3. Это обстоятельство требует от канального волновода Y-делителя оптической мощности выполнения вполне определенных требований по Δn для обеспечения согласования модовых пятен в канальных волноводах, стыкуемых с одномодовыми волоконными световодами "PANDA" чувствительной катушки гироскопа. Обычно длина волны отсечки в световодах выбирается из условия λ

c
c
= 0,95λ0, где λ0 - центральная длина волны излучения источника. При относительной ширине линии источника
Δλ/λ0≈ 1,3•10-2 длина волны отсечки канального волновода выбирается из условия λ
в
c
= 1,065λ0, которое позволяет минимизировать уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра, при прохождении ими канальных волноводов фазовых модуляторов. Условием хорошего согласования модовых пятен является равенство диаметра световедущей жилы световода и усредненного модового пятна канального волновода
где WX - ширина канального волновода, WY - его глубина. Величина ε y канальных волноводов, сформированных протон-обменным способом, обычно составляет ε = 1,25. Тогда для Δn - в канальном волноводе справедливо следующее соотношение:

где n0 - показатель преломления материала световода,
nc - показатель преломления материала подложки интегрально-оптической схемы,
Vв - нормализованная частота для основной моды в канальном волноводе,
Vс - нормализованная частота одномодового световода при Vв = Vс = 2,4, n0 = 1,46, nc = 2,23 (ниобат лития), Δn ≈ 12•10-3.

При стыковке одномодового световода волоконного разветвителя с входным канальным волноводом интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа при Δn ≈ 12•10-3 в канальных волноводах Y-разветвителя одномодовый волоконный световод разветвителя должен иметь длину волны отсечки λc= 0,95λ0 и разность показателей преломления Δn = 20-22•10-3.

Источники информации.

1. Sanders G.A. et alii, "Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications", SPIE, V.2837, 1996, pp. 61-71.

2. Т.Тамир. Волноводная оптоэлектроника. - М.: Мир - 1991 г.

3. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптические гироскопы. - М.: Радио и связь. 1987 г.

4. А. М. Курбатов. Волоконно-оптический гироскоп с использованием одномодовых волоконных световодов с большим линейным двулучепреломлением. НТС "Вопросы авиационной науки и техники. Серия "Бортовые приборы навигационного контроля и управления" Вып. 4А, 1990, с. 60-71.

5. Атучин В. В., Кострицкий С.М. Оптические характеристики волноводных слоев Cu: H: TaO3. "Автометрия", N 2, 1997.

6. А. Снайдер. Дж. Лав. Теория оптических волноводов. - М.: Радио и связь, 1987 г.

7. А. М.Курбатов и др. Способ получения одномодового волоконного световода. Патент N 2043313 от 10.09.95 г.

Способизготовленияволноводовинтегрально-оптическойсхемыдляволоконно-оптическогогироскопа,заключающийсявформированиивподложкеизматериала,обладающеголинейнымэлектрооптическимэффектом,канальныхволноводовY-делителяоптическоймощностилуча,приэтомширинавходногоканальноговолноводаобеспечиваетдлинуволныотсечкивходногоканальноговолноводаY-делителяменьшейлюбойспектральнойкомпонентыобщегоспектраизлученияисточника,приэтомуголскосаαволноводовY-делителянаторцахподложкиопределяетсяизусловиягдеn-коэффициентпреломленияматериалаподложки,Δn-разностьпоказателейпреломленияматериаловканальныхволноводовиподложки,нанесениисистемыметаллическихэлектродоввобластирасположениявыходныхканальныхволноводовY-делителядлясозданиявнихэлектрическогополяистыковкеканальныхволноводовY-делителясодномодовымиволоконнымисветоводами,отличающийсятем,чтообеспечиваютпутемподборашириныканальныхволноводовизгибныхучастковY-делителяихдлинуволныотсечки,равнуюцентральнойдлиневолныспектраизлученияисточника,аширинуканальныхволноводовY-делителявобластирасположениясистемыэлектродовподбираюттак,чтобыихдлинаволныотсечкиλудовлетворялаусловиюλ≥λ,гдеλ-спектральнаякомпонентакоротковолновойчастиобщегоспектраисточникаизлученияпоуровню0,5,приэтомразностьпоказателейпреломленияΔnвыбираютвдиапазоне(7-12)•10.
Источник поступления информации: Роспатент

Всего документов: 19
Всего документов: 6

Похожие РИД в системе

Защитите авторские права с едрид