СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА УСТРАНЕНИЯ ОБРАТНООТРАЖЕННОГО ЛУЧА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2005 года по МПК G02B6/28 G01C19/72 

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

Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе кольцевой пассивный оптоволоконный интерферометр и электронный блок обработки информации. Кольцевой пассивный интерферометр содержит в своем составе [1] источник оптического излучения, первый волоконный разветвитель, интегрально-оптическую схему, волоконную чувствительную катушку и фотоприемник. Источник излучения обычно представляет из себя либо полупроводниковый суперлюминесцентный диод, состыкованный с отрезком одномодового световода, либо волоконный суперфлюоресцентный источник на основе активированного редкоземельными элементами световода. Особенностью этих источников является то, что они обладают малой длиной когерентности излучения, что позволяет значительно повысить точность волоконно-оптических гироскопов. Волоконный разветвитель изготавливается по тянуто-сплавной технологии с использованием изотропных одномодовых волоконных световодов. Интегрально-оптическая схема содержит в своем составе Y-делитель оптической мощности луча на основе канальных волноводов, сформированных по протонно-обменной технологии в подложке ниобата лития, а также два фазовых модулятора, располагающихся на выходных плечах интегрально-оптического Y-делителя. Волоконная чувствительная катушка наматывается обычно с использованием световодов, сохраняющих поляризацию излучения и в зависимости от требуемых характеристик волоконно-оптического гироскопа содержит от 200 до 1000 м световода. Фотоприемник представляет собой обычно малошумящий p-i-n фотодиод с малой входной емкостью.

Луч света от источника излучения поступает на первый входной отрезок одномодового световода волоконного разветвителя, делится им на два луча приблизительно одинаковой интенсивности, один из которых с первого выходного отрезка световода поступает на вход интегрально-оптической схемы. Далее луч света делится Y-разветвителем снова на два луча одинаковой интенсивности, которые проходят световод волоконной чувствительной катушки и фазовые модуляторы интегрально-оптической схемы в двух взаимно противоположных направлениях, затем эти два луча поступают снова на Y-разветвитель, смешиваются им, проходят в обратном направлении волоконный разветвитель и со второго входного отрезка световода разветвителя попадают на фотоприемник, на площадке которого они образуют интерференционную картину. Интенсивность излучения на фотоприемнике можно представить следующим выражением:

I_Ф=Р₀(1+cosφ_s),

где Р₀ - мощность излучения каждого из интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра;

φ_s - разность фаз Саньяка.

Постоянная засветка фотоприемника определяет уровень дробового шума, а дробовый шум определяет чувствительность волоконно-оптического гироскопа к вращению.

Но уровень дробового шума фотоприемника может значительно возрасти из-за обратноотраженных лучей в оптической схеме кольцевого интерферометра. Основными источниками обратноотраженных лучей являются поверхности, на границе которых имеются скачки показателя преломления. Такими поверхностями являются, например, место стыка отрезка одномодового световода, являющегося первым выходом волоконного разветвителя, с подложкой интегрально-оптической схемы. Показатель преломления плавленого кварца (материал световода) равен 1.46, а показатель преломления материала подложки (ниобат лития) равен 2.23, то есть имеется в месте стыка значительный скачок показателя преломления. Для устранения обратноотраженного луча от места стыка световода с подложкой интегрально-оптической схемы торец световода и торцевая поверхность подложки отполировываются под определенным углом таким образом, чтобы обратноотраженный луч падал по направлению к оси световедущей жилы под углом α, который превышает так называемый критический угол , где n₀ - показатель преломления внешней защитной оболочки световода, Δn₀ - разность показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой световода. Угол скоса торцов подбирают таким образом, чтобы угол отражения луча от поверхности раздела α≥α_кр. Второй поверхностью раздела, которая может быть источником обратноотраженного луча, является торцевая поверхность отрезка одномодового волоконного световода, который служит вторым выходным концом волоконного разветвителя. Мощность обратноотраженного луча от торца одномодового световода, находящегося в воздухе, может достигать 5% от мощности падающего на поверхность раздела двух сред луча. Ослабление суммарной мощности лучей кольцевого интерферометра, несущих информацию о скорости вращения гироскопа, при прохождении элементов оптической схемы кольцевого интерферометра лежит в пределах 25-30 дБ по сравнению с мощностью излучения на выходе источника, мощность же обратноотраженного луча без принятия специальных мер может быть меньше в ~400 раз мощности излучения на выходе источника. Таким образом, постоянная засветка фотоприемника может возрасти за счет обратноотраженного луча в 10 раз, что приводит к ухудшению чувствительности волоконно-оптического гироскопа более чем в 3 раза. Основными методами борьбы с обратноотраженным лучом от торца свободного конца световода волоконного разветвителя являются либо сошлифовка торцевой поверхности под углом α, превышающим критический угол α_кр, либо отрезок световода скручивается в несколько витков очень малого радиуса с тем, чтобы дошедший до поверхности раздела луч имел очень большие потери оптической мощности и, дойдя до границы раздела, был бы ослаблен по мощности.

Основными недостатками известных устройств по устранению обратноотраженного луча являются большая трудоемкость технологического процесса механической шлифовки торцов одномодовых световодов, а также недостаточный срок службы скрученного в кольца малого радиуса отрезка одномодового световода из-за больших механических напряжений, возникающих в световоде при его скрутке в кольца малого радиуса, что может привести к ухудшению чувствительности волоконно-оптического гироскопа в любой момент времени его эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является увеличение технологичности изготовления устройства устранения обратноотраженного луча, а также повышения срока его службы.

Указанная цель достигается тем, что формируют W-профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении одномодового световода, затем на отрезке световода формируют биконическую перетяжку с углом конусности α_к, на некоторых ее участках превышающего критический угол α_кр, и с образованием в средней части биконической перетяжки волновода типа стекло-воздух, затем помещают биконическую перетяжку в кварцевый капилляр, заполняют оставшийся внутренний объем кварцевого капилляра иммерсионным составом с показателем преломления n≥n₀, где n₀ - показатель преломления внешней защитной оболочки световода, после чего внутренний объем капилляра герметизируют, затем отрезок одномодового волоконного световода соединяют путем сварки с отрезком многомодового световода, который, в свою очередь, с другого конца соединен также путем сварки с отрезком кварцевой нити, состоящей из чистого кварцевого стекла с защитно-упрочняющим покрытием с показателем преломления большим, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла.

Улучшение технологичности изготовления устройства достигается за счет применения более простых и более технологичных операций при изготовлении устройства. Увеличение срока службы достигается за счет того, что устройство не содержит критичных к разрушению во времени элементов конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведена оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 показан общий вид биконической перетяжки отрезка одномодового волоконного световода. На Фиг.3 показаны кривые критического угла конусности биконической перетяжки косинусоидальной формы в зависимости от степени перетяжки световода с W-профилем распределения показателя преломления, характеризующейся различными значениями параметра λ. На Фиг.4 показан графически процесс возникновения потерь оптической мощности луча при уменьшении длины биконической перетяжки. На Фиг.5 показано графически увеличение потерь оптической мощности луча при изменении параметра λ W-профиля распределения показателя преломления в поперечном сечении световода. На Фиг.6 показан процесс сварки отрезка одномодового световода с отрезком многомодового световода и отрезком кварцевой нити с антиволноводом внутри.

Как уже отмечалось выше, кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа (Фиг.1) содержит в своем составе источник излучения 1, волоконный разветвитель 2, интегрально-оптическую схему 3, волоконную чувствительную катушку 4 и фотоприемник 5. Обратноотраженный луч образуется путем отражения в отрезке световода 6 от торцевой поверхности 7 этого отрезка. Обратноотраженный луч в зависимости от потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра в элементах оптической схемы способен ухудшить чувствительность волоконно-оптического гироскопа более чем в 3 раза.

Обратноотраженные лучи от мест стыка одномодовых волоконных световодов с канальными волноводами интегрально-оптической схемы, сформированными в подложке ниобата лития, устраняются путем выполнения скосов как на торцах пристыкованных световодов, так и скосов торцевых поверхностей подложки из ниобата лития.

На Фиг.2 показан первый фрагмент устройства устранения обратноотраженных лучей от торцевой поверхности отрезка любого световода. Отрезок одномодового световода представляет собой отрезок кварцевой нити 8, содержащей внутри световедущую жилу 9 и показанную пунктирной линией отражающую оболочку 10. Внешняя сторона кварцевой нити покрыта защитно-упрочняющим покрытием 11, представляющим собой обычно какую-либо разновидность эпоксиакрилатной смолы быстрого ультрафиолетового отверждения. На участке одномодового волоконного световода путем его разогрева с помощью, например, дуги электрического разряда до температуры плавления, а затем последующей растяжки формируется биконическая перетяжка 12. Поместим биконическую перетяжку в систему координат yz. Так как биконическая перетяжка симметрична по оси z, ось у проходит в области шейки. В этом случае угол конусности биконической перетяжки и, следовательно, световедущей жилы определяется следующим выражением:

где L_П - длина биконической перетяжки,

R_Ж - радиус световедущей жилы одномодового волоконного световода до перетяжки,

R_Ш - радиус световедущей жилы световода в области шейки биконической перетяжки.

Это выражение справедливо в случае, когда сформированная перетяжка имеет косинусоидальную форму. После формирования биконической перетяжки она помещается внутрь кварцевого капилляра 13, внутренний объем которого заполняется иммерсионным составом 14. Для того чтобы исключить контакт внутренней части капилляра с окружающим воздухом, он с обоих концов заклеивается клеем 15. Этот клей обычно представляет собой тот же самый полимер, который используется для защитно-упрочняющего покрытия волоконных световодов. Герметизация внутренней части кварцевого капилляра позволяет исключить контакт с воздушной средой оголенной части кварцевой нити, представляющей собой биконическую перетяжку, так как кварцевая нить без защитно-упрочняющего покрытия от контакта с воздухом очень быстро разрушается из-за деградации микротрещин, которые практически всегда имеются на ее поверхности, при воздействии на них паров воды, которые всегда присутствуют в воздухе. Иммерсионный состав в этом случае может представлять как затвердевающий со временем оптический клей, так и жидкость, например глицерин. В любом случае иммерсионный состав должен представлять собой в начальной фазе жидкость, которая с помощью, например, шприца достаточно легко закачивается внутрь капилляра.

Для обеспечения минимальных потерь оптической мощности луча, распространяющегося по биконической перетяжке, существует условие плавности перехода [2], которое накладывает определенное условие на угол конусности световедущей жилы в области биконической перетяжки:

где n₀ - показатель преломления внешней защитной оболочки световода,

Δn₀ - разность показателей преломления между материалом световедущей жилы и материалом отражающей оболочки световода,

V - нормализованная частота,

- параметр основной моды одномодового волоконного световода в оболочке (направляемая мода).

Знак равенства определяет критический угол конусности световедущей жилы в области конусного перехода, при превышении которого нарушается условие плавности конусного перехода, и в этом случае основная мода световода испытывает большие потери оптической мощности при распространении в области конусного перехода. На Фиг.3 показаны кривые критического угла конусности световедущей жилы в области конусного перехода для одномодовых волоконных световодов с W-профилем распределения показателя преломления в поперечном сечении одномодового волоконного световода [3]. W-профиль распределения показателя преломления характеризуется параметром 2, который определяется как:

где n₀ - показатель преломления чистого кварцевого стекла, являющегося внешней защитной оболочкой одномодового волоконного световода,

n₂ - показатель преломления материала отражающей оболочки световода,

n₁ - показатель преломления материала световедущей жилы.

Семейство кривых 17 [3] определяет критический угол θ_кр=|dρ(z)/dz| конусного перехода в зависимости от степени перетяжки световода (ρ/ρ₀), где ρ₀ - радиус световедущей жилы в световоде до перетяжки, ρ - текущий радиус световедущей жилы в области конусного перехода.

На Фиг.3 показаны кривые θ_кр для λ=0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5. Из чертежа следует, что при увеличении λ при более слабой перетяжке световода критический угол θ_кр тем не менее быстро убывает, если для λ=0 перетяжка световода (ρ/ρ₀) возможна практически с любым значением, то при λ=0.5 степень перетяжки (ρ/ρ₀) допустима с коэффициентом не менее 0.8. При λ>0.5 допустимый коэффициент перетяжки для обеспечения минимальных потерь интенсивности излучения основной моды световода еще более возрастает. Случай λ=0 соответствует световоду со скомпенсированной по показателю преломления отражающей оболочкой, то есть когда показатель преломления отражающей оболочки равен показателю преломления чистого кварцевого стекла, из которого состоит защитная оболочка световода (n₀=n₂). Для устройства устранения обратноотраженного луча необходимо решить обратную задачу, то есть необходимо обеспечить как можно большие потери оптической мощности основной моды световода с тем, чтобы отраженный от торца световода луч был как можно слабее. С этой точки зрения, наиболее предпочтительным является выбор параметра λ=∞, то есть когда n₀=n₁, при n₀>n₂.

При коэффициенте перетяжки световода ≈0.4 в центральной части биконической перетяжки образуется волновод типа "стекло-воздух". При значениях нормализованной частоты V≤1.1 в одномодовом световоде световедущая жила теряет способность канализировать излучение, основная мода полностью высвечивается в отражающую оболочку и распространяется в ней, именно так происходит в области шейки биконической перетяжки, когда коэффициент перетяжки световода (ρ/ρ₀)≤0.4. Но излучение продолжает канализироваться шейкой биконической перетяжки, так как внешняя среда, то есть воздух имеет (ρ/ρ₀)≤0.4. Но излучение продолжает канализироваться шейкой биконической перетяжки, так как внешняя среда, то есть воздух имеет показатель преломления ниже, чем показатель преломления световода, и шейка перетяжки в этом случае уже играет роль световедущей жилы.

На Фиг.4 показаны кривые 18,19 критического угла конусности биконического перехода при λ=0. В этом случае перетяжка может быть сформирована непосредственно на отрезке одномодового волоконного световода, являющемся вторым выходным концом волоконного разветвителя. Отличие кривых 18 и 19 состоит в том, что Δn₀₁>Δn₀₂, где Δn₀₁ и Δn₀₂ - разности показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой двух типов одномодовых световодов, из которых изготавливается волоконный разветвитель. Чем больше Δn в световоде, тем значение критического угла конусности больше.

Распределение угла конусности в биконической перетяжке косинусоидальной формы показано кривыми 20, 21, 22. Как видно из аналитического выражения для , приведенного выше, наибольший угол конусности биконической перетяжки наблюдается в средней ее части. И он быстро убывает в области начала перетяжки. Величина угла конусности косинусоидальной биконической перетяжки в средней ее части прямо пропорционально зависит от длины биконической перетяжки. При длине биконической перетяжки L1П

с коэффициентом перетяжки (ρ/ρ₀)≈0.3 (в области шейки заведомо существует волновод типа "стекло-воздух'') в световодах с Δn₀₁ и Δn₀₂ потерь оптической мощности канализируемого излучения не возникает. В световоде с Δn₀₂ возникают потери канализируемой моды, так как угол конусности в некоторой ее области превышает критический угол θ_кр, являющийся условием канализации без потерь. Область превышения представлена заштрихованной областью 23, и чем больше по площади эта область, тем большие потери испытывает основная мода волоконного световода. При потери канализируемого излучения возникают и в биконической перетяжке световода с Δn₀₁, о чем свидетельствует появление заштрихованной области 25.

Еще большие потери оптической мощности канализируемого излучения возникают при использовании световода с W-профилем распределения показателя преломления. На Фиг.5 показана кривая 24 критического утла конусности θ_кр для световода с λ=0 и кривая 25 критического угла θ_кр конусности того же световода с пониженным показателем преломления отражающей оболочки световода. Для одной и той же биконической перетяжки длиной L0П

, описываемой кривой угла конусности αПк 26, область перекрытия 27 кривой θ_кр световода с λ=0 значительно меньше области перекрытия 28 θ_кр световода с λ=0.5. Отсюда следует, что для достижения максимальных потерь канализируемого излучения на конусном переходе биконической перетяжки использование световодов с W-профилем распределения показателя преломления является более выгодным. Дополнительные потери оставшейся интенсивности канализируемого излучения можно вызвать, если внутренний объем капилляра заполнить иммерсионным составом с показателем преломления n>n₀. При выполнении этого условия в области шейки биконической перетяжки возникает антиволновод вместо волновода типа "стекло-воздух".

Обратноотраженный луч можно еще более ослабить, если торец отрезка одномодового волоконного световода соединить с отрезком многомодового волоконного световода (Фиг.6), состоящего из кварцевой нити 29, содержащей световедущую жилу 30, и имеющего внешнее защитное покрытие 31. Световоды могут быть приварены друг к другу, например, методом дуговой сварки 32. На границе сваренных друг с другом световодов перепада показателя преломления практически не существует, так как световоды состоят из идентичного материала. Особенность многомодового световода состоит в том, что он имеет значительно большую по диаметру световедущую жилу и в нем могут распространяться тысячи мод. Обратноотраженный луч от второго торца многомодового световода также имеет многомодовую структуру и поэтому при обратном поступлении в световедущую жилу одномодового волоконного световода практически полностью теряется из-за слабой связи многомодового излучения и основной модой одномодового световода.

Обратноотраженный луч можно еще более ослабить, если ко второму концу многомодового световода приварить отрезок кварцевой нити 33 с антиволиоводом внутри 34 и покрытого защитно-упрочняющим покрытием 35. Антиволновод имеет пониженный показатель преломления материала в центральной своей части. Отрезок кварцевой нити с антиволноводом внутри может вполне представлять собой обычная кварцевая нить, состоящая из чистого кварцевого стекла с защитно-упрочняющим покрытием с показателем преломления, большим, чем показатель преломления кварцевого стекла.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Sanders et. all "Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications" SPIE v.2837 pp.61-71, 1996.

[2] А.Снайдер, Дж.Лав "Теория оптических волноводов", Москва: "Радио и связь", 1987.

[3] W.J.Stewart, J.D.Love "Design limitation on tapers and couplers in single fibers" International Conference on integrated optics and optical fiber communication, 5, 1985, Venezia.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и волоконных датчиков физических величин на основе оптических интерферометров. В поперечном сечении световода формируют W-образный профиль распределения показателя преломления, затем на отрезке световода формируют биконическую перетяжку с углом конусности α_к, превышающим на некоторых участках критический угол α_кр, и с образованием в средней части биконической перетяжки волновода типа "стекло-воздух". Биконическую перетяжку помещают в кварцевый капилляр, оставшийся объем которого заполняется иммерсионным составом с показателем преломления n>n₀, где n₀ - показатель преломления внешней защитной оболочки световода, после чего внутренний объем капилляра герметизируют. Затем отрезок одномодового волоконного световода соединяют путем сварки с отрезком многомодового световода, который с другого конца соединяют сваркой с отрезком кварцевой нити, состоящей из чистого кварцевого стекла с защитно-упрочняющим покрытием с показателем преломления, большим, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла. Обеспечено увеличение технологичности изготовления устройства и повышение срока его службы. 6 ил.

Способ изготовления устройства устранения обратноотраженного луча для волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в использовании отрезка одномодового волоконного световода, отличающийся тем, что формируют W-профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении одномодового световода, затем на отрезке световода формируют биконическую перетяжку с углом конусности α_к на некоторых ее участках превышающего критический угол α_кр, и с образованием в средней части биконической перетяжки волновода типа стекло-воздух, затем помещают биконическую перетяжку в кварцевый капилляр, заполняют оставшийся внутренний объем кварцевого капилляра иммерсионным составом с показателем преломления n≥n₀, где n₀ - показатель преломления внешней защитной оболочки световода, после чего внутренний объем капилляра герметизируют, затем отрезок одномодового волоконного световода соединяют путем сварки с отрезком многомодового световода, который, в свою очередь, с другого конца соединен, также путем сварки, с отрезком кварцевой нити, состоящей из чистого кварцевого стекла с защитно-упрочняющим покрытием с показателем преломления, большим, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла.