СПОСОБ СТЫКОВКИ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С ОДНОМОДОВЫМИ СВЕТОВОДАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК G02B6/30 G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной и интегральной оптики и может быть использовано при изготовлении интегрально-оптической схемы, содержащей Y-разветвитель и фазовые модуляторы и используемой в волоконно-оптических гироскопах.

Волоконно-оптический гироскоп интерферометрического типа содержит в своем составе кольцевой оптоволоконный интерферометр и электронный блок обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр состоит из источника оптического излучения, первого волоконного разветвителя, интегрально-оптической схемы, волоконной чувствительной катушки и фотоприемника [1]. Луч света от источника оптического излучения проходит первый волоконный разветвитель, делится на два луча одинаковой оптической мощности, один из которых поступает на вход Y-делителя оптической мощности интегрально-оптической схемы. Этот луч, в свою очередь, делится этим делителем также на два луча одинаковой интенсивности, которые, проходя выходные плечи Y-делителя, поступают в концы световода чувствительной катушки кольцевого интерферометра и проходят ее в двух взаимно противоположных направлениях, после чего снова поступают на Y-делитель оптической мощности. Два луча, прошедшие чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, смешиваются Y-делителем в один луч, часть которого через первый волоконный разветвитель попадает на площадку фотоприемника. Таким образом, два смешанных луча, прошедшие чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, образуют на площадке фотоприемника интерференционную картину. Интенсивность излучения на фотоприемнике пропорциональна величине:

Р_р≈Р₀(1+cosФ_S)

где Р₀ - мощность каждого из лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях,

Ф_S - разность фаз между лучами, возникающая за счет эффекта Саньяка.

Разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, возникающая за счет эффекта Саньяка, выражается следующим образом:

где R - радиус чувствительной катушки,

L - длина световода чувствительной катушки,

λ - длина волны излучения источника,

с - скорость света в вакууме,

Ω - угловая скорость вращения.

Как видно из выражения для интенсивности на фотоприемнике, кольцевой оптоволоконный интерферометр обладает практически нулевой чувствительностью к вращению при малых угловых скоростях. Для оптимизации чувствительности кольцевого интерферометра к вращению при малых угловых скоростях в нем используется вспомогательная фазовая модуляция. Как правило, наиболее часто используется импульсная фазовая модуляция разности фаз лучей кольцевого интерферометра с амплитудой ±π/2 рад и частотой f_M=1/2τ, где τ - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки кольцевого интерферометра. При этом на выходе синхронного усилителя электронного блока обработки информации выделяется сигнал, пропорциональный величине:

U_СУ˜Р₀sinФ_S

Из выражения для сигнала на выходе синхронного усилителя следует, что при использовании вспомогательной фазовой модуляции кольцевой интерферометр имеет максимальную чувствительность к вращению при малых угловых скоростях.

Для облегчения нахождения волоконно-оптического гироскопа в зоне максимальной чувствительности при любых угловых скоростях, а также для получения высокой линейности и стабильности (стабильности масштабного коэффициента) выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа используется считывание разности фаз Саньяка компенсационным способом. В этом случае с помощью фазового модулятора между лучами кольцевого интерферометра вносится невзаимная разность фаз путем подачи на фазовый модулятор ступенчатого пилообразного напряжения [1]. Вносимый невзаимный фазовый сдвиг лучей кольцевого интерферометра с помощью пилообразного ступенчатого напряжения компенсирует разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка. Невзаимный фазовый сдвиг пропорционален частоте ступенчатого пилообразного напряжения и, таким образом, компенсация разности фаз Саньяка осуществляется подбором частоты компенсирующей пилы. В этом случае на выходе синхронного детектора наблюдается нулевой уровень сигнала, при этом для выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа справедливо следующее соотношение:

где Ω(t) - текущая угловая скорость вращения,

n₀ - показатель преломления материала световода,

D - диаметр волоконной чувствительной катушки,

f(t) - частота компенсирующей фазовой пилы.

Величина M=λn₀/D является масштабным коэффициентом волоконно-оптического гироскопа.

Для обеспечения оптимальной вспомогательной фазовой модуляции, а также компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом оптоволоконном интерферометре необходимо использование фазовых модуляторов с достаточно большой полосой пропускания. Максимально этим требованиям отвечают интегрально-оптические фазовые модуляторы на основе канальных волноводов Y-делителя оптической мощности. Для использования интегрально-оптической схемы, содержащей в своем составе Y-делитель и фазовые модуляторы, необходимо решить проблему стыковки канальных волноводов интегрально-оптической схемы, сформированных в подложке ниобата лития, с одномодовыми волоконными световодами первого волоконного разветвителя и волоконной чувствительной катушки. Для устранения обратноотраженных лучей, возникающих из-за рассогласования показателей преломления стыкуемых друг с другом ниобата лития, в котором сформированы канальные волноводы, и основного кварца, являющегося материалом одномодовых волоконных световодов, используются скошенные под некоторым углом торцы подложки интегрально-оптической схемы. Обратноотраженные от торцов подложки лучи могут привести как к паразитной засветке фотоприемника, которая ухудшает чувствительность волоконно-оптического гироскопа, так и к возникновению паразитного интерферометра Майкельсона, который может привести к образованию зоны нечувствительности гироскопа в области малых угловых скоростей. Обратноотраженные от торца подложки интегрально-оптической схемы лучи не захватываются и не канализируются канальными волноводами в том случае, если угол скоса θ₀ больше или равен так называемому критическому углу канального волновода:

где n₁, n₂ - показатели преломления материалов подложки и канального волновода соответственно.

При распространении светового луча из канального волновода в световедущую жилу одномодового световода и обратно в плоскости их совмещения из-за различия показателей преломления материалов подложки и световода он претерпевает изменение направления своего распространения, и для того чтобы это направление совпадало с направлением оси световедущей жилы световода необходимо, чтобы торец световедущей жилы также имел скос под углом θ₁=(n₂/n_c)θ₀, где n_c - показатель преломления материала оболочки световода, который, как правило, превышает критический угол для одномодового световода , где n₀ - показатель преломления материала световедущей жилы [2].

Известен одновременный способ стыковки пары и более канальных волноводов с помощью укладки стыкуемых световодов в V-образные канавки, которые нарезаны в подложке ниобата лития с определенным шагом. Шаг выбирается таким образом, чтобы у уложенных в них одномодовых световодов расстояние между световедущими жилами было строго фиксировано и равнялось расстоянию между канальными волноводами интегрально-оптической схемы. Укладка световодов в V-образные канавки должна производиться с учетом обеспечения сохранения состояния поляризации оптического излучения, проходящего из канального волновода в световод и обратно. Канальные волноводы, сформированные в подложке ниобата лития по титан-диффузионной технологии, являются сохраняющими состояние поляризации излучения из-за наличия двулучепреломления в кристалле ниобата лития, а также за счет эллиптичности формы световодов, то есть в канальном волноводе имеются ортогональные оси двулучепреломления, которые ориентированы, как правило, в плоскости подложки и перпендикулярно ей. Для стыковки с канальными волноводами интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа используются одномодовые волоконные световоды, сохраняющие поляризацию оптического излучения, также наведенного в световедущей жиле за счет линейного двулучепреломления. Двулучепреломление в световедущей жиле наводится либо за счет придания ей эллиптической формы, либо созданием в ней регулярных механических напряжений. Регулярные механические напряжения в световедущей жиле создаются специально сформированными с двух противоположных направлений от световедущих жил зонами, состоящими из материала с коэффициентом температурного расширения, превышающим коэффициент температурного расширения остального материала световода, и поэтому они создают в световедущей жиле строго ориентированные, растягивающие световедущую жилу усилия. В этом случае в световедущей жиле за счет фотоупругого эффекта возникает линейное двулучепреломление, имеющее две ортогональные оси ("быструю" и "медленную"), одна из которых совпадает с направлением растяжения световедущей жилы. Зоны создающие регулярные механические напряжения, могут быть самой различной формы: эллиптической (оболочка эллиптической формы вокруг световедущей жилы), веерообразной формы (световод типа "галстук-бабочка"), круговой формы (световод типа "PANDA"). Для обеспечения сохранения состояния поляризации оптического излучения в месте стыковки канальных волноводов интегрально-оптической схемы необходимо обеспечивать взаимную ориентацию осей двулучепреломления в канальных волноводах и световедущих жилах стыкуемых одномодовых световодов. В случае формирования канальных волноводов в подложке ниобата лития по протонобменной технологии он приобретает свойство проводить только одно линейное состояние поляризации, то есть он является поляризующим волноводом, обладающим строго ориентированной осью пропускания. В этом случае световоды в V-образных канавках ориентируются таким образом, чтобы ось пропускания излучения канального волновода совпадала с одной из двух осей двулучепреломления в световедущей жиле стыкуемого одномодового световода.

После укладки ориентированных определенным образом световодов в V-образные канавки они фиксируются в них с помощью специального оптического клея, после чего торец подложки с уложенными и вклеенными в V-канавки одномодовыми световодами, сохраняющими поляризацию оптического излучения, подвергается полировке с обеспечением угла скоса θ₁=(n₂/n_c)θ₀. Далее подготовленный таким образом стыковочный узел совмещается с торцом подложки интегрально-оптической схемы так, чтобы обеспечить соединение канальных волноводов со световедущими жилами одномодовых световодов, после чего осуществляется фиксация их взаимного положения с помощью специального оптического клея ультрафиолетового отверждения. Особенностью этого клея является то, что для уменьшения отражения от торцевых поверхностей в месте стыка он имеет, по возможности, среднее значение показателя преломления между показателями преломления материалов канального волновода и световедущей жилы. Другой особенностью специального оптического клея является то, что его полное отверждение происходит за время от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от дозы ультрафиолетового излучения.

Одним из недостатков известного способа стыковки пары канальных волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа с парой одномодовых световодов, сохраняющих поляризацию оптического излучения, является то, что у реальных световодов световедущая жила имеет непредсказуемые смещения относительно геометрического центра поперечного сечения световода, особенно это касается световодов, сохраняющих поляризацию оптического излучения. Таким образом, несмотря на высокую точность нарезания в подложке V-образных канавок в смысле постоянства расстояния между ними, тем не менее расстояние между световедущими жилами уложенных в эти канавки одномодовых световодов будут нестабильными из-за непредсказуемых смещений световедущих жил относительно геометрического центра поперечного сечения световодов, следствием чего будет значительное возрастание потерь оптической мощности в местах стыка канальных волноводов с одномодовыми световодами из-за их пространственного рассовмещения.

Другим недостатком известного способа является то, что процесс ориентации осей двулучепреломления одномодовых световодов относительно плоскости подложки при их укладке в V-образные канавки является достаточно трудоемким и трудно контролируемым и поэтому качество ориентации осей двулучепреломления может оказаться достаточно низким, что приводит к возникновению центров связи поляризационных мод одномодовых световодов при прохождении линейно поляризованного излучения из канального волновода в одномодовый световод в месте их стыка. Наличие центров связи поляризационных мод в одномодовых световодах с большим линейным двулучепреломлением, в конечном счете, приводит к нестабильности "нуля" волоконно-оптического гироскопа при воздействии на чувствительную катушку кольцевого интерферометра внешних дестабилизирующих факторов.

Еще одним недостатком известного способа стыковки является непрочность клеевого соединения подложки интегрально-оптической схемы и стыковочного узла с одномодовыми световодами при воздействии вибраций и влаги. Оптические клеи ультрафиолетового отверждения не обеспечивают достаточной прочности фиксации подложки схемы с узлом при нахождении в условиях влажной атмосферы.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь оптической мощности излучения в местах стыка пары канальных волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа с парой одномодовых волоконных световодов. Другой целью настоящего изобретения является повышение стабильности "нуля" волоконно-оптического гироскопа. Еще одной целью изобретения является повышение прочности клеевого соединения подложки интегрально-оптической схемы со стыковочным узлом.

Указанная цель достигается тем, что для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы используют двухжильный световод с подобранным расстоянием между жилами и их числовыми апертурами, канализирующий по световедущим жилам, по крайней мере, одно состояние поляризации оптического излучения, с расстоянием между световедущими жилами d>h, где h - расстояние между канальными волноводами интегрально-оптической схемы, на участке двухжильного световода выполняют биконическую перетяжку длиной L_П≤10 мм, после чего производят скол световода в области шейки биконической перетяжки. Далее, участок двухжильного световода вставляют во внутренне отверстие кварцевого капилляра с внешним диаметром D_К и фиксируют его с помощью клея с подобранным показателем преломления, после чего сошлифовывают торец двухжильного световода вместе с кварцевым капилляром под углом θ₁ в месте перетяжки двухжильного световода, в котором расстояние между световедущими жилами d'=h, затем торец подложки интегрально-оптической схемы с парой канальных волноводов отшлифовывают вместе с наклеенными сверху и снизу подложки двумя кварцевыми пластинами, толщину которых подбирают таким образом, чтобы центральные оси канальных волноводов находились на одинаковом расстоянии от краев нижней и верхней наклеенных на подложку кварцевых пластин, причем суммарную толщину Н подложки вместе с толщиной кварцевых пластин подбирают так, что Н≥D_K, после совмещения и склейки пары канальных волноводов интегрально-оптической схемы с парой световедущих жил двухжильного световода проводят дополнительную фиксацию их взаимного пространственного расположения с помощью сварки кварцевого капилляра с вклеенным в него двухжильным световодом в местах касания с кварцевыми пластинами, наклеенными на подложку интегрально-оптической схемы. Указанная цель достигается еще и тем, что изготавливают стыковочный узел, включающий в себя капилляр с вклеенным в него двухжильным световодом, для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы, при этом используют два отрезка одномодовых световодов с D-образным профилем поперечного сечения, для чего световоды совмещают друг с другом своими плоскими поверхностями, а затем помещают их внутрь кварцевого капилляра с диаметром внутреннего отверстия, равным максимальному размеру поперечного сечения двух сложенных вместе световодов, а расстояние между световедущими жилами d', равное расстоянию между канальными волноводами h обеспечивают путем травления внешней поверхности световодов перед их совмещением. Уменьшение потерь оптической мощности достигается за счет точного подбора расстояния между световедущими жилами двухжильного световода, равного расстоянию между канальными волноводами интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа. Точное расстояние подбирается опытным путем на участке двухжильного световода, на котором выполнена его перетяжка. На участке перетяжки расстояние между световедущими жилами в двухжильном световоде плавно изменяется и всегда можно найти тот участок перетяжки, на котором расстояние между ними точно соответствует расстоянию между канальными волноводами. Уменьшение потерь в самих канальных волноводах достигается за счет уменьшения радиуса их изгиба в Y-делителе оптической мощности, которое достигается за счет уменьшения расстояния между канальными волноводами на торце подложки интегрально-оптической схемы.

Повышение стабильности "нуля" волоконно-оптического гироскопа достигается за счет обеспечения более точного совмещения осей двулучепреломления канальных волноводов и световедущих жил стыкуемого двухжильного световода, так как при совмещении канальных волноводов и световедущих жил происходит автоматическая ориентация осей двулучепреломления. Повышение стабильности "нуля" достигается также и за счет использования поляризующего двухжильного световода.

Повышение механической прочности клеевого соединения канальных волноводов и световедущих жил двухжильного световода достигается за счет сварки между собой специальных кварцевых пластин, наклеенных на подложку интегрально-оптической схемы сверху и снизу с кварцевым капилляром, внутрь которого помещен двухжильный световод.

Уменьшение потерь оптической мощности в местах стыка интегрально-оптической схемы с двумя световодами с D-образной формой поперечного сечения достигается за счет точного подбора расстояния между световедущими жилами путем травления наружной поверхности световодов с D-образной формой поперечного сечения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 показаны конструкции двухжильных световодов, сохраняющих поляризацию излучения, и конструкция поляризующего двухжильного световода, которые могут быть использованы для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы. На Фиг.3 показан общий вид стыковочного узла и принцип подбора нужного расстояния между световедущими жилами в двухжильном световоде с помощью биконической перетяжки. На Фиг.4 показан принцип фиксации стыковочного узла с помощью сварки со стеклянными пластинами, наклеенными на поверхности подложки интегрально-оптической схемы. На Фиг.5 показана усовершенствованная полировка торца подложки интегрально-оптической схемы с наклеенными кварцевыми пластинами и способ ее дополнительной фиксации со стыковочным узлом. На Фиг.6 показан общий вид интегрально-оптической схемы с пристыкованными узлами, расположенными на общей кварцевой подложке. На Фиг.7 показан принцип формирования стыковочного узла с использованием одиночных световодов, сохраняющих поляризацию оптического излучения с D-образным профилем поперечного сечения.

Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа содержит в своем составе источник оптического излучения 1 (Фиг.1), первый волоконный разветвитель 2, интегрально-оптическую схему 3, волоконную чувствительную катушку 4 и фотоприемник 5. Для устранения обратноотраженных лучей торцы подложки интегрально-оптической схемы имеют угол скоса , где n₁ и n₂ - показатели преломления материалов канального волновода и подложки, соответственно. Канальные волноводы Y-делителя интегрально-оптической схемы формируются в подложке ниобата лития, обладающего линейным электрооптическим эффектом, по титан-диффузионной или протонно-обменной технологии [2]. Наиболее предпочтительной для волоконно-оптического гироскопа, по целому ряду причин, считается протонно-обменная технология, которая позволяет получить в ниобате лития канальные волноводы Y-делителя, обладающие поляризующим свойством, то есть канализирующие только линейное состояние поляризации оптического излучения вполне определенной ориентации. Фазовые модуляторы формируются на выходных участках канальных волноводов Y-делителя оптической мощности путем нанесения на поверхность подложки по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов. При подаче на электроды электрического напряжения в канальных волноводах возникает электрическое поле, которое изменяет показатель преломления материала канального волновода в зависимости от его величины и, таким образом, приводит к эффекту фазовой модуляции оптического излучения, проходящего по канальным волноводам Y-делителя. Фазовые модуляторы на основе канальных волноводов, сформированных в подложке ниобата лития, обладают достаточной широкополосностью, чтобы осуществлять вспомогательную модуляцию и компенсацию разности фаз Саньяка с помощью импульсных сигналов сложной формы, для которых требуется достаточно широкая полоса пропускания фазовых модуляторов.

Для обеспечения высоких точностных характеристик волоконно-оптических гироскопов необходимо обеспечение малых потерь оптической мощности в интегрально-оптической схеме, а также одинаковой мощности лучей, распространяющихся по световоду чувствительной катушки в двух взаимно противоположных направлениях. Оба эти условия могут быть выполнены только в случае, если расстояние между канальными волноводами и световедущими жилами одинаково. Этого можно добиться, если стыковать пару канальных волноводов интегрально-оптической схемы со специальным двухжильным световодом. Двухжильный световод изготавливается следующим образом [3]. Заготовку для одномодового волоконного световода, сохраняющего поляризацию излучения, отшлифовывают с одной стороны таким образом, чтобы плоскость шлифовки была параллельна одной из двух осей двулучепреломления, наведенного в световедущей жиле. После этого поперек отшлифованной плоской поверхности нарезаются канавки полукруглой формы шириной и глубиной 0.6-1 мм. Затем таким же образом подготавливается вторая заготовка, после чего эти две заготовки совмещаются друг с другом своими плоскими поверхностями с обязательным совмещением поперечных канавок и сплавляются друг с другом на тепломеханическом станке изготовления заготовок так, чтобы поперек заготовки оставались воздушные промежутки, образованные поперечными канавками. После этого на установке вытяжки световодов вытягивается световод, который состоит из чередующихся участков. Один участок представляет собой двухжильный световод, а другой - два самостоятельных отрезка световодов, находящихся в общем защитно-упрочняющем покрытии, каждый из которых содержит в себе одну из световедущих жил двухжильного световода. На Фиг.2 показаны поперечные сечения возможных конструкций двухжильных световодов, сохраняющих поляризацию оптического излучения. Двухжильный световод 6 содержит две световедущие жилы эллиптической формы 7. Двулучепреломление в таких световодах возникает из-за эллиптичности формы световедущих жил. Оси двулучепреломления такого световода совпадают с большой и малой осями эллипса ("медленная" и "быстрая" оси). Использование двухжильного световода со световедущими жилами эллиптической формы целесообразно при стыковке с парой канальных волноводов, имеющих разные размеры канала в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Как правило, оси двулучепреломления или ось пропускания (поляризующий канальный волновод) также совпадает с направлениями максимального и минимального размеров канальных волноводов.

Для стыковки с канальными волноводами интегрально-оптической схемы также может использоваться двухжильный световод 8 с круглой световедущей жилой 9, отражающей оболочкой 10 и растягивающей ее оболочкой эллиптической формы 11. Оболочка состоит из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно превышающим соответствующий коэффициент остального материала световода, и поэтому эллиптическая оболочка в круглой световедущей жиле создает регулярные механические напряжения, за счет которых, благодаря фотоупругому эффекту, в ней наводится линейное двулучепреломление. Оси двулучепреломления в световедущей жиле также совпадают с большой и малыми осями эллипса наружной оболочки.

Для стыковки также может использоваться двухжильный световод 12 с круглыми световедущими жилами 13 и зонами 14 веерообразной формы (световод типа "галстук-бабочка"), создающими регулярные механические напряжения. В двухжильном световоде 15 с круглыми световедущими жилами 16 регулярные механические напряжения создаются зонами 17 круговой формы (световод типа "PANDA"). В световодах типа "галстук-бабочка" и "PANDA" одна из двух осей двулучепреломления совпадает с линией, соединяющей центр световедущей жилы и геометрические центры зон, создающих в световедущей жиле регулярные механические напряжения.

При использовании протонно-обменной технологии формирования канальных волноводов интегрально-оптической схемы, позволяющей получить поляризующие волноводы, целесообразно использовать также поляризующий одномодовый двухжильный световод 18, содержащий световедущие жилы 19, отражающую оболочку 20 с пониженным относительно чистого кварца показателем преломления (W-профиль распределения показателя преломления в заготовке) и нагружающие зоны круговой формы 21. Особенностью световодов с W-профилем показателя преломления является то, что они имеют быстровозрастающие спектральные потери практически сразу же за длиной волны отсечки в длинноволновой области спектра. В световодах с большим линейным двулучепреломлением, сосредоточенным только в световедущей жиле, две собственные поляризационные моды имеют различные длины волн отсечки и поэтому существует спектральное окно, в котором наблюдается однополяризационный режим работы световода [4].

Стыковка пары канальных волноводов интегрально-оптической схемы с двухжильным световодом производится следующим образом. При изготовлении двухжильного световода обеспечивается расстояние между световедущими жилами, несколько превышающее расстояние между канальными волноводами. Этот процесс является достаточно хорошо регулируемым, так как заготовки для световода имеют внешний диаметр ˜8-9 мм, а световедущая жила ˜0.4-0.8 мм в зависимости от рабочей длины волны в спектральном диапазоне 0.8-1.5 мкм. При таких размерах заготовки и световедущей жилы в ней расстояние от отшлифованной поверхности до световедущей жилы регулируется с достаточной степенью точности. Для точного подбора расстояния между световедущими жилами на участке двухжильного световода 2 (Фиг.3) выполняется биконическая перетяжка 23 с таким расчетом, чтобы в области шейки 24 биконической перетяжки расстояние между световедущими жилами двухжильного световода было несколько меньше расстояния между канальными волноводами интегрально-оптической схемы. После этого в области шейки биконической перетяжки осуществляется скол двухжильного световода и двухжильный световод помещается во внутреннее отверстие кварцевого капилляра 25 с диаметром D_K и фиксируется в нем с помощью специального оптического клея 26 с малым коэффициентом усадки при отвердевании. Далее осуществляется срез 27 кварцевого капилляра в месте, где расстояние между световедущими жилами точно соответствует расстоянию между канальными волноводами под углом к световедущим жилам двухжильного световода, при этом плоскость среза перпендикулярна плоскости, проходящей через центры световедущих жил. Расстояние между световедущими жилами контролируется с помощью инструментального микроскопа. Более точный подбор расстояния между световедущими жилами производится при необходимости дополнительной шлифовкой и последующей полировкой плоскости среза кварцевого капилляра. Длина биконической перетяжки делается не более 10 мм с тем, чтобы длина стыковочного узла была не более 5 мм, что необходимо для минимизации габаритных размеров интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа.

Перед операцией совмещения стыковочного узла с интегрально-оптической схемой на подложку 28 (Фиг.4) интегрально-оптической схемы со сформированными в ней канальными волноводами 29 сверху и снизу наклеиваются кварцевые пластины 30 и 31. Их толщина выбирается таким образом, чтобы суммарная толщина Н кварцевых пластин и подложки была равна или превышала диаметр D_K кварцевого капилляра, используемого при изготовлении стыковочного узла, то есть H≥D_K. При этом толщина кварцевых пластин выбирается таким образом, чтобы центры канальных волноводов находились на одинаковом расстоянии H/2 от верхней и нижней границ пластин. После этого производят совмещение канальных волноводов и световедущих жил двухжильного световода и фиксируют оптическим клеем ультрафиолетового отверждения. После отверждения клея производят дополнительную фиксацию стыковочного узла относительно подложки интегрально-оптической схемы с помощью, например, точечной сварки кварцевого капилляра стыковочного узла с кварцевыми пластинами, наклеенными на подложку интегрально-оптической схемы в местах 32. Точечная сварка может производиться с помощью либо кислородно-водородной микрогорелки, либо с помощью точечной лазерной сварки. Наиболее предпочтительным вариантом геометрии дополнительной фиксации в рассматриваемом случае является вариант, когда точки фиксации лежат в вершинах квадрата.

Другим вариантом фиксации, который позволяет уменьшить диаметр кварцевого капилляра стыковочного узла и невыхождение его за пределы суммарной толщины подложки интегрально-оптической схемы с наклеенными на нее кварцевыми пластинами, является вариант, когда осуществляется дополнительная сошлифовка торца интегрально-оптической схемы, причем плоскости дополнительной сошлифовки 33 должны составлять угол с плоскостью торца интегрально-оптической схемы β≥θ₀ (Фиг.5), где θ₀ - угол, обеспечивающий устранение обратноотраженных лучей от торцов канальных волноводов, при этом ширина и высота области 34 по размерам должна соответствовать диаметру кварцевого капилляра стыковочного узла, поэтому дополнительную фиксацию стыковочного узла относительно интегрально-оптической схемы можно осуществить в местах 35 (Фиг.5). В этом случае точечную сварку можно осуществлять в восьми точках, что позволяет значительно повысить стабильность пространственного положения канальных волноводов интегрально-оптической схемы относительно световедущих жил двухжильного световода. Интегрально-оптическая схема с пристыкованными к ее концам стыковочными узлами (узел с одножильным световодом 36 (Фиг.6)) может располагаться и фиксироваться на общем основании 37, представляющем собой также кварцевую пластину, что также способствует обеспечению более высокой устойчивости характеристик интегрально-оптической схемы в условиях воздействия на нее внешних дестабилизирующих факторов (температуры, вибраций и т.д.).

Одним из достоинств использования двухжильных световодов для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы является то, что их конструкции и особенности изготовления допускают значительные уменьшения расстояний между канальными волноводами, которые в настоящее время используются на практике. При использовании технологии изготовления стыковочных узлов с помощью нарезки V-канавок с последующей укладкой в них одиночных световодов, расстояние между световедущими жилами соседних волокон не может быть меньше диаметра световода. При использовании двухжильных световодов это расстояние может быть меньше диаметра световодов. Возможность уменьшения расстояния между канальными волноводами позволяет увеличить радиус их кривизны в Y-делителе интегрально-оптической мощности, что позволяет значительно уменьшить потери оптической мощности излучения, распространяющегося в Y-делителе.

Двухжильные световоды в случае использования для стыковки с канальными волноводами также позволяет уменьшить трудоемкость технологического процесса ориентации осей двулучепреломления стыкуемых одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию оптического излучения.

Точность ориентации осей двулучепреломления двухжильного световода всецело зависит от точности шлифовки заготовки для световода, сохраняющего поляризацию излучения при изготовлении двухжильного световода. Точность ориентации осей двулучепреломления закладывается на стадии изготовления заготовки двухжильного световода и зависит от того, насколько плоскость шлифовки заготовки параллельна одной из двух осей двулучепреломления в заготовке. Ориентация осей двулучепреломления двухжильного световода при стыковке с канальными волноводами интегрально-оптической схемы при совмещении пары световедущих жил и пары канальных волноводов происходит автоматически, а при изготовлении стыковочного узла ориентации осей двулучепреломления не требуется.

Но наиболее предпочтительной стыковкой канальных волноводов интегрально-оптической схемы с точки зрения обеспечения высоких точностных характеристик волоконно-оптического гироскопа является стыковка с однополяризационными одномодовыми световодами. Стабильность нуля волоконно-оптического гироскопа в зависимости от поляризационных характеристик оптических компонентов кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа можно представить в виде:

где Δψ_П - паразитная разность фаз лучей кольцевого интерферометра из-за несовершенства поляризационных характеристик его элементов,

ηζ - остаточная степень поляризации излучения источника,

ε² - коэффициент поляризационной экстинкции протонно-обменного канального волновода на длине входного канального волновода и одного из его выходных плеч,

α - доля мощности поляризационной моды, переходящей в ортогональную в месте стыка канального волновода со световедущеи жилой одномодового световода,

h - коэффициент межмодовой поляризационной связи в пристыкованных к канальным волноводам одномодовых световодах,

L_γ - длина деполяризации излучения в пристыкованных световодах,

L_М - длина выходного плеча Y-делителя интегрально-оптической схемы.

В высокоточных волоконно-оптических гироскопах очень часто используются волоконные суперфлюоресцентные источники, которые имеют следующие типичные характеристики:

ηζ=10^-2,

λ₀=1550 мкм - центральная длина волны излучения,

Δλ=10 нм - ширина линии излучения.

Канальные волноводы, сформированные по протонно-обменной технологии имеют коэффициент поляризационной экстинкции ˜ε²=10^-6 и длину выходных плеч Y-делителя L_М=20 мм. Одномодовые волоконные световоды с большим линейным двулучепреломлением имеют длину поляризационных биений ≅50 мм (на длине волны λ₀=1550 нм) и коэффициент межмодовой поляризационной связи h=10^-4 1/м. В волоконно-оптическом гироскопе с параметрами чувствительной катушки R=0.05 м (радиус чувствительной катушки), L=10³ м (длина световода чувствительной катушки), при этом L_γ=0.045 м, паразитное смещение нуля α=0 будет составлять Δ Ω_пар≈0.0045 град/час. Случай α=0 соответствует ситуации, когда ось пропускания протонно-обменного волновода Y-делителя интегрально-оптической схемы при стыковке идеально сориентирована с одной из двух осей двулучепреломления одномодового волоконного световода. В случае же, когда рассогласование осей будет, например, порядка 1°, паразитное смещение нуля волоконно-оптического гироскопа возрастает до величины 0.4 град/час, то есть паразитное смещение нуля волоконно-оптического гироскопа возрастает почти в 100 раз. В условиях изменения температуры окружающей среды эта величина паразитного смещения нуля будет определять случайную составляющую дрейфа нуля прибора. Решением проблемы обеспечения стабильности нуля волоконно-оптического гироскопа может быть использование однополяризационных одномодовых световодов для стыковки с канальными волноводами Y-делителя. В этом случае даже при наличии нарушения ориентации осей пропускания канальных волноводов и одномодовых волоконных световодов, ортогональная составляющая поляризации в одномодовом световоде эффективно отфильтровывается поляризующим световодом и паразитное смещение нуля волоконно-оптического гироскопа резко уменьшается.

Стыковка канальных волноводов может проводиться и с одиночными световодами, сохраняющими поляризацию излучения или поляризующими. В этом случае световод 38 (Фиг.7), находящийся в защитно-упрочняющем покрытии 39, имеет D-образную форму поперечного сечения. Световод имеет световедущую жилу 40 и нагружающие стержни круговой формы 41, наводящие в световедущей жиле двулучепреломление. Плоская поверхность световода 42 параллельна одной из двух осей двулучепреломления в жиле, направленных по осям х и y. Расстояние от плоской поверхности до центра световедущей жилы выбирают несколько больше, чем половина расстояния между канальными волноводами интегрально-оптической схемы. После снятия защитно-упрочняющего покрытия верхнюю поверхность световода подвергают травлению в плавиковой кислоте так, чтобы после травления световод 43 имел расстояние от плоской поверхности до центра световедущей жилы, равное половине расстояния между канальными волноводами. Контроль расстояния от плоской поверхности до центра световедущей жилы осуществляют с помощью инструментального микроскопа. После этого таким же образом подготавливают второй отрезок световода 44, после чего эти два световода совмещаются друг с другом своими плоскими поверхностями и помещаются внутрь капилляра 45 с внутренним диаметром, равным максимальному размеру поперечного сечения двух совмещенных друг с другом световодов. Затем капилляр с помощью газовой микрогорелки или электрического разряда установки сварки одномодовых волоконных световодов подвергают нагреванию для сплавления волокон друг с другом и с капилляром. После этого торец капилляра вместе с волокнами отшлифовывают и затем полируют. Подготовленный таким образом стыковочный узел стыкуют с канальными волноводами интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа.

ЛИТЕРАТУРА

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

[2] H.Lefevre "The Fiber Optic Gyroscope" Artech House, INC., 1993.

[3] Курбатов А. и др. "Способ получения одномодового волоконного световода". Патент РФ №2043313 от 10.09.1995.

[4] А.М.Курбатов. "Одномодовый волоконный световод для поляризационного медового фильтра". Патент №2040493 от 25.07.95, заявка №4529325 от 9.04.90.

Изобретение относится к области волоконной и интегральной оптики и может быть использовано при изготовлении интегрально-оптической схемы, используемой в волоконно-оптических гироскопах. Стыковку канальных волноводов осуществляют со специальными двухжильными световодами, которые могут иметь однополяризационный режим работы, а увеличение прочности клеевого соединения достигается за счет дополнительной фиксации кварцевого стыковочного капилляра, с вклеенным в него двухжильным световодом, с интегрально-оптической схемой путем сварки. Технический результат - уменьшение потерь оптической мощности излучения, повышение стабильности "нуля" волоконно-оптического гироскопа, а также повышение прочности клеевого соединения канальных волноводов с одномодовыми световодами. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ стыковки канальных волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа с одномодовыми световодами, заключающийся в совмещении пары канальных волноводов схемы, имеющих углы скоса торцов , где n₁ и n₂ - показатели преломления материалов канального световода и подложки, соответственно, с двумя одномодовыми световодами, имеющих скосы торцов световедущих жил под углом θ₁=(n₂/n_с)θ₀, где n_c - показатель преломления материала оболочки световода, и последующем соединении их друг с другом с помощью оптического клея, отличающийся тем, что для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы используют двухжильный световод с подобранным расстоянием между жилами и их числовыми апертурами, канализирующий по световедущим жилам, по крайней мере, одно состояние поляризации оптического излучения, с расстоянием между световедущими жилами d>h, где h - расстояние между канальными волноводами интегрально-оптической схемы, на участке двухжильного световода выполняют биконическую перетяжку длиной L_П≤10 мм, после чего производят скол световода в области шейки биконической перетяжки, далее, участок двухжильного световода вставляют во внутреннее отверстие кварцевого капилляра с внешним диаметром D_K и фиксируют его с помощью клея с подобранным показателем преломления, после чего сошлифовывают торец двухжильного световода вместе с кварцевым капилляром под углом θ₁ в месте перетяжки двухжильного световода, в котором расстояние между световедущими жилами d'=h, затем торец подложки интегрально-оптической схемы с парой канальных волноводов отшлифовывают вместе с наклеенными сверху и снизу подложки двумя кварцевыми пластинами, толщину которых подбирают таким образом, чтобы центральные оси канальных волноводов находились на одинаковом расстоянии от краев нижней и верхней наклеенных на подложку кварцевых пластин, причем суммарную толщину Н подложки вместе с толщиной кварцевых пластин подбирают так, что Н≥D_K, и после совмещения и склейки пары канальных волноводов интегрально-оптической схемы с парой световедущих жил двухжильного световода проводят дополнительную фиксацию их взаимного пространственного расположения с помощью сварки кварцевого капилляра с вклеенным в него двухжильным световодом в местах касания с кварцевыми пластинами, наклеенными на подложку интегрально-оптической схемы.2. Способ стыковки канальных волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа с одномодовыми световодами, заключающийся в совмещении пары канальных волноводов схемы, имеющих углы скоса торцов , где n₁ и n₂ - показатели преломления материалов канального световода и подложки, соответственно, с двумя одномодовыми световодами, имеющих скосы торцов световедущих жил под углом θ₁=(n₂/n_c)θ₀, где n_c - показатель преломления материала оболочки световода, и последующем соединении их друг с другом с помощью оптического клея, отличающийся тем, что изготавливают капилляр с вклеенным в него двухжильным световодом для стыковки с парой канальных волноводов интегрально-оптической схемы, при этом используют два отрезка одномодовых световодов с D-образным профилем поперечного сечения, для чего световоды совмещают друг с другом своими плоскими поверхностями, а затем помещают их внутрь кварцевого капилляра с диаметром внутреннего отверстия, равным максимальному размеру поперечного сечения двух сложенных вместе световодов, а расстояние между световедущими жилами d', равное расстоянию между канальными волноводами h, обеспечивают путем травления внешней поверхности световодов перед их совмещением.