ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА КОЛЬЦЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ОШИБКИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ГИРОСКОПЕ Российский патент 2013 года по МПК G01C19/72 G01B9/02 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (далее по тексту - ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов.

ВОГ содержит в своем составе кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Оптическая схема кольцевого интерферометра (КИ) содержит источник оптического излучения, первый делитель оптических лучей, поляризатор, второй делитель оптических лучей, фазовый модулятор, многовитковую волоконную чувствительную катушку и фотоприемник. Это оптическая схема КИ так называемой "минимальной" конфигурации [1].

В реальных приборах оптические компоненты КИ, такие как второй делитель оптических лучей и фазовый модулятор, объединяются в виде интегрально-оптической схемы (далее по тексту - ИОС) КИ. На выходных плечах Y-делителя ИОС, сформированного на подложке ниобата лития и выполняющего роль второго делителя оптических лучей, формируются фазовые модуляторы путем нанесения металлических электродов по обе стороны от канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения в канальных волноводах Y-делителя ИОС возникает эффект фазовой модуляции лучей КИ за счет электрооптического эффекта, которым обладает ниобат лития. Если для получения канальных волноводов Y-делителя ИОС используется протон-обменная технология, то эти волноводы обладают поляризующими свойствами. В этом случае ИОС, наряду с описанной выше ролью второго делителя оптических лучей и фазового модулятора, также играет роль поляризатора.

В [2] предложена оптическая схема КИ с дополнительным отрезком поляризующего световода на основе W-световода на входе ИОС. Этот отрезок играет роль модового фильтра, использование которого значительно повышает фазовую стабильность КИ.

На фотоприемнике КИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими световод многовитковой волоконной чувствительной катушки (световод чувствительной катушки, далее по тексту световод ЧК) КИ в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении КИ между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:

где R - радиус ЧК КИ;

L - длина световода ЧК;

λ - центральная длина волны источника оптического излучения;

c - скорость света в вакууме;

Ω - угловая скорость вращения КИ.

Таким образом, на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде

Р_Ф=1/2Р₀(1+cosϕ_S),

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей (функция cos в районе нулевых угловых скоростей имеет нулевую производную) используется вспомогательная фазовая модуляция с целью повышения крутизны выходной характеристики гироскопа. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в КИ с помощью фазового модулятора используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора. Это временное запаздывание составляет величину

где n₀ - показатель преломления материала световода ЧК.

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

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз в КИ ВОГ, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор, одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее фазу Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [3]. В результате сигнал на выходе синхронного детектора приобретает вид

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

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

Одним из основных источников ошибки измерения угловой скорости ВОГ являются паразитные поляризационные эффекты в оптических элементах КИ, приводящие к возникновению паразитной разности фаз ψ.

Известно несколько источников ψ. Одним из самых известных и фундаментальных источников является поляризационная связь мод (ПСМ) в световоде ЧК КИ ВОГ. Также к ошибке приводит и разъюстировка оптических осей световода ЧК и выходных канальных волноводов Y-разветвителя ИОС. Вносимая этими механизмами ошибка угловой скорости называется поляризационной ошибкой (ПО).

В классических схемах КИ имеется снижающий ПО поляризатор (назовем его входным) с коэффициентом поляризационной экстинкции по амплитуде поля, равным ε. До появления работы [4] считалось, что ПО в итоге пропорциональна ε², тогда как в [4] показано, что из-за ПСМ в световоде ЧК есть ПО, пропорциональная ε, так что общая ПО равна

ψ=ε²Ф₁+εФ₂.

Из-за второго слагаемого требования к коэффициенту экстинкции входного поляризатора стали чрезвычайно жесткими (около 120 дБ). Здесь, поскольку второе слагаемое много больше первого, можно сказать, что подавление величины Ф₂ будет означать сильное подавление ПО вообще.

Известен способ подавления ПО с помощью деполяризованного излучения [5]. Это стимулировало применение деполяризаторов в схеме КИ. Однако любой реальный деполяризатор никогда не сможет полностью деполяризовать излучение, так что остаточная поляризованная компонента излучения все равно обусловит ПО.

Также известен способ подавления величины Ф₂ с помощью широкополосного источника с низкокогерентным излучением и световода ЧК с большим линейным двулучепреломлением (ЛД) [6]. ПО сильно снижается благодаря тому, что вклад в величину Ф₂ (см. выше) дает только ПСМ со стороны коротких участков световода ЧК с длинами, равными длине когерентности излучения в этом световоде. В этом случае световод ЧК действует как деполяризатор, эффективность которого ограничена его h-параметром. После этого самым распространенным вариантом стало использование деполяризованного излучения в комбинации с широкополосным источником и сильноанизотропным световодом ЧК. В этом случае световод ЧК проводит дальнейшую деполяризацию излучения до некоторого предела, а входной поляризатор подавляет ПО, обусловленную остаточной поляризованной компонентой излучения. Все это позволяет заметно смягчить требования к входному поляризатору по сравнению с [4].

В работе [7] общая ПО разделена на вклады со стороны трех параметров Стокса s_1,2,3, которые связаны с остаточной степенью p поляризации излучения в виде p=-(s₁ ²+s₂ ²+s₃ ²)^1/2. В этом случае для ПО, обусловленной ПСМ в световоде ЧК, имеют место выражения, соответствующие параметрам s_1,2,3 [7]:

где h - h-параметр световода ЧК, L_γ - длина деполяризации в нем, L - длина световода ЧК. Все эти величины обусловлены ПСМ первого порядка в световоде ЧК. Здесь мы имеем гораздо меньшие ПО, чем в [4], однако ясно, что даже с учетом соотношений L_γ<<L и hL<<1 ПО, как правило, недостаточно мала, по крайней мере, для высокоточных ВОГ.

Также имеется ПО из-за разъюстировки оптических осей световода ЧК и канальных волноводов Y-разветвителя ИОС [7]:

где α_1,2 - углы этой разъюстировки. Эта ПО обусловлена круговой компонентой s₃ остаточного поляризованного излучения. Таким образом, поляризационные ошибки в КИ, описываемые выражениями (1) и (2), можно считать классическими ПО в КИ. Конечно, существует множество других, но эти четыре вида ПО, как принято считать, доминируют.

Далее, известен способ подавления ПО с помощью сильноанизотропного элемента [8] с большим ЛД=B_in и длиной L_in>>L_γ,in (L_γ,in - длина деполяризации в рассматриваемом элементе). В качестве такого элемента может быть взят отрезок сохраняющего поляризацию световода (РМ-световод), расположенный на входе ИОС в КИ. Этот вид КИ также содержит источник оптического излучения, первый делитель оптических лучей, РМ-световод на входе ИОС с поляризующими канальными волноводами, ЧК и фотоприемник.

Итак, согласно [8], величины ψ_2,3,4 в результате этого должны быть подавлены полностью, а поскольку изначально ψ_2,3,4>>ψ₁, то остающаяся в качестве ПО величина ψ₁ соответствует много меньшей итоговой ПО, чем до введения в КИ анизотропного элемента. Помимо этого, согласно (1), имеем ψ₁~ε², т.е. ситуацию, имевшую место до появления работы [4]. В этой схеме происходит декогеренция поляризационных мод в анизотропном элементе, так что они входят в световод ЧК совершенно некогерентными, и величины ψ_2,3, обусловленные вкладом от участков длиной L_γ в начале и конце световода ЧК, не образуются. Также полностью подавляется ошибка ψ₄, поскольку, по крайней мере, при малых углах разъюстировки осей световода ЧК и волноводов ИОС эти углы можно считать точечными центрами ПСМ в начале и конце световода ЧК.

Однако в [8] не учтена ПСМ высших порядков в световоде ЧК. Ее аналитическая модель очень громоздка, поэтому мы использовали численную модель, описанную в [9] и позволяющую учесть ПСМ любого порядка. Численный расчет показал, что если выполняется условие

(В и L - ЛД и длина световода ЧК), то ПСМ высших порядков в световоде ЧК не сказывается, и мы имеем ψ_2,3≈0, как в [8]. Однако, если в качестве анизотропного элемента рассматривать световод с большим ЛД, то его длина должна быть в этом случае порядка или более L, поскольку, как правило, имеем B_in~B. Помимо этого, в [8] при рассмотрении анизотропного элемента не учтено рассеяние излучения ортогональных состояний поляризации друг в друга, имеющее место в любом реальном элементе (в световоде это ПСМ), которое приведет к подавлению ошибок ψ_2,3 лишь до конечного предела.

Что касается ситуации z₀<<L, то проведя для нее серию численных расчетов, мы получили следующую эмпирическую формулу, учитывающую влияние ПСМ высших порядков в световоде ЧК

Хотя здесь мы все равно имеем заметное подавление ошибок ψ_2,3 в ~1/(hL) раз по сравнению с (1), этого все еще недостаточно, так что желаемое подавление ошибок ψ_2,3 входным анизотропным элементом до нуля, как рассчитывали авторы [8], здесь отсутствует.

Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа.

Указанная цель достигается тем, что для изготовления чувствительной катушки используется поляризующий световод.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет снижения паразитной разности фаз в ВКИ ВОГ благодаря использованию в оптической схеме одновременно поляризующего световода (PZ-световода) одновременно на входе ИОС и в чувствительной катушке кольцевого интерферометра гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлена структурная схема КИ волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 представлена структурная схема КИ со световодом на входе ИОС в качестве анизотропного элемента. На Фиг.3 представлена схема образования паразитной разности фаз на выходе КИ из-за поляризационной связи мод по всей длине световода ЧК.

ВОГ содержит в своем составе КИ и электронный блок обработки информации. Классическая схема КИ приведена на Фиг.1. КИ содержит источник излучения 1, изотропный волоконный разветвитель 2 в качестве первого делителя оптических лучей, ИОС 3 с электродами 4 для подачи напряжения фазовой модуляции и канальными волноводами 5, места их стыка 6 со световодом ЧК 7 и фотоприемник 8. Луч света от источника 1 поступает вначале на вход изотропного волоконного разветвителя 2, делится им на два луча, один из которых поступает на вход ИОС 3, играющей роли Y-разветвителя, в качестве второго делителя оптических лучей и фазового модулятора, а в случае протон-обменных канальных волноводов - также и роль поляризатора. Луч света делится Y-разветвителем ИОС на два луча равной интенсивности, которые входят в световод ЧК 7 с противоположных концов и пробегают световод ЧК в противоположных направлениях. После этого лучи снова проходят через Y-разветвитель ИОС 3, смешиваясь в один луч, и изотропный разветвитель 2, после чего, наконец, достигают фотоприемник 8, образуя на нем интерференционную картину. Мощность оптического излучения на фотоприемнике можно представить следующим образом:

P₀=(P₀/2)[1+cos(ϕ_S+ψ)]

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей, ϕ_S - разность фаз лучей КИ, вызванная эффектом Саньяка, ψ - паразитная разность фаз, приводящая к ошибке определения угловой скорости и обусловленная невзаимностью КИ из-за поляризационных несовершенств характеристик его компонентов (ПО).

Рассмотрим модель КИ с сильноанизотропным элементом на входе. Схема такого КИ, в котором в качестве такого элемента применяется отрезок световода с большим ЛД, изображена на Фиг.2. Этот вид КИ содержит источник излучения 9, изотропный волоконный разветвитель 10, входной световод 11, ИОС 12 с электродами 13 для подачи напряжения фазовой модуляции и канальными волноводами 14, места их стыка 15 со световодом ЧК 16, фотоприемник 17 и место стыка 18 входного световода с входным канальным волноводом ИОС 12. Далее мы будем говорить лишь об изображенном на Фиг.2 входном световоде 11, подразумевая, что на его месте может оказаться любой подходящим образом состыкованный с входным волноводом ИОС 12 сильноанизотропный оптический элемент.

В схеме ВКИ на Фиг.2 имеет место декогеренция поляризационных мод во входном световоде, так что они входят в ЧК совершенно некогерентными, и величины ψ_2,3, обусловленные вкладом от участков длиной L_γ в начале и конце световода ЧК, не образуются [8]. Однако ранее никогда не учитывалась ПСМ высших порядков в световоде ЧК, и способ, описанный в [8], теоретически решает эту проблему лишь если выполняется условие (3). Но на практике ПСМ входного световода (рассеяние в анизотропном элементе), также не учитывавшаяся ранее, ограничит это подавление конечным пределом.

Что касается случая z₀<<L (см. выше), который, как правило, означает L_in<<L, то согласно серии наших численных расчетов, выполненной при использовании модели, описанной в [9], имеем аппроксимацию новой ПО (3)

.

Хотя здесь мы имеем заметное подавление ПО в ~1/(hL)>>1 раз по сравнению с (1), этого все еще недостаточно для высокоточных ВОГ. Схема образования этой остаточной величины ψ_2,3 изображена на Фиг.3.

Из-за ПСМ в световоде ЧК прямую (бегущую по часовой стрелке) и обратную (против часовой стрелки) волны можно представить в виде

.

- х-волна, прошедшая через световод в отсутствие ПСМ, - x-волна, перешедшая из входной y-волны в результате однократной перекачки мощности, - x-волна, образовавшаяся из-за двукратной перекачки мощности из входной x-волны.

Классическая ПО [6, 7] образуется от интерференции волн и (стрелка 19 на Фиг.3). В присутствии входного световода с L_in>>L_γ,in (L_γ,in - длина деполяризации в нем) обе ПМ входят в волокно ЧК некогерентными и к ПО не приводят [8]. Однако есть также интерференция волн и (стрелка 20 на Фиг.3), которая и приводит к ψ_2,3≠0 (3).

Итак, поляризационная мода (ПМ) e_0,y входит в световод ЧК в его начале, ПМ e_0,x - в конце. Первая из-за ПСМ переходит в х-волну (стрелка 21 на Фиг.3), вторая - сначала в y-волну e_1,y (стрелка 22 на Фиг.3), а затем в х-волну (стрелка 23 на Фиг.3). При этом ПМ e_0,y изначально прошла по оси у входного световода, а ПМ e_0,x - по оси х, так что при входе в волокно они некогерентны, поскольку L_in>>L_γ,in.

Пусть теперь на участке dz на расстоянии z от конца световода ЧК часть ПМ e_0,х перешла в волну e_1,y. Последняя далее будет непрерывно генерировать х-волну по всей оставшейся длине L-z. Ясно, что способные к интерференции с волной компоненты волны появляются лишь на расстояниях от конца волокна, превышающих z+z₀, где z₀=L_inB_in/B. Только так компенсируется приобретенная во входном световоде разность оптических путей ортогональных ПМ, т.к. волна , будучи в состоянии волны е_1,y, проходит по оси у необходимое расстояние. При этом компоненты , образовавшиеся далее на расстоянии z+z₀+z₁ от конца световода ЧК, способны интерферировать с компонентами , образовавшимися в области от z₁-L_γ до z₁+L_γ от начала. Эта схема - лишь половина картины. Вторая половина - зеркальное отражение описанных процессов, когда ПМ е_0,y входит с конца световода ЧК, а e_0,x - с начала.

В силу того, что, как сказано выше, подавление ПО все еще недостаточно сильно, мы предлагаем ввести в схему на Фиг.2 поляризующий световод ЧК, вместо сохраняющего поляризацию, что и является одной из целей настоящего изобретения (как показывает моделирование, в отсутствие анизотропного входного световода поляризующий световод ЧК заметное подавляет лишь ошибку ψ₁, т.е. неэффективен). Из схемы на Фиг.3 ясно, что если световод ЧК является поляризующим и что если коэффициент γ затухания нежелательной у-моды в нем таков, что

имеем радикальное подавление ошибок ψ_2,3, которые, в принципе, теперь можно снизить до нуля, как того хотели авторы [8]. Данное радикальное подавление ψ_2,3 является следствием совместного действия декогеренции во входном световоде, задающей параметр z₀, и дихроизма в поляризующем световоде ЧК, задающего параметр γ (комбинация деполяризующего и поляризующего действий).

Помимо этого, если раньше остаточная ПО образовывалась по всей длине световода ЧК, то теперь это происходит лишь на участках с длинами 1/γ в его начале и конце, т.к. волна e_y,0 на Фиг.3, генерирующая волну , подавляется на расстояниях, превышающих 1/γ.

Все сказанное верно и с учетом малой разъюстировки оптических осей световода ЧК и канальных волноводов ИОС, поскольку эти разъюстировки можно рассматривать как точечные центры ПСМ в световоде ЧК, к которым применимы все описанные выше рассуждения.

При использовании ИОС, канальные волноводы которого выполнены по протон-обменной технологии, в качестве входного анизотропного элемента можно рассмотреть входной канальный волновод ИОС, который в этом случае обладает гигантским ЛД (~0.1). В принципе, его длины более чем достаточно для снижения ошибок ψ_2,3 от уровня (1) до уровня (3), однако при разумных требованиях к дихроизму поляризующего световода ЧК ее уже не хватает для выполнения условия (4), необходимого для радикального подавления ψ_2,3, так что приходится обращаться к входному световоду, обладающего линейным двулучепреломлением, достаточной длины.

Далее, остается ошибка ψ₁, которая теперь определяет суммарную ПО. Она подавляется самим фактом наличия дихроизма поляризующего световода ЧК, т.к. вклад в нее по-прежнему дают его участки с длинами L_γ, расположенные симметрично относительно центра световода ЧК, но уже не по всей его длине, как в случае РМ-световода ЧК, а только на участках с длинами 1/γ у начала и конца поляризующего световода ЧК. В то же время деполяризация во входном световоде ее не затрагивает. В этом случае имеем оценку

.

Как видим, ошибка угловой скорости Ω₁=ψ₁/M (М - масштабный коэффициент) теперь пропорциональна 1/L, а не 1/L^1/2. Тем не менее, радикального подавления ошибки ψ₁ не наблюдается. Дальнейшее ее снижение возможно, если применить в качестве входного световода ИОС КИ, который также обладает дихроизмом, то есть являющегося поляризующим.

К сожалению, для всех этих случаев у нас нет аналитических аппроксимаций поляризационных ошибок. Численные же расчеты показывают, что в КИ стандартных габаритов (L~1 км, R~40 мм) при дихроизме в поляризующем световоде на входе ИОС КИ порядка - 60 дБ, а в световоде ЧК порядка 1 дБ/м имеем ПО<10^-6 град/час, обусловленную только величиной ψ₁, что уже заведомо ниже, чем требуется в ВОГ навигационного класса точности. Отметим, что при этом мы не учитывали дихроизм канальных волноводов ИОС, который имеет место в случае их изготовления по протон-обменной технологии. Таким образом, в предлагаемой оптической схеме КИ с поляризующими световодами на входе ИОС и в ЧК КИ можно использовать также ИОС, полученную, например, по титан-диффузионной технологии, канальные волноводы которой не обладают сильным дихроизмом.

Более того, предлагаемая оптическая схема КИ может подавить ПО до уровней, необходимых для измерения фундаментальных физических эффектов, например эффекта Лензе-Тирринга, состоящего во внесении разности фаз в КИ гравитационным полем вращающейся массы [9]. В [9] предлагается схема, согласно которой в КИ из деполяризаторов и изотропного световода ЧК, имеющей радиус несколько км. При этом ПО не препятствует регистрации угловых скоростей вращения вплоть до 10^-9 град/час, необходимых для измерения разности фаз Лензе-Тирринга. Предлагаемая же нами схема ВКИ с поляризующими световодами, если использовать ее для такого рода измерений, вполне может размещаться в одном помещении, где возможен необходимый уровень термостабилизации. В качестве поляризующего световода ЧК можно использовать W-световод Panda с большим ЛД, прототип которого описан в [11]. В такого рода измерениях можно использовать световод ЧК с диаметром гораздо более 80 мкм (например, 200 мкм), что, во-первых, позволит сильно увеличить ЛД, а, во-вторых, ослабить механизмы, увеличивающие ПСМ (случайная скрутка, микроизгибы).

Также в подобного рода экспериментах, при использовании в ЧК намотанного в кольца W-световода, как показывает моделирование, можно получить достаточно широкое окно дихроизма, поскольку спектральные кривые потерь ортогональных поляризационных мод при радиусах намотки более 50 мм растут с длиной волны достаточно резко. Это означает получение большого коэффициента γ (см. (4), который определяется усреднением спектральной кривой потерь подавляемой поляризационной моды по спектру источника излучения. В результате, благодаря применению поляризующих световодов на входе ИОС и в ЧК КИ, на наш взгляд, возможно снижение поляризационных ошибок в КИ до любого наперед заданного уровня при сохранении его размеров достаточно небольшими.

Литература.

1. Ulrich. R. Optics Letters, v.5, 5, 173, 1980.

2. A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов. «Оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа», заявка №2009138354, дата подачи 16.10.2009.

3. G.A.Pavlath. SPIE v.2837, pp 46-60, 1996.

4. Kintner E. Optics Letters, v.6, 3, p.154, 1981.

5. G.Pavlath and H.J.Shaw. Applied Optics, vol.21, No.10 (1982).

6. Burns W.K. et al. Journal of Lightwave Technology, v.1.1. p.98, 1983.

7. Козел С.М. и др. Оптика и спектроскопия, т.61, 6, стр.1295, (1986).

8. Jones E., Parker J.W. Electronics Letters, v.22.1. p.54, 1986.

9. Малыкин Г.Б., Позднякова В.И. Оптика и спектроскопия, т.86, №3, с.505-512, 1999.

10. D.Shupe. Applied Optics. 19, p.654, 1980.

11. Курбатов A.M., Курбатов Р.А. Письма в ЖТФ, т.36. вып.17. стр.23, (2010).

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов. Устройство содержит источник оптического излучения, фотоприемник, первый делитель оптических лучей, модовый фильтр на основе поляризующего световода с большим линейным двулучепреломлением, поляризатор, второй делитель оптических лучей, фазовый модулятор и многовитковую волоконную чувствительную катушку, изготовленную из поляризующего световода. Технический результат - повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет снижения паразитной разности фаз в интерферометре. 3 ил.

Оптическая схема кольцевого интерферометра для снижения поляризационной ошибки в волоконно-оптическом гироскопе, содержащая источник оптического излучения, фотоприемник, первый делитель оптических лучей, модовый фильтр на основе поляризующего световода с большим линейным двулучепреломлением, поляризатор, второй делитель оптических лучей, фазовый модулятор и многовитковую волоконную чувствительную катушку, отличающаяся тем, что для изготовления чувствительной катушки используют поляризующий световод.