СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ШУМОВ В АНИЗОТРОПНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКАХ Российский патент 2022 года по МПК G01C19/62 

Изобретение относится к области оптических информационных систем оптоэлектроники, к методам и устройствам волоконно-оптических датчиков, в частности навигационным волоконно-оптическим гироскопам (ВОГ), медицинским оптическим низко-когерентным томографам (ОКТ), а также волоконно-оптическим системам поляризационной квантовой криптографии.

Известен способ уменьшения амплитудных шумов излучателя в волоконно-оптических датчиках, в частности, в волоконно-оптическом гироскопе и других интерферометрических датчиках физических величин с использованием одномодовых световодов (см. патент на изобретение RU 2495376, МПК G01C 19/72, опубл: 10.10.2013). Способ основан на использовании вместо одного нескольких одномодовых световодов, каждый с геометрической длиной больше длины когерентности оптического излучателя, что должно приводить к уменьшению уровня амплитудного шума на фотодетекторе датчика. Основной недостаток данного способа уменьшения амплитудных шумов заключается в невозможности его применимости для реальных волоконно-оптических интерферометрических датчиков, так как в них используются анизотропные одномодовые световоды, для которых основным источником шумов являются поляризационные амплитудно-частотные шумы, вызванные кратковременными и дрейфовыми сдвигами максимумов спектральных линий излучения низко-когерентных оптических излучателей (например, суперлюминесцентных диодов) или флуктуациями амплитуды и частоты излучения в лазерных источниках для которых амплитудные шумы играют незначительную роль.

Волоконно-оптические датчики, основанные на оптических схемах интерферометров Саньяка, Майкельсона или Маха-Цендера, используют анизотропные одномодовые световоды, для которых основным источником шумов являются поляризационные амплитудно-частотные шумы, эффективность воздействия их на чувствительность интерферометрических датчиков определяется возможностью управления и согласования поляризационных характеристик анизотропных световодов, в частности точностью определения оптических осей одномодовых анизотропных световодов и их углового согласования с дискретными поляризационными элементами.

Известен способ определения положения оптической оси в одномодовом анизотропном оптическом световоде и уменьшения ориентационного рассогласования с направлением вектора линейной поляризации лазерного излучения на входе волоконного датчика на основе измерения параметров матрицы Джонса при зондировании лазерным излучением с длиной волны, удовлетворяющей условию возбуждения низшей волноводной моды (https://www.dissercat.com/content/polyarizatsionnye-effekty-v-volokonnykh-interferometrakh-na-osnove-dvulucheprelomlyayushchik. Лиокумович Л.Б., Поляризационные эффекты в волоконных интерферометрах на основе двулучепреломляющих световодов, 2008. Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н., Санкт-Петербург).

При этом данный способ обладает ограниченным применением, вследствие невозможности его использования для волоконно-оптических гироскопов и низкокогерентных оптических томографов, использующих на входе данных устройств немонохроматическое излучение с малой длиной когерентности, существенно меньшей, чем длина анизотропного оптического световода. Для когерентных (лазерных) источников излучения способ определения несоосности оптической оси с линейно-поляризованным лазерным излучением на входе световода позволяет достигнуть рассогласования не менее 10 угловых градусов.

Известен способ согласования ориентациии оптических осей двух одномодовых анизотропных световодов на основе наблюдения линзового эффекта перед плазменной сваркой их соединения и измерения максимальной прошедшей оптической мощности (Zheng W. Automated Fusion-Splicing of Polarization Maintaining Fibers. Journal of Lightwave Technology. 1997, V. 5, N1, P. 125-134). Однако данный оптический метод может применяться только в месте торцевого соединения одномодовых световодов одинакового внутреннего диаметра и степени анизотропии, при этом несоосность ориентации оптических осей не превышает одного углового градуса.

Известен способ определения положения оптической оси в одномодовом анизотропном световоде и его согласования с плоскостью линейной поляризации зондирующего лазерного излучения на основе метода углового вращения относительно центра оптического волокна на входе которого используется линейно поляризованное лазерное излучение с фиксированной длиной волны, а на выходе фиксированного положения оптического волокна расположен поляроид и фотодетектор для измерения прошедшей интенсивности излучения, при этом для каждого положения поляроида и соответствующего ему ортогонального положения измеряется отношение интенсивностей прошедшего излучения, при этом для каждого углового измерения изменяется длина световода за счет нагрева определенного участка оптического волокна на выходе, при этом оптическая ось определяется по максимальной контрастности отношений интенсивности ко и кросс линейной поляризации (Т. Aalto, М. Harjanne, М. Kapulainen. Method for the rotational alignment of polarization-maintaining optical fibers and waveguides. Opt. Eng., 2003, 42(10), C. 2861-2867).

Однако данный способ, основанный на измерении элементов матрицы Джонса, для одномодового анизотропного световода, когда на входе волокна только когерентное лазерное излучение позволяет экспериментально определить положение оптической оси на входе анизотропного одномодового световодов с точностью не более одного углового градуса, но при этом исследование уровня амплитудно-частотных шумов в анализируемом методе не проводилось.

Техническая проблема заключается в существенном уменьшении влияния поляризационных амплитудно-частотных шумов, обусловленных нестабильностью спектральных характеристик оптических источников излучения, включающих полупроводниковые инжекционные лазеры и суперлюминесцентные диоды, используемые в таких интерференционных оптических датчиках. Типичная величина сдвига частоты излучения в лазерных диодах достигает единиц ГГц/мА и десятков ГГц/°С при изменении тока инжекции и температуры лазерного диода, а в суперлюминесцентных диодах сдвиг центра линии излучения достигает несколько нм при изменении тока инжекции на мА при типичных рабочих токах в сотни мА. Эти нестабильности частоты излучения (длины волны) в спектре оптических излучателей при практическом отсутствии нестабильности интенсивности излучения при вводе в одномодовый анизотропный световод являются причиной возникновения поляризационных амплитудно-частотных (спектральных) шумов в интерференционных датчиках, основанных на волоконных интерферометрах Саньяка, Майкельсона и Маха-Цендера, на которых разработаны наиболее чувствительные и надежные волоконно-оптические гироскопы, оптические низко-когерентные томографы и волоконно-оптические поляризационные системы квантовой криптографии.

Технический результат заключается в уменьшении более чем на два порядка уровня поляризационных амплитудно-частотных шумов ВОГ при минимизации угла между оптической осью одномодового анизотропного световода и осью поляризатора, создающего линейно-поляризованное низкокогерентного или широкополосное излучения оптическое излучение на входе световода, обусловленного нестабильностью спектральных характеристик зондирующего излучения.

Результат достигается тем, что предложен способ подавления поляризационных амплитудно-частотных шумов в волоконно-оптических датчиках (волоконно-оптических гироскопах, оптических низкокогерентных томографах и волоконно-оптических системах квантовой криптографии), использующих одномодовый анизотропный световод, согласно которому в одномодовый анизотропный световод вводят низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее поляризатор, установленный с произвольной ориентацией оси, выходное оптическое излучение световода пропускают через фазовый компенсатор и линейный анализатор, осуществляют шесть последовательных ориентационных поворотов компенсатора и анализатора на углы (α) и (β),

для каждого поворота измеряют спектральную зависимость интенсивности прошедшего излучения от длины волны зондирующего излучения, определяют спектральную зависимость 4-х компонентов вектора Стокса, по которым определяют спектральную зависимость угла эллиптичности поляризации световода, выбирают положение оси поляризатора соответствующее минимальному спектральному изменению угла эллиптичности на выходе исследуемого световода.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-5, где:

на фиг. 1 - блок-схема измерительной установки для исследования спектральных параметров Стокса анизотропного одномодового световода;

на фиг. 2 - зависимость параметров вектора Стокса от длины волны зондирующего излучения на выходе анизотропного кварцевого оптического волокна (световода) длиной 50 см, диаметром серцевины 4 мкм и оболочки 150 мкм для линейно поляризованного падающего света с азимутом поляризации на входе 45 градусов между осью поляризатора и оптической осью анизотропного волокна (световода);

на фиг. 3 - спектральные зависимости угла эллиптичности и азимута эллипса поляризации для линейно поляризованного света с азимутом 45 градусов между осью поляризатора и оптической осью анизотропного волокна (световода), длина световода 50 см;

на фиг. 4 спектральная зависимость параметров вектора Стокса от длины волны зондирующего излучения на выходе анизотропного волокна (световода) длиной 50 см для линейно поляризованного падающего света с азимутом 0 градусов между осью поляризатора и оптической осью анизотропного волокна (световода), длина световода 50 см;

на фиг. 5 - спектральные зависимости угла эллиптичности и азимута эллипса поляризации для линейно поляризованного света с азимутом 0 градусов между осью поляризатора и оптической осью анизотропного волокна (световода), длина световода 50 см.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - источник оптического излучения, суперлюминесцентный диод или оптический излучатель со сплошным широкополосным спектром деполяризованного излучения с диапазоном длин волн, ограниченных полосой пропускания оптического световода и условием возбуждения одномодового режима в световоде;

2 - оптический коллиматор;

3 - входной пленочный поляризатор оптического излучения (рабочий диапазон длин волн ограничен λ<750 нм;

4 - микрообъектив с числовой апертурой (NA) согласованной с входной NA оптического световода;

5 - входной торец исследуемого анизотропного ступенчатого оптического световода, диаметром центральной жилы 4 микрона;

6 - выходной торец световода;

7 - фазовый компенсатор (четверть волновая фазовая пластина на длине волны 633 нм);

8 - оптический пленочный анализатор;

9 - коллиматор, для эффективного ввода в волоконный анализатор спектра прошедшего оптического излучения;

10 - волоконный анализатор спектра типа Ocean Optics USB 4000 с диапазоном анализируемых длин волн (350-1100 нм).

Блок-схема устройства для подавления поляризационных амплитудно-частотных шумов в анизотропных одномодовых световодах с помощью измерения спектральных характеристик вектора Стокса, представленного на фиг.1 состоит из последовательно расположенных оптического излучателя 1 со сплошным широкополосным спектром и многомодового волоконного выхода деполяризованного оптического излучения, оптического коллиматора 2, поляризатора 3, микрообъектива 4, анизотропного одномодового световода с диаметром центральной жилы 4 микрона, имеющего входной торец 5 и выходной торец 6, компенсатора 7 (четвертьволновая фазовая пластина для длины волны 633 нм), анализатора 8, длиннофокусной линзы 9, волоконно-оптического анализатор спектра 10 типа Ocean Optics USB 4000 (350-1100 нм).

Способ реализуется следующим образом: излучение низкокогерентного суперлюминесцентного диода или широкополосного деполяризованного оптического излучателя (1) с минимальной длиной волны λ, соответствующей возбуждению в анизотропном световоде с диаметром центральной жилы (D) и числовой апертурой (NA) низшей волноводной моды (λ>π D NA/2.405) с помощью оптического коллиматора (2), формирующего оптический пучок, проходит линейный поляризатор (3) и с помощью микрообъектива (4) с числовой апертурой (NA), соответствующей NA оптического волокна, вводится в анизотропный одномодовый световод (5). На выходе световода (6) выходной волноводный оптический пучок проходит компенсатор (четверть волновую пластину на длине 633 нм) (7), линейный анализатор (8) и с помощью оптического коллиматора (9) вводится в волоконный оптический анализатор спектра (10) типа Ocean Optics USB 4000 с диапазоном анализируемых длин волн (350-1100 нм) с помощью которого измеряется спектральная зависимость интенсивности прошедшего оптического излучения и определяется спектральная зависимость 4-х компонент вектора Стокса для анизотропного одномодового световода при проведении на выходе световода шести последовательных ориентационных (угловых) поворотов компенсатора (α) и анализатора

где α и β - углы ориентации компенсатора и анализатора: β' - угол между лабораторной осью отсчета (ось х) и осью пропускания анализатора и поляризатора и α - угол между осью х и эффективной медленной осью фазовой пластины и j - номер измерения. Измерения 1, 2, 5, 6 служат для выделения линейно-поляризованных компонент прошедшего света, поляризованных под углами 0°, 90°, -45° и 45° к оси х, соответственно, а измерения 3 и 4 - для выделения компонент с круговой поляризацией на длине волны 633 нм и с эллиптической поляризацией на остальных длинах волн.

Вычисление спектральных зависимостей параметров вектора Стокса и однозначно-связанных с ними спектральных зависимостей угла эллиптичности и азимута эллипса поляризации осуществляется по алгоритму и методике, изложенной авторами в (D.D. Yakovlev, М. М. Sherman, D. A. Yakovlev. Electrically induced circular dichroism of multidomain layers of a long-pitch cholesteric liquid crystal. Proc. SPIE. - 2014. - Vol. 9031. - P. 90311B-1-90311B-6). Определяется параметр эллиптичности χ (отношение малой и большой полуосей в эллипсе поляризации, что характеризует степень вытянутости поляризационного эллипса) и азимут эллипса поляризации ψ (ориентация большой полуоси), выражающиеся через параметры вектора Стокса (S₀, S₁, S₂, S₃) (где S₀ - пропорционален сумме оптической интенсивности линейно поляризованных ортогональных компонент поля); S₁=S₀⋅cos (2χ)⋅cos (2ψ) (пропорционален разности оптической интенсивности линейно поляризованных ортогональных компонент поля); S₂₌S₀⋅cos(2χ)⋅sin((2ψ) (пропорционален разности оптических интенсивностей линейно поляризованных ортогональных компонент поля, образующих углы 45° и 135°); S₃=S₀⋅sin(2χ (пропорционален разности оптических интенсивностей с правой и левой круговых поляризаций компонент поля); степень поляризации; при наличии деполяризованного оптического излучения.

При этом экспериментально установлено, что минимальные поляризационные амплитудно-частотные шумы соответствуют минимальному спектральному изменению параметра эллиптичности χ от длины волны λ, что реализуется при минимальном угле между оптической осью на входе световода (5) и оптической осью поляризатора (3).

Экспериментальные исследования спектральных осцилляций параметров вектора Стокса (S₁ S₂ S₃) и спектральных осцилляций параметра эллиптичности и азимута эллипса поляризации для анизотропного одномодового световода (фиг. 2, фиг. 3) от длины световода L показали, что период спектральных осцилляций возрастает как 1/L, а амплитуда спектральных осцилляций изменяется незначительно, поэтому для наблюдения спектральных осцилляций для геометрических длин типичных анизотропных одномодовых световодов более двух-трех метров не представляется возможным из-за недостаточного спектрального разрешения Δλ существующих оптических анализаторов спектра (порядка Δλ>0.1 нм) В ВОГ длина анизотропного световода может достигать 1-2 км, поэтому оптически зарегистрировать спектральные осцилляции, связанные с изменением поляризации из-за дрейфа длины волны в излучателях с помощью традиционных оптических спектрометров не представляется возможным, так как период осцилляций составляет 10^-3-4 нм, но в интерференционных сигналах оптических биений для указанных датчиков (волоконно-оптических гироскопах) эти поляризационные шумы являются определяющими при малых угловых скоростях вращения. В системах квантовой поляризационной криптографии также используются одномодовые анизотропные световоды в интерферометрах Маха-Цендера и такие фазовые шумы должны определять вероятность ошибок и дальность волоконных систем квантовой связи при передачи квантовых ключей, например, по протоколу (QKD, Quantum Key Distribution). (М. Lucamarini, Z.L. Yuan, J.F. Dynes, A.J. Shields. Overcoming the rate-distance limit of quantum key distribution without quantum repeater. Nature v. 557, 400-03 (2018)).

Обработка экспериментальных данных по спектральным осцилляциям компонент вектора Стокса или углов эллиптичности (сравнение фиг. 2-5) позволяет заключить, что точность определения положения оптической оси может достигать нескольких угловых минут, при этом уровень поляризационного амплитудно-частотного шума может быть уменьшен более чем на два порядка.

Таким образом, использование спектрально-поляризационного метода определения параметров вектора Стокса в анизотропных одномодовых световодах должно позволить в оптических устройствах, основанных на интерференционных волоконных интерферометрах (Саньяка, Маха-Цендера, Майкельсона) минимизировать уровень поляризационных шумов на основе точного согласования угла положения оптической оси в одномодовом анизотропном световоде с осью поляризации линейно-поляризованного зондирующего излучения достигающего величины нескольких угловых минут и при этом более чем на два порядки уменьшить уровень поляризационных амплитудно-частотных шумов.

Изобретение относится к области оптических информационных систем оптоэлектроники, к методам и устройствам волоконно-оптических датчиков, в частности навигационным волоконно-оптическим гироскопам, медицинским оптическим низкокогерентным томографам, а также волоконно-оптическим системам поляризационной квантовой криптографии. Способ подавления поляризационных амплитудно-частотных шумов в волоконно-оптических датчиках, использующих одномодовый анизотропный световод, согласно которому в одномодовый анизотропный световод вводят низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее поляризатор, установленный с произвольной ориентацией оси, выходное оптическое излучение световода пропускают через фазовый компенсатор и линейный анализатор, осуществляют шесть последовательных ориентационных поворотов компенсатора и анализатора на соответствующие углы, для каждого поворота измеряют спектральную зависимость интенсивности прошедшего излучения от длины волны зондирующего излучения. Далее определяют спектральную зависимость 4-х компонентов вектора Стокса, по которым определяют спектральную зависимость угла эллиптичности поляризации световода, выбирают положение оси поляризатора, соответствующее минимальному спектральному изменению угла эллиптичности на выходе исследуемого световода. Технический результат – уменьшение уровня поляризационных амплитудно-частотных шумов волоконно-оптических гироскопов более чем на два порядка при минимизации угла между оптической осью одномодового анизотропного световода и осью поляризатора. 5 ил.

Способ подавления поляризационных амплитудно-частотных шумов в волоконно-оптических датчиках на одномодовых анизотропных световодах, характеризующийся тем, что в одномодовый анизотропный световод вводят низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее поляризатор, установленный с произвольной ориентацией оси, выходное оптическое излучение световода пропускают через фазовый компенсатор и линейный анализатор, осуществляют шесть последовательных ориентационных поворотов j компенсатора и анализатора на углы (α) и (β),

(α_j, β_j), j=1, 2,…, 6;

(α₁, β₁)=(0°, 0°), (α₂, β₂)=(90°, 0°), (α₃, β₃)=(0°, 45°),

(α₄, β₄)=(0°, –45°), (α₅, β₅)=(–45°, –45°), (α₆, β₆)=(45°, –45°),

для каждого поворота измеряют спектральную зависимость интенсивности прошедшего излучения от длины волны зондирующего излучения, определяют спектральную зависимость 4-х компонентов вектора Стокса, по которым определяют спектральную зависимость угла эллиптичности поляризации световода, выбирают положение оси поляризатора, соответствующее минимальному спектральному изменению угла эллиптичности на выходе исследуемого световода.