Фотонный ДУС на кольцевом оптическом резонаторе Российский патент 2024 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к устройствам на основе интерферометра для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка.

Измерение угловой скорости производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа, в том числе выполненными по технологии фотонных интегральных микросхем, в которых чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС). Величина случайной разности фаз встречных лучей в ИС, определяет уровень дрейфа ДУС, тем самым, снижает точность измерения угловой скорости. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ДУС из-за накопления случайной ошибки в показаниях гироскопа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ДУС, содержащий источник лазерного излучения, оптический переключатель, чувствительный элемент, состоящий из двух узлов входа/выхода и расположенных между ними двух оптических кольцевых резонаторов, и блок обработки сигнала с двумя фотодетекторами на входе (см. публикацию WO2018222768, кл. G01C19/72, опубл. 06.12.2018). Известное устройство выполнено на основе двух интегрально-оптических кольцевых резонаторов, соединенных с другими элементами планарными волноводами по технологии фотонных интегральных микросхем. Среди недостатков следует отметить применение двух резонаторов, которые разнесены на кристаллической подложке. Это приводит к тому, что встречные лучи интерферометра Саньяка проходят разные пути, вследствие этого возникает градиент температур между резонаторами и возрастает дрейф ДУС, ввиду роста невзаимности путей по которым проходят встречные лучи. Недостатком известного устройства является также сложность технологии изготовления, поскольку выполнить два резонатора с одинаковыми размерами, физическими показателями кристаллической подложки, с одинаковой добротностью в разнесенных местах планарной схемы и обеспечить нулевой градиент температур между резонаторами схемы невозможно и это ведет к снижению точности результатов измерения угловой скорости.

Технической проблемой является снижение дрейфа чувствительного элемента ДУС и создание простой конструкции ДУС, в котором исключена невзаимность путей встречных лучей ИС в чувствительном элементе. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости.

Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в датчике, изготовленном по фотонной технологии, содержащим источник излучения, кольцевой оптический резонатор, два оптических делителя 2x2, имеющих два входа и два выхода, применяется конструкция с использованием раздельных узлов: узел ввода и узел вывода и блок обработки сигнала с фотодетектором на входе. При вращении ДУС, вследствие эффекта Саньяка, происходит изменение разности фаз встречных лучей в кольцевом оптическом резонаторе, в результате в узле вывода формируется интерференционная картина, которая на фотодетекторе преобразовывается в электрический сигнал, поступающий на блок обработки для математической обработки и определения результирующего значения угловой скорости.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого ДУС.

Предлагаемый фотонный датчик угловой скорости состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ), с изолятором гашения обратного луча на выход 7, двумя узлами: узлом ввода А и узлом вывода В. Узел ввода А состоит из устройства деления луча 2 (УД) Y-типа с выходами 9 и 8 и оптического делителя 6 (ОД) 2×2, имеющего два входа и два выхода 10, 12 и 11, 13. Выход 9 УД 2 соединен с первым входом 10 ОД 6, выход 8 УД 2 соединен с первым выходом 11 ОД 6. Это обеспечивает ввод оптических лучей в кольцевой оптический резонатор 3 (КР) через второй вход 12 и второй выход 13 ОД 6. Вывод излучения из КР 3 происходит через узел вывода (УВ) В, который состоит из устройства интерференции 5 (УИ) и оптического делителя ОД 4 2×2, имеющего два входа и два выхода 14, 16 и 15,17. КР 3 соединен с ОД 4 через первый вход 14 и первый выход 15 ОД 4. Через второй вход 16 и второй выход 17 ОД 4, которые соединены соответственно с выходами 18 и 19 УИ5, оптическое излучение поступает в УИ 5. УИ5 выполнено как элемент Y - типа с электродами 26. Оптический сигнал после интерференции в УИ5 через соединение 20 и 21 поступает на фотодетектор 22 (ФД) блока обработки 27 (БО) с выходом результатов измерений на выход 23. Чувствительный элемент сформирован как интерферометр Саньяка на кольцевом оптическом резонаторе КР 3 с устройством интерференции УИ 5. Все элементы ДУС, кроме БО 10, могут быть выполнены на одном кристалле по фотонной технологии. Возможен также вариант использования данного устройства для волоконно-оптического исполнения. Электроды 26 могут быть в УИ 5 и/или на УД 2, с их помощью с БО 27 через 24 и 25 задается рабочая точка смещения фаз между встречными лучами интерферометра.

Рассмотрим работу фотонного ДУС подробно.

От источника излучения ИИ 1, через выход 7 оптическое излучение поступает на УД 2 устройства ввода А, где делится на два луча. Первый луч, через выход 8 УД2, вход 11 ОД 6 выход 12 по часовой стрелке (CW) поступает в КР 3, CW циркулирует в КР 8 и через первый вход 14 и второй выход 17 ОД 4, через выход 19 идет на У И 5 устройства вывода В. Второй луч от УД 2 против часовой стрелки (CCW) через выход 9 УД 2, вход 10 ОД 6, выход 13 поступает в КР 3, далее, после циркуляции, через выход 15 ОД 4, вход 16, выход 18 УИ 5 - в УИ 5. Встречные лучи CW и CCW многократно циркулируют в КР 3, проходят путь, который определяется добротностью КР 3. Паразитные обратные отражения через ОД 6, вывод 10, 9 и 11, 8, возвращаются на УД 2 и через выход 7 - на ИИ 1, где гасятся на изоляторе. При вращении ДУС, вследствие эффекта Саньяка, между CW и CCW лучами возникает разность фаз, это формирует в УИ 5 интерференционную картину, которая через соединение 20 и 21 подается на входной ФД 22, где преобразуется в электрический сигнал и поступает на БО 27, в котором происходит математическая обработка и измерение угловой скорости. Кроме того, БО 27 через соединение 24 и 25 задает смещение фаз между CW и CCW лучами, подавая потенциал на электроды 26. Результат измерения угловой скорости в БО 27 через выход 23 выдается для дальнейшего использования.

Благодаря тому, что лучи CW и CCW циркулируют по одному кольцевому оптическому резонатору КР 3, исключен градиент температур между оптическими путями этих лучей, что исключает дрейф, вызванный невзаимностью между CW и CCW лучами интерферометра. Обратные отражения CW и CCW лучей от КР 3 и вызванная ими паразитная интерференция не влияют на результаты измерения, поскольку узлы ввода А и вывода В выполнены раздельно, поэтому переключатель оптического излучения для подавления этой паразитной интерференции не требуется.

В результате предложено техническое решение для построения фотонного ДУС на одном кольцевом оптическом резонаторе, исключающее невзаимность встречных лучей, вызванную градиентом температур в чувствительном элементе ИС, и обеспечивающее вследствие снижения дрейфа чувствительного элемента ДУС повышение точности измерения угловой скорости.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к устройствам на основе интерферометра для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка. Фотонный ДУС на кольцевом оптическом резонаторе содержит чувствительный к эффекту Саньяка элемент на кольцевом оптическом резонаторе, источник излучения, блок обработки сигнала с фотодетектором на входе, устройство деления луча Y-типа, устройство интерференции, два оптических делителя 2×2, имеющих два входа и два выхода. Источник излучения соединен своим выходом со входом устройства деления луча Y-типа, который своими выходами соединен с двумя входами первого оптического делителя 2×2. Два выхода первого оптического делителя соединены с кольцевым оптическим резонатором, который соединен с двумя входами второго оптического делителя 2×2, два выхода которого соединены с двумя входами устройства интерференции. Выход устройства интерференции соединен с входом фотодетектора блока обработки, причем блок обработки первым выходом соединен с устройством интерференции, а второй выход блока обработки является выходом ДУС с результатами измерений. Технический результат – повышение точности измерения угловой скорости. 1 ил.

Фотонный ДУС на кольцевом оптическом резонаторе, содержащий чувствительный к эффекту Саньяка элемент на кольцевом оптическом резонаторе, источник излучения, блок обработки сигнала с фотодетектором на входе, устройство деления луча Y-типа, устройство интерференции, два оптических делителя 2×2, имеющих два входа и два выхода, отличающийся тем, что источник излучения соединен своим выходом со входом устройства деления луча Y-типа, который своими выходами соединен с двумя входами первого оптического делителя 2×2, два выхода которого соединены с кольцевым оптическим резонатором, который соединен с двумя входами второго оптического делителя 2×2, два выхода которого соединены с двумя входами устройства интерференции, выход которого соединен с входом фотодетектора блока обработки, причем блок обработки первым выходом соединен с устройством интерференции, а второй выход блока обработки является выходом ДУС с результатами измерений.