автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности

На правах рукописи

Олехнович Роман Олегович

Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности

Специальность: 05.11.01 - Приборы и методы измерения (тепловые и оптические величины)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

004604394

Санкт-Петербург 2010

004604394

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики на кафедре физики и техники оптической связи.

Научный руководитель Мешковский Игорь Касьянович

профессор, доктор технических наук

Официальные оппоненты Прокопенко Виктор Трофимович

профессор, доктор технических наук

Унтилов Александр Алексеевич кандидат технических наук

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

Защита состоится 15 июня 2010 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д.49, ауд. 302

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 12 мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02 доктор физико-математических наук, профессор

С. А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Общепризнанна перспективность волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) для систем управления и навигации движущимися объектами различного рода (наземный транспорт, суда, самолеты и т.п.). При этом востребованными являются ВОГ в широком диапазоне характеристик точности - от 10,0 град/час до 0, 001 град/час.

В США, Франции, Германии уже в течение нескольких лет серийно производятся системы ориентации и навигации различного назначения, использующие высокоточные ВОГ. Наиболее известными производителями являются предприятия Northrop Grumman, Honeywell, Ixsea, Al Cielo.

В России лидером по производству целого ряда ВОГ класса точности 10,0-1,0 град/час является ООО «Физоптика». Однако существует отставание от зарубежного уровня в области ВОГ навигационного класса точности (0,01 - 0,001 град/час).

Точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа повышенной точности во многом зависят от характеристик его основных элементов и особенностей методик его сборки.

Таким образом, разработка волоконно-оптического гироскопа и методик его изготовления является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка концепции построения волоконно-оптического гироскопа повышенной точности и методик его изготовления.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен обзор существующих волоконно-оптических гироскопов.

2. На основании анализа литературы выработаны требования к элементам волоконно-оптического гироскопа повышенной точности, выбраны элементы и проведено исследование их характеристик.

3. Разработана методика выделения и идентификация оптических осей волокна с сохранением поляризации.

4. Разработана методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации.

Методы исследования базировались на использовании методов

волоконной и геометрической оптики, теории гироскопов, методов

математической статистики. Адекватность теоретических решений подтверждена экспериментальными данными.

Научная новизна исследования диссертационной работы:

1. Экспериментально и теоретически обоснована необходимость создания и применения в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа, для обеспечения возможности высокоточной юстировки волокон с сохранением поляризации и канальных волноводов с учетом поляризации.

2. Предложены методики выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации, дающая возможность точно выделить оптические оси волокна.

3. Предложена методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации, позволяющая производить совмещение оптических осей с минимальной погрешностью, порядка 0,05 град.

4. Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента, позволяющий уменьшить потери при стыковке оптического волокна, сохраняющего поляризацию с числовой апертурой ~0,18 и канального волновода изготовленного по титан - диффузионной технологии с числовой апертурой -0,12.

Практическая значимость исследования

Результаты работы были использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа повышенной чувствительности и позволили изготовить экспериментальные образцы с точностью не хуже 0,01 град/час и провести их испытания.

Методика для выделения и идентификации оптических осей волокна сохраняющего поляризацию позволили существенно сократить трудоемкость подготовительных сборочных и стыковочных операций при изготовлении ВОГ

Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента для стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и

многофункциональной интегрально-оптической схемы, что нашло отражение в патенте №2326416 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ СЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА».

Внедрение результатов. Полученные результаты использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа и технологий его сборки в СПбГУ ИТМО по заказу ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались: на межвузовских конференциях молодых ученых (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург) IV (2007 г.), V (2008 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург): XXXVII (2008 г.); на конференции молодых ученых ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург): XI (2009 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из которых один патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 115 страниц машинописного текста с рисунками и таблицами, и списка литературы из 62 наименований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации.

2. Методика юстировки оптических осей канального волновода и волокна с сохранением поляризации.

3. Для точной юстировки оптических осей канальных волноводов на ниобате лития и волокна с сохранением поляризации, многофункциональная интегрально-оптическая схема должна иметь Х-разветвитель и канальные волноводы, выполненные по титан диффузионной технологии. Применение в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа и канальных волноводов, выполненных по титан диффузионной технологии.

4. Методика и способ изготовления согласующего элемента для уменьшения потерь при стыковке оптического волокна и канального волновода с разными числовыми апертурами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, формулируются цели и задачи работы, определяются объекты исследования, констатируются научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены основные научные и практически выводы, выносимые на защиту.

В первой главе делается обзор развития волоконно-оптических гироскопов в России и за рубежом. В России разработкой волоконно-оптических гироскопов занимаются компании «Физоптика», «Оптолинк» и За рубежом разработки ведут Northrop Grumman, Honeywell, Ixsea, и другие.

«Физоптика» выпускает гироскопы скоростного и среднего класса точности со стабильностью сдвига нуля от 100 до 0,4 град/час. Наиболее точными моделями являются ВГ035 и ВГ951. Обе модели представляют собой гироскопы среднего класса точности.

В самых точных гироскопах «Физоптики» длина волокна составляет 200 м. Для внесения невзаимного фазового сдвига применяется модулятор на основе пьезокерамики.

К особенностям изготавливаемых гироскопов относится, для удешевления производства, применение открытой схемы обработки и цельно волоконной технологии изготовления.

Производством гироскопов навигационного класса точности в России занимается «Оптолинк», которая производит гироскопы ОИУС-ЮОО и ОИУС-2000. Для обеспечения широкого динамического диапазона измерения скоростей применяется закрытая схема обработки информации. Длина волокна в волоконном контуре составляет 1000 и 2000 метров для ОИУС-ЮОО и ОИУС-2000 соответственно. В качестве модулятора применяется интегрально-оптическая схема на ниобате лития на основе протонно-обменных волноводов. Для уменьшения чувствительности выходного сигнала гироскопа к внешнему магнитному полю применяется магнитные экраны из пермаллоя.

В 1997 году Fibersense technology corporation (сейчас Northrop Grumman) представила результаты разработки нового семейства гироскопов

FOG 200/45. Этот гироскоп относится к гироскопам среднего класса точности, имеет закрытую схему обработки и построен по минимальной схеме.

Волоконный контур гироскопа построен на основе волокна с сохранением поляризации с эллиптической сердцевиной длиной 200м. В зависимости от применения волоконный контур имеет различные формы и имеет максимальный размер от 30 до 60 мм.

В качестве источника света применяется СЛД с центральной длиной волны 850 нм. Для уменьшения изменения масштабного коэффициента от температуры из-за смещения центральной длины волны СЛД установлен на элемент Пелтье.

Характеристики гироскопа следующие: нестабильность от пуска к пуску меньше 1 град/час; нестабильность нуля меньше 1 град/час в диапазоне температур от -40°С до +71 °С.

Разработчиком гироскопа для системы стабилизации телескопа SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy) была фирма Photonetics (сейчас Ixsea). Архитектура гироскопа FOG 180 такая же, как и у предыдущей модели гироскопа этой фирмы FOG120. Различие заключается в изменении диаметра и длины волокна. FOG120 имеет длину волокна 1000 м и средний диаметр волоконного контура 100 мм, a FOG180 3400 м волокна и средний диаметр 150 мм. Источник света выполнен на оптическом волокне, легированное ионами эрбия, и имеет центральную длину волны излучения 1560 нм.

При этом гироскоп FOG180 конструктивно разделен на две части: оптический чувствительный блок и блок электроники.

После изготовления гироскопа его характеристики получились следующие: спектральная плотность шума - 0,00022 град/^часа, стабильность нуля при температуре от -20°С до +80°С - 0,003 град/час, динамический диапазон ±30 град/с, потребляемая мощность - 3 Вт.

Одним из особых производителей является компания Honeywell. В некоторых гироскопах компании на катушку вместо волокна с сохранением поляризации наматывается обычное стандартное волокно. Это волокно подсоединяется к многофункциональной интегрально-оптической схеме (МИОС) через оптические деполяризаторы. Для уменьшения стоимости гироскопов Honeywell разработала на стандартном одномодовом волокне гироскопы с дрейфом 0,1 и 0,01-0,003 град/час.

Также Honeywell разработала гироскоп с дрейфом 0,001 град/час, в котором использует волокно с сохранением поляризации. При этом длина использованного волокна составляет 2 км, внешний диаметр катушки 14 см. В схеме применен эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник света со спектром от 1,53 до 1,56 нм и мощностью излучения 5 мВт. Многофункциональная интегрально-оптическая схема выполнена на ниобате лития. Волноводы изготавливаются методом протонного обмена. В его оптической схеме для компенсации избыточного шума источника предусмотрен второй фотодиод.

Таким образом, в первой главе проведен анализ разработанных в мире волоконно-оптических гироскопов и элементов, из которых он собирается. При этом особое внимание уделено вопросам применяемых элементов: оптическому волокну сохраняющего поляризацию, источнику света и многофункциональной интегрально-оптической схемы.

Во второй главе исследуются параметры основных элементов волоконно-оптического гироскопа (Рис. 1):

- оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения;

- источника оптического излучения;

- МИОС.

Рис. 1. Структурная схема волоконно-оптического гироскопа, где ИС - источник оптического излучения, ФД - фотоприемник, ВР -волоконный разветвитель, МИОС - многофункциональная интегрально-оптическая схема, ВК - волоконный контур .

В волоконно-оптических гироскопах может быть использовано два типа оптического волокна с сохранением поляризации. Они отличаются числовой апертурой и геометрическими размерами. Геометрические параметры оптического волокна 1-го типа: диаметр волокна по кварцевой оболочке 80 мкм, диаметр волокна по полимерному покрытию 170 мкм. Для оптического волокна 2-го типа эти размеры составляют: 125 мкм и 250 мкм.

В гироскопе предполагается использовать одномодовое оптическое волокно, сохраняющее поляризацию, с рабочей длиной волны 1,55 мкм, из-за минимальных для всех волокон потерь в области этой длины волны.

Для оптического волокна сохраняющего поляризацию основными контролируемыми параметрами являются: h-параметр, затухание, числовая апертура, длина биений.

Исследовались оптические волокна с сохранением поляризации производства НИТИОМ ГОИ им. Вавилова, с диаметром кварцевой части оптического волокна 80 и 125 мкм. Измеренные параметры части волокон приведены в таблице №1.

Таблица №1.

Параметр Образцы 1-го типа Образцы 2-го типа

LM30(3) LM30(4) LM30(5) LM-37 LM40 LM42(1)

Затухание, дБ/км 1,84 1,66 1,9 0,9 0,7 0,9

Длина биений, мм 2,2 2,2 2,3 3,0 2,3 2,1

Ь-параметр, 1/м при длине образца 2000м 2x10"5 4x10"5 5x1 О*5 6x10"4 4.2Х10"6 г.ЭхЮ"6

Числовая апертура 0,193 0,171 0,170 0,11 0,11 0,11

На основании исследования Ь-параметра намотанных волоконных контуров было установлено, что Ь-параметр сразу после намотки возрастает, а затем уменьшается. Это связано с релаксацией механических напряжений, возникающих при смотке волокна с транспортных катушек и намотке волоконного контура. Поэтому для объективного результата измерений Ь-параметр необходимо измерять для намотанного на штатную катушку гироскопа волокна.

Для достижения точности 0,01 град/час волоконный контур гироскопа должен содержать не менее 1500 - 1700 м оптического волокна сохраняющего поляризация 1 или 2 типа. Для применения волокна, сохраняющего поляризацию, в гироскопе необходимо выделить оси, так как применяемое волокно является волокном с напрягающей оболочкой.

При этом достижение более высокой точности требует увеличения длины волоконного контура до 4 км. Для этого подойдут оптические волокна 2 типа, т.к. они имеют меньшие потери и более низкое значение Ь-параметра.

В качестве источников света для гироскопов высокой точности применяются светоизлучающие диоды или суперлюминесцентные волоконные источники света

Основными параметрами для источников света, применяемых в волоконно-оптических гироскопах, являются: выходная мощность, функция когерентности источника света и длина декогерентности.

От мощности источника света зависит мощность на выходе гироскопа. При достаточной мощности источника света, его можно использовать для нескольких гироскопов одновременно. При потерях в 20 дБ в интерферометре и допустимой мощности в 20 мкВт на фотоприемнике, мощность источника света из расчета на три гироскопа, с у четом потерь в разветвителе 1x3, должна быть не менее 12 дБм.

По результатам исследования для применения в гироскопе был выбран суперлюминесцентный волоконный источник света ЕБЗ-ЗО-Б производства «ИРЭ-Полюс» со специальной выровненной спектральной характеристикой.

Основные параметры источника света следующие:

- мощность излучения - 30 мВт (14,7 дБм);

- ширина спектра - порядка 25 нм по уровню - 3 дБ;

- степень остаточной поляризации - меньше 0,1%;

- длина декогерентности по уровню 0,1 - не более 0,3мм.

Для изготовления МИОС одним из самых распространенных материалов является ниобат лития. МИОС выполняет следующие функции: поляризацию оптического излучения, разделение оптического сигнала на два канала, модуляцию фазы в каналах. Известно несколько методов изготовления канальных волноводов в ниобате лития. Наиболее распространенными технологиями являются технология протонного обмена и титан-диффузионная технология.

Для волоконно-оптического гироскопа важно, что бы при стыковке с оптическим волокном сохраняющего поляризацию, в него вводилась только одна поляризация. Это необходимо для уменьшения фазовых ошибок и как следствие для уменьшения ошибок в измеряемой скорости вращения. Для этого, на многофункциональной интегрально-оптической схеме должен изготавливается поляризатор. Для титан-диффузионной технологии поляризатор изготавливается путем нанесения пленок из металла на волновод. Для протонно-обменной технологии отдельный поляризатор не нужен, т.к. волноводы поддерживают распространение только одной поляризации.

При применении в МИОС У-разветвителя юстировку одного конца волоконного контура можно осуществить по методике описанной в третьей

главе диссертации, тогда ошибка совмещения осей будет мала (меньше 0,1 град). Однако при юстировке второго конца волоконного контура применение этой методики невозможно, так как поляризатор подавит вторую поляризацию, как следствие ошибка совмещения осей будет порядка нескольких градусов, что недопустимо.

Для обеспечения точной юстировки обоих концов необходимо, чтобы вместо У-разветвителя применялся Х-разветвитель. При этом для возможности применения методики стыковки описанной в третьей главе волноводы должны быть выполнены по титан-диффузионной технологии.

В гироскопе применяется многофункциональная интегрально-оптическая схема, разработанная в Физико-техническом институте им. Иоффе РАН. Она выполнена по титан-диффузионной технологии и имеет X-разветвитель. Основные характеристики МИОС приведены в таблице №2.

Таблица Ж2.

Параметр МИОС-ТИТАН-ООЗ МИОС-ТИТАН-004

Диапазон рабочих длин волн 1530... 1565 нм 1530 ... 1565 нм

Сквозные оптические потери на рабочей поляризации 1 тип: 6.0 дБ 2 тип: 3.4 дБ 1 тип: 6.8 дБ 2 тип: 3.8 дБ

Степень подавления второй поляризации 41 дБ 41 дБ

Коэффициент деления между каналами 57:43 49:51

Неравномерность коэффициента деления 16% 6%

Направленность 67 дБ 68 дБ

Амплитудная модуляция 1 тип: 0.12% 2 тип: 0.1% 1 тип: 0.13% 2 тип: 0.1%

Частота фазовой модуляции 50 ... 150 кГц 50... 150 кГц

Из таблицы видно, что при стыке МИОС и волокна 1 типа имеются большие потери. Эти потери возникают из-за разницы числовых апертур оптического волокна 1 типа (числовая апертура ~ 0,18) и канального волновода (числовая апертура ~ 0,12), изготовленного по технологии диффузии титана. Так как в гироскопе предполагается применение обоих типов волокон, то для применения волокна 1 типа необходима разработка специального согласующего элемента для уменьшения потерь.

Таким образом, во второй главе представлены результаты исследования параметров элементов волоконно-оптического гироскопа и

приведены их параметры в таблицах. Обоснована необходимость применения специальной конструкции многофункциональной интегрально-оптической схемы и методики ее стыковки с оптическим волокном. Для стыковки МИОС и оптического волокна 1 типа необходим специальный согласующий элемент для уменьшения оптических потерь.

Третья глава посвящена вопросам исследования и изготовления согласующего элемента, который применяется при стыковке оптического волокна 1 типа и МИОС выполненной по технологии диффузии титана.

Одним из параметров, которым характеризуются источники излучения и оптические волноводы, является диаграмма направленности. По диаграмме направленности измеряют угловую расходимость. В первом приближении считают, что по волноводам распространяется гауссова мода 0-го порядка Для неё связь между диаметром моды и угловой расходимостью выражается формулой:

вл.±

п О)0

где: - диаметр моды, по уровню 1/е2; - полный угол, при котором излучаемая мощность равна 1/е2 от максимальной; Л - длина волны.

Из формулы видно, что при заданной длине волны произведение диаметра моды на угловую расходимость есть величина постоянная. На основе этого можно изготавливать согласующие элементы, которые преобразовывают диаметр мод на одном конце в другой диаметр на другом конце, и как следствие будут преобразовываться соответствующие угловые расходимости на концах.

Первые образцы согласующего элемента изготавливались из волокна с числовой апертурой 0,2 и диаметром кварцевой части волокна 80 мкм путем оплавления конца оптического волокна (Рис. 2 а). Волокно в зону расплавления подавалось сверху вниз, тогда расплавленный материал волокна под действием сил поверхностного натяжения формировал каплю, которая понималась вверх по волокну. Путем регулирования температуры в зоне расплавления регулировалась скорость формирования капли, а временем нагрева - ее диаметр. Во время изготовления нескольких образцов согласующего элемента по этой методике было выяснено, что сложно контролировать процесс формирования осе симметричной капли и соосное расположение сердцевины оптического волокна и сердцевины согласующего элемента.

Для решения этих вопросов автором диссертации было предложено формировать утолщение не на конце оптического волокна, а отступив некоторое расстояние от конца (Рис. 2 б). При изготовлении часть образцов отбраковывались сразу из-за несимметричности утолщения, изгибов сердцевины. Образцы, прошедшие визуальный контроль, вклеивались в стеклянные трубочки для полировки. Во время полировки визуально контролировалось уменьшение диаметра светового пучка на экране, расположенном на определенном расстоянии от согласующего элемента. Как только диаметр светового пятна начинал увеличиваться, полировка прекращалась.

В результате по этой методике было изготовлено несколько образцов согласующих элементов, для которых было измерена числовая апертура, эффективность ввода света из титан-диффузионного волновода на ниобате лития оптимизированного под стандартное одномодовое волокно.

В таблице №3 приведены эффективности ввода из канального волновода в одномодовое волокно, волокно с сохранением поляризации и согласующий элемент из этого волокна.

По таблице видно, что потери на стыке для согласующего элемента равны потерям на стыке для одномодового волокна, и меньше чем для волокна с сохранением поляризации из которого он изготовлен.

а)

б)

Рис. 2. Методы формирования утолщения

Таблица №3.

Мощность на фотоприемнике, ДБ Потери на стыке, дБ

Мощность на выходе ниобата лития -4,56 0

Одномодовое волокно БМ-28 -6,02 1,46

Волокно с сохранением поляризации -6,58 2,02

Волокно с сохранением поляризации с согласующим элементом -6,02 1,46

Таким образом, применение согласующего элемента позволяет уменьшить потери при стыковке оптического волокна 1 типа и канального волновода изготовленного по технологии диффузии титана на 40%.

Одним из важных вопросов является выделение оптических осей волокна с сохранением поляризации.

В работе для выделения оптических осей волокна сохраняющего поляризацию предложено автором диссертации применять поляризационный метод. В нем линейно поляризованного свет вводится под углом к осям волокна. На выходе в поляризационном интерферометре Майкельсона наблюдается интерференционная картина от обеих поляризаций на некотором расстоянии от центрального максимума. Это расстояние зависит от разницы показателей преломления оптического волокна и длины используемого волокна. После настройки на поляризационную интерференцию путем вращения поляризатора можно добиться ее минимума. Это будет означать, что ость поляризатора параллельна одной из осей волокна Поэтому по поляризатору можно выставить ось волокна в требуемое положение.

Для идентификации оптической оси в схему для наблюдения поляризационной интерференции необходимо поместить двухосный кристалл длиной (Рис. 3), так, чтобы его оси были параллельны оптическим осям волокна. Длина кристалла и разность показателей преломления осей кристалла должна быть такой, чтобы поляризационная интерференция смещалась на 2-3 мм. Для ниобата лития с разницей показателей преломления осей 0,1 длина равна 2 см.

ФД

К1 П_ дк К2

ИС

ов

^ Ар сд-=<00=

31 п

32

Рис. 3. Схема идентификации осей волокна Где ОВ - оптическое волокно с сохранением поляризации; ИС - источник света; К1, К2, КЗ - коллиматоры; П, А - поляризаторы; СД - светоделитель; 31,32 - зеркала; ФД - фотодиод; ДК - двухосный оптический кристалл

Сигнал на выходе поляризационного интерферометра до установки двухосного оптического кристалла имеет вид:

/(да)Лг(0)+-ие[г(л£)]+

+1со5(б)5ш(б)Яе[г„ (/[п, -щ])] +

+-Ц(в(б)5|п (б) Ке[глт (/(ид - пг) - А/.)] + сое (б)бш(б)Яе£глт (/(и, - л ,) - Д1)]

При установке двухосного оптического кристалла с осями параллельными осям оптического волокна формула примет следующий вид:

/(да) = 1г(0) + ^е[Г(ДЛ)] +

+|с(к(б)5т(б) Ые[гдТ (/[лд. - и,-] + 1Х - пк, ])] +

+^с05(б)5'п(б)Ке[Гп ('(".V -".•) + '*:("хх +

+ ^соз(б)зт(б)Кс[гл,.(/(«, -пл■) + 1к(пю -пк,)-Ы)]

где - длина двухосного оптического кристалла, "¡а- , п«г _ показатели преломления в осях кристалла.

Рассмотрим третье слагаемое. При отсутствии двухосного оптического кристалла интерференция будет наблюдаться на расстоянии равном:

Д1 = /(ид.-пг)

При установке кристалла на расстоянии:

Л£ =/(«г-и,) + /*("«■-"«■).

Из формулы видно, что центр интерференции при установленном кристалле, сдвинется. Соответственно по сдвигу интерференционной картины можно определить, какую из осей оптического волокна совместили с известной осью оптического кристалла.

Данную методику можно применить и для юстировки конца оптического волокна с сохранением поляризации и МИОС. Только в этом варианте используют поляризационную интерференцию без двулучепреломляющего кристалла. Чем меньше размах поляризационной интерференции, тем меньше угол рассогласования между осями оптического волокна и канального волновода.

Таким образом, в третьей главе для уменьшения потерь при стыковке оптического волокна 1 типа и канального волновода изготовленного по технологии диффузии титана предложен способ изготовления согласующего элемента, который изготавливается на конце оптического волокна. Также описаны методика выделения и идентификации оптических осей волокна и методика стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и канального волновода.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований опытных образцов волоконно-оптических гироскопов, которые были собраны из элементов описанные во второй главе при помощи методик описанных в третьей главе. Испытаниям подверглись три волоконно-оптических гироскопа, собранных в триаду под названием БИМ-3. График одной из реализаций представлен на Рис. 4.

6,8 3,3

й,

ее го о.

X

о

£ 6,7 3,2

О 1 2 3

время,час Рис. 4. БИМ-3 на неподвижном основании

4

5

Результата! проверки параметров прибора БИМ-3 следующие:

1. Среднее значение систематической составляющей по 3 запускам при осреднении 15 мин составило 0,011 °/ч.

2. Среднее значение случайной составляющей по 3 запускам составило от 0,003 °/ч (катушка У); 0,004 °/ч (катушка X); 0,009 °/ч (катушка Ъ).

3. Спектральная мощность шума выходного сигнала БИМ-3

(максимальная) 0,045 (°/ч)/^, или 0,00074 .

4. Воспроизводимость отклонения выходного сигнала гироскопов БИМ-3 от пуска к пуску для данного образца не превышает 0,013 °/ч.

5. Выходной сигнал гироскопов БИМ-3 зависит, в основном, от скорости изменения температуры, и в меньшей степени от самого значения температуры. Одна из катушек БИМ-3 (У) оказалась значительно отличной от двух других в плане температурной зависимости (ее зависимость от температуры в 9 раз меньше, чем у остальных).

Таким образом, в четвертой главе представлены результаты испытаний трех опытных образцов волоконно-оптического гироскопа и показана их работоспособность в качестве датчиков угловой скорости.

В целом можно сделать вывод, что применение методик, описанных в диссертации, позволило создать ВОГ класса точности 0,01 °/час.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Методика и технология изготовления согласующих элементов на конце оптического волокна, пригодного к стыковке с канальными волноводами.

2. Методика выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации.

3. Методика юстировки оптических осей канального волновода и волокна с сохранением поляризации.

4. Для точной юстировки оптических осей канальных волноводов на ниобате лития и волокна с сохранением поляризации, многофункциональная интегрально-оптическая схема должна

иметь Х-разветвитель и канальные волноводы, выполненные по титан диффузионной технологии.

5. Результаты, полученные в данной работе, позволили создать действующие макеты волоконно-оптического гироскопа класса точности 0,01 град/час и заложили фундамент для дальнейшего повышения чувствительности.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. И.К. Мешковский, P.O. Олехнович, В.Е. Стригалев Патент 2326416 Российская Федерация, МПК7 G02B6/287, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ СЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА, (RU) 2006147355/28; заяв. 29.12.2006; опубл. 10.06.2008, бюл. № 16. - 8с.: ил.

2. И.К. Мешковский, P.O. Олехнович, В.Е. Стригалев, СОГЛАСУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ, Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. № 44. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. с. 83-87.

3. Strigalev V.E., Meshkovsky I.K., Olehnovich R.O., Polarization angle adjustment in fiber optical systems // Proceedings of SCIENCE DAYS 2007, 25-26.09.2007. - Leipzig, p. 149-156.

4. Олехнович P. О., Тараканов С. А., Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного изменением температуры окружающей среды и внешним магнитным полем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 164-174.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации" 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр. д. 49 Тел. (812) 2334669 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

Глава 1. Обзор.

Обзор современного состояния вопроса.

Актуальность

Общепризнанна перспективность волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) для систем управления и навигации движущимися объектами различного рода (наземный транспорт, суда, самолеты и т.п.). При этом востребованными являются ВОГ в широком диапазоне характеристик точности — от 10,0 град/час до 0, 001 град/час.

В США, Франции, Германии уже в течение нескольких лет серийно производятся системы ориентации и навигации различного назначения, использующие высокоточные ВОГ. Наиболее известными производителями являются предприятия Northrop Grumman, Honeywell, Ixsea, A1 Cielo.

В России лидером по производству целого ряда ВОГ класса точности . 10,0-1,0 град/час является ООО «Физоптика». Однако существует отставание от зарубежного уровня в области ВОГ навигационного класса точности (0,01 — 0,001 град/час).

Точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа . повышенной' точности во многом зависят от характеристик его основных элементов и особенностей методик его сборки.

Таким образом, разработка волоконно-оптического гироскопа и методик его изготовления является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка концепции построения волоконно-оптического гироскопа повышенной точности и методик его изготовления.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен обзор существующих волоконно-оптических гироскопов.

2. На основании анализа литературы выработаны требования к элементам волоконно-оптического гироскопа повышенной точности, выбраны элементы и проведено исследование их характеристик.

3. Разработана методика выделения и идентификация оптических осей волокна с сохранением поляризации.

4. Разработана методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации.

Методы исследования базировались на использовании методов волоконной и геометрической оптики, теории гироскопов, методов математической статистики. Адекватность теоретических решений подтверждена экспериментальными данными.

Научная новизна исследования диссертационной работы:

1. Экспериментально и теоретически обоснована необходимость создания и применения в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа, для обеспечения возможности высокоточной юстировки волокон с сохранением поляризации и канальных волноводов с учетом поляризации.

2. Предложены методики выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации, дающая возможность точно выделить оптические оси волокна.

3. Предложена методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации, позволяющая производить совмещение оптических осей с минимальной погрешностью, порядка 0,05 град.

4. Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента, позволяющий уменьшить потери при стыковке оптического волокна, сохраняющего поляризацию с числовой апертурой ~0,18 и канального волновода изготовленного по титан — диффузионной технологии с числовой апертурой -0,12.

Практическая значимость исследования

Результаты работы были использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа повышенной чувствительности и позволили изготовить экспериментальные образцы с точностью не хуже 0,01 град/час и провести их испытания.

Методика для выделения и идентификации оптических осей волокна сохраняющего поляризацию позволили существенно сократить трудоемкость подготовительных сборочных и стыковочных операций при изготовлении ВОГ

Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента для стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и многофункциональной интегрально-оптической схемы, что нашло отражение в патенте №2326416 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ СЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА».

Внедрение результатов. Полученные результаты использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа и технологий его сборки в СПбГУ ИТМО по заказу ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались: на межвузовских конференциях молодых ученых (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург) IV (2007 г.), V (2008 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург): XXXVII (2008 г.); на конференции молодых ученых ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург: XI (2009 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из которых один патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет Шстраниц,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Методика и технология изготовления согласующих элементов на конце оптического волокна, пригодного к стыковке с канальными волноводами.

2. Методика выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации.

3. Методика юстировки оптических осей канального волновода и волокна с сохранением поляризации.

4. Для точной юстировки оптических осей канальных волноводов на ниобате лития и волокна с сохранением поляризации, многофункциональная интегрально-оптическая схема должна иметь Х-разветвитель и канальные волноводы, выполненные по титан диффузионной технологии.

5. Результаты, полученные в данной работе, позволили создать действующие макеты волоконно-оптического гироскопа класса точности 0,01 град/час и заложили фундамент для дальнейшего повышения чувствительности.

1. Н. Lefevre. The Fiber-Optic Gyroscope. - Artech House, London, 1992, 314 c.

2. Eric Udd, Sensing and instrumentation applications of the Sagnac fiber optic interferometer // Proc. SPIE Interferometry '94: Interferometric Fiber Sensing, 1994, Vol. 2341, № 52 p. 52-59.

3. PAEJI.402139.000 ТУ. Волоконный датчик вращения ВГххх.

4. В.Листвин, В.Логозинский, Миниатюрные волоконно-оптические датчики вращения: конструкция, технология, характеристики // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес № 8, 2006г.

5. В.Н.Логозинский, Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе // РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, Том 51, № 7, 2006.

6. Измерители угловой скорости Электронный ресурс.: ООО Научно-Производственная Компания "Оптолинк". Режим доступа: http://www.optolink.ru/ru/catalog/pl/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., анг.

7. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y., LiNb03 Optical Waveguide Fabrication by High-Temperature Proton Exchange // J. Lightwave Technology, 2000. Vol.18, p. 562-568.

8. C.I. Reynolds, R. Yholom, M.S. Permutter, Initial production results of a new family of fiber optic gyroscopes // Symposium gyro technology 1997, Stuttgard, Germany.

9. Fiber Optic Gyroscope FOG 200 Электронный ресурс.: Northrop Grumman Corporation. - Режим доступа: http://www.es.northropgrumman.com/solutions/fog200/index.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг.

10. Е. Handrich, Н. Hog, at alias, A miniaturized fiber-optic rate sensor, // Symposium gyro technology 2000, Stuttgard, Germany.

11. О. Deppe, G. Dorner, at alias, Fiber optic gyro for inertial accuracy, // Symposium gyro technology 2002, Stuttgard, Germany.

12. G. Dorner, at alias. 15 years LiNb03 based integrated optics facility at LITEF // Symposium gyro technology 2007, Karlsruhe, Germany.

13. K. Wandner, T. Gaiffe, at alias, Low noise fiber optic gyroscope for the Sofia project // Symposium gyro technology 1999, Stuttgard, Germany.

14. F.Harms, at alias. Performance evaluation of the fiber optic gyroscopes integrated into SOFIA telescope assemble // Symposium gyro technology 2009, Karlsruhe, Germany.

15. E. Willemenot, at alias. Very high performance FOG for space use // Symposium gyro technology 2002, Stuttgard.

16. Ixsea Space Электронный ресурс.: IXsea. - Режим доступа: http://www.ixsea.com/en/space, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг.

17. Е. Willemenot, at alias. I-FOG technology at industry stage: Murphy 's Law still does not apply // Symposium gyro technology 2004, Stuttgard, Germany.

18. G. A. Sanders, at alias, Fiberoptic gyros for space, marine and aviation applications, Invited Paper // Proceedings SPIE Vol. 2837,1996, p. 61-71.

19. Sudhakar P. Divakaruni, Steve J. Sanders. Fiber Optic Gyros A Compelling Choice for High Precision Applications, OSA/OFS 2006.

20. W. K. Burns, R. P. Moeller, C. A. Villarruel, and M. Abebe. All-fiber gyroscope with polarization-holding fiber // Optics Letters, 1984, Vol. 9, № 12, p. 570-572.

21. Kevin M. Killian, Mark Burmenko, Walter Hollinger, High-performance fiber optic gyroscope with noise reduction // Proc. SPIE Fiber Optic and Laser Sensors XII, 1994, Vol. 2292, № 255, p. 255-263.

22. Herve C. Lefevre. Fundamentals of the Interferometric Fiber-Oplic Gyroscope // OPTICAL REVIEW, 1997. Vol. 4, № 1 A, p. 20-27.

23. Kim H. K., Dangui V., Digonnet Michel, Kino G. Air-Core Photonic-Bandgap Fiber-Optic Gyroscope // Proceedings of the SPIE 17th1061.ternational Conference on Optical Fibre Sensors, 2005, Vol. 5855, p. 198-201.

24. Corning Specialty Materials. Specialty Fiber Электронный ресурс.: Coning. Режим доступа:http://www.corning.com/spccialtymaterials/productscapabilitics/specialty fiber.aspx, свободный. Загл. с экрана. - Яз. анг.

25. Fujikura Ltd. Products. Telecommunication. Optical Devices. Электронный ресурс.: Fujikura. Режим доступа: http://www.fujikura.co.jp/eng/products/tele/odevice/index.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг., кит., яп.

26. FIBERCORE LIMITED. Электронный ресурс.: Fujikura. Режим доступа: http://www.fibercore.com/, свободный. - Загл. с экрана. — Яз. анг.

27. Paul F. Wysocki, М. J. F. Digonnet, В. Y. Kim, and H. J. Shaw, Characteristics of Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications // Journal of lightwave technology, 1994, VOL. 12, №. 3, p. 550-567.

28. Lon A. Wang, Chun Те Lee, Gia Wei You. Polarized Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Source Utilizing Double-Pass Backward Configuration // Applied Optics, 2005, Vol. 44, № 1, p. 77-82.

29. Fouchet S., Carenco A., Dagaet C., Gugliemi R., Riviere L. Wavelength dispersion of Ti induced refractive index change in LiNb03 as a function pf diffusion parameters // Journal of lightwave technology, 1987, Vol. 5, № 5, p. 700-708.

30. Marcos Antonio Ruggieri Franco, Laurentino C. de Vasconcellosl, Jose Marcio Machado. Coupling Efficiency Between Optical fiber and Ti:LiNb03 channel waveguide // Telecomunicagoes, 2004, Vol. 07, № 01, p. 54-59.

31. Ziling С., Pokrovskii L., at alias. Optical and structural properties of annealed PE:LiNi03 waveguides formed with pyrophosphoric and benzoic acids // Journal of applied physics, 1993, Vol. 73 №. 7, p. 3125-3132.

32. Y.B. Pun, K.K. Loi, S.A. Zhao, P.S. Chung. Experimental studies of proton-exchanged lithium niobate waveguides using cinnamic acid //. Applied Physics Letters, 1991, Vol. 59, № 6, p. 662-664.

33. W. Charczenko, I. Januar, and A. FL Mickelson. Modeling of proton-exchanged and annealed channel waveguides and directional couplers // Journal of applied physics, 1993, Vol. 73, №. 7, p. 3139-3148.

34. Андронова И.А., Г.Б. Малыкнн. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // Успехи физических наук, 2002, том 172, № 8, с. 849-873.

35. Shupe D.M., Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer // Applied Optic, 1980, Vol. 19, № 5, p. 654-655.

36. Kendall L. Belsley, Ronald H. Smith, Thomas L. De Fazio, Exploratory studies of optical fiber gyro coil winding automation // Proc. SPIE, 1994, Vol. 2290, № 388, p. 388-395.

37. Andre Sharon, Stephen Lin. Development of an automated fiber optic winding machine for gyroscope production // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2001, Vol. 17, № 3, p. 223-231.

38. S.B. Poole, J.E.Townsend, D.N. Payne, at alias. Characterization of Special Fiber and Fiber Devices // Journal of lightwave technology, 1989, Vol. 7 №8, p. 1242-1255.

39. US 7068882 (B2), G02B6/32, опубл. 27.06.2006.

40. Kazuo Shirashi, Yoshizo Aizawa, Shojiro Kawakami. Beam expanding fiber using thermal diffusion of the dopand // Journal of lightwave technology, 1990, Vol. 8, № 8, p. 1151-1161.

41. Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, пер. с англ. «Наука», М. 1968 г., 720 стр.

42. Joseph W. Goodman, Statistical Optic, John Wiley & Sons, INC, Canada, 2000, pp. 550.

43. Nori Shibata, Akimichi Nakazono, Yoshinori Inoue. Interference Between Two Orthogonally Polarized Modes Traversing a Highly Birefringent Air-Silica Microstructure Fiber // Journal of lightwave technology, 2005, Vol. 23, № 3, p. 1244 1252.

44. Feng Tang, Xiang-zhao Wang, Yimo Zhang, Wencai Jing. Influence of birefringence dispersion on distributed measurement of polarization coupling in birefringent fibers, // Optical Engineering, 2007, Vol 46, № 7, 075006.

45. Hlubina P., Martynkien Т., Urbanczyk W., Dispersion of group and phase modal birefringence in elliptical-core fiber measured by white-light spectral interferometry // Optics Express, 2003, Vol. 11, № 22, p. 27932798.

46. Timo T. Aalto, Mikko Harjanne, Markku Kapulainen. Method for the rotational alignment of polarization-maintaining optical fibers and waveguides // Opt. Eng., 2003, 42 № 10, p 2861-2867.

47. S. L. A. Carrara, B. Y. Kim, and H. J. Shaw. Elasto-optic alignment of birefringent axes in polarization-holding optical fiber // Optics Letters, 1986, Vol. 11, №. 7, p. 470-472.

48. W.H. Cheng, C.H. Hsia, J.C. Lin, H.M. Chen. A simple angular alignment technique for polarization-maintaining-fiber to integrated-optic waveguide with angled interface // Materials Chemistry and Physics, 1997, Vol. 50, № l,p. 88-90.

49. G.R. Walker, N.G. Walker. Alignment of polarisation-maintaining fibres by temperature modulation // Electronics Letters, 1987, Vol. 23, № 13, p. 689-691

50. N. Caponio. C. Svelto. Simple angular alignment technique for a polarization-maintaining-fiber // IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6, № 6, p. 728-729.

51. A. Ebberg, R. Noe. Novel high precision alignment technique for polarization maintaining fibres using a frequency modulated tunable laser // Electron. Lett., 1990, Vol. 26 № 24, p. 2009-2010.

52. Y. Ida, K. Hayashi, M. Jinno, T. Horii, K. Arai. New method for polarization alignment of birefringent fibre with laser diode // Electron. Lett. 1985, Vol. 21, № 1, p. 18-21.

53. Strigalev V.E., Meshkovsky I.K., Olehnovich R.O., Polarization angle adjustment in fiber optical systems // Proceedings of SCIENCE DAYS 2007, 25-26 09 2007, Leipzig, p. 149-156.

54. Методика испытаний экспериментального образца прибора БИМ-3, ЦНИИ "Электроприбор", 2008-2009.

55. IEEE Std 952-1997. IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros.

56. Протокол Испытаний экспериментального образца прибора БИМ-3 зав. 1.ЦНИИ "Электроприбор", 2009.