способ изготовления устройства ввода-вывода излучения в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа на основе специального двужильного световода

Формула изобретения

1. Способ изготовления волоконной интегрально-оптической схемы для интерферометра волоконно-оптического гироскопа на основе двухжильного световода, заключающийся в формировании биконической перетяжки на двухжильном световоде, изготавливаемом путем шлифовки двух заготовок для одномодовых световодов с линейным двулучепреломлением, нарезании затем на отшлифованных поверхностях поперечных канавок, совмещении этих заготовок своими плоскими поверхностями и вытяжки из полученной заготовки двухжильного световода, отличающийся тем, что при изготовлении перед операцией шлифовки заготовок их предварительно помещают внутрь, а затем и сплавляют с опорной кварцевой трубой, на внутреннюю поверхность которой наносится слой кварцевого стекла с показателем преломления меньше на (24)10^-3, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла и толщиной слоя, обеспечивающей



где D_ОБ - диаметр оболочки, образованный слоем кварцевого стекла с пониженным показателем преломления,

D_ЗАГ - диаметр исходной заготовки,

а после вытяжки двухжильного световода участок, на котором формируется биконическая перетяжка, помещают предварительно в травильный раствор с целью стравливания внешнего слоя двухжильного световода, состоящего из чистого кварцевого стекла, а затем сформированную биконическую перетяжку покрывают защитно-упрочняющим оптическим покрытием с показателем преломления n= n_об110^-3, где n_об - показатель преломления материала внешней оболочки двухжильного световода.

2. Способ изготовления волоконной интегрально-оптической схемы для интерферометра волоконно-оптического гироскопа на основе двухжильного световода, заключающийся в формировании биконической перетяжки на двухжильном световоде, изготавливаемом путем шлифовки двух заготовок для одномодовых световодов с линейным двулучепреломлением, нарезании затем на отшлифованных поверхностях поперечных канавок, совмещении этих заготовок своими плоскими поверхностями и вытяжки из полученной заготовки двухжильного световода, отличающийся тем, что после вытяжки двухжильного световода его участок, на котором формируется биконическая перетяжка, помещают внутрь капилляра, состоящего из кварцевого стекла с показателем преломления меньше на (24)10^-3, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла.

3. Способ изготовления волоконной интегрально-оптической схемы для интерферометра волоконно-оптического гироскопа на основе двухжильного световода, заключающийся в формировании биконической перетяжки на двухжильном световоде, изготавливаемом путем шлифовки двух заготовок для одномодовых световодов с линейным двулучепреломлением, нарезании затем на отшлифованных поверхностях поперечных канавок, совмещении этих заготовок своими плоскими поверхностями и вытяжки из полученной заготовки двухжильного световода, отличающийся тем, что биконическую перетяжку покрывают двулучепреломляющим составом, имеющим для x-поляризационной моды световода показатель преломления, превышающий показатель преломления внешнего слоя стекла двухжильного световода, а для y-поляризационной моды показатель преломления ниже показателя преломления внешнего слоя стекла двухжильного световода, причем биконическую перетяжку в области ее "шейки" формируют с таким максимальным диаметром по поперечному сечению, что



где 2<V<2,4;_o- длина волны излучения источника;

n_о - показатель преломления внешнего слоя стекла двухжильного световода;

n_x- разность показателей преломления между внешним слоем стекла двухжильного световода и показателем преломления двулучепреломляющего состава для х-поляризационной моды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин (датчиков давления, температуры, магнитного поля и др.).

Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе пассивный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации о вращении, поступающей с фотоприемника кольцевого интерферометра. Кольцевой интерферометр [1] состоит из источника излучения, волоконного деполяризатора, первого волоконного разветвителя, волоконного поляризатора, второго волоконного разветвителя, фазового модулятора, волоконной чувствительной катушки и фотоприемника. Луч света от источника излучения через волоконный деполяризатор поступает на один из входных концов первого волоконного разветвителя, делится этим разветвителем на два луча, один из которых проходит волоконный поляризатор, а затем поступает на один из входных концов второго волоконного разветвителя, который делит этот луч на два луча одинаковой интенсивности. Эти два луча проходят фазовый модулятор и чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях и поступают снова на второй волоконный разветвитель, который смешивает эти два луча в один луч. Этот смешанный луч проходит волоконный поляризатор в обратном направлении, а также первый волоконный разветвитель и через второй входной конец световода первого волоконного разветвителя попадает на фотоприемник. На фотоприемнике интерферируют друг с другом два луча, которые прошли волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, и таким образом интенсивность на фотоприемнике пропорциональна величине:

I_Ф~2Р₀(1+cos Ф_С),

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

Ф_С - разность фаз Саньяка.

В качестве источника света используются источники оптического излучения с малым временем когерентности. Это могут быть либо полупроводниковые суперлюминесцентные диоды, либо волоконные флюоресцентные источники излучения на основе активированных световодов [2]. Из рассмотрения оптической схемы кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа и порядка прохождения оптических лучей в нем следует, что два луча, несущих информацию об угловой скорости вращения, проходят дважды во взаимно противоположных направлениях следующие волоконные элементы оптической схемы кольцевого интерферометра: первый волоконный разветвитель, поляризатор и второй волоконный разветвитель. Условно, эти три элемента можно объединить в одно устройство, которое выполняет роль устройства ввода-вывода излучения в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа.

Характеристики оптических элементов, входящих в состав устройства ввода-вывода излучения, во многом определяют стабильность нуля кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, и поэтому совершенствованию их характеристик уделяется большое внимание. Устройство ввода-вывода обеспечивает взаимность построения схемы кольцевого интерферометра для лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, то есть обеспечивает одинаковость их оптических путей. Стабильность нуля кольцевого интерферометра, иными словами стабильность разности фаз лучей кольцевого интерферометра при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, во многом зависит от поляризационных передаточных характеристик элементов, входящих в состав устройства ввода-вывода. Известно, что при изменении состояния поляризации лучей кольцевого интерферометра возникает ошибка в измерении угловой скорости волоконно-оптическим гироскопом, так как из-за изменения состояния поляризации лучей возникает паразитная разность фаз в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа [3]. Поляризационную матрицу световода чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа можно представить в общем виде унитарной унимодумерной матрицей вида:

,

где "*" - операция комплексного сопряжения.

Предположим вначале, что кольцевой интерферометр содержит только второй волоконный разветвитель, тогда интенсивность излучения на фотоприемнике можно представить в следующем виде:



где S_p - операция шпур;

G_вых - матрица когерентности выходного поля на фотоприемнике;

G_вх - матрица когерентности входного поля, то есть поля, поступающего на вход второго волоконного разветвителя;

"+" - операция эрмитового сопряжения;

Т - операция транспонирования;

Ф_С - разность фаз Саньяка в кольцевом интерферометре.

Матрицу когерентности входного поля можно представить в виде:



где а, b - компоненты вектора Джонса входного поля.

С учетом этого интенсивность на фотоприемнике можно представить в виде:

I_Ф~[aa*+bb*]f₁₁f*₁₁-[aa*f₁₂f₁₂+bb*f*₁₂f*₁₂]+

[ab*f₁₁-a*bf*₁₁]f₁₂ ⁺f*₁₂.

Поляризационную передаточную матрицу световода чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа можно представить, используя модель одного центра поляризационной связи [4] в световоде с большим двулучепреломлением. Поле излучения по двум осям двулучепреломления в световоде, имеющих постоянные распространения двух поляризационных мод _a и _b в точке поляризационной связи можно представить в виде:





где Е_a, Е_b - поля х и у-поляризационных мод в световоде с большим линейным двулучепреломлением;

L₀ - длина световода чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа;

l - координата центра поляризационной связи мод в световоде чувствительной катушки.

Помещая центр поляризационной связи в любом месте световода чувствительной катушки, можно оценить влияние поляризационной связи на паразитное фазовое смещение в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа. В предположении, что световод чувствительной катушки имеет постоянную скрутку по длине _C, где _C - угол скрутки, матрицу передачи световода можно представить в виде [3]:

,

где

В случае, когда отсутствует скрутка световода _C = 0, излучение световода обладает малой длиной когерентности и на вход схемы кольцевого интерферометра поступает деполяризованное излучение, то есть в этом случае интенсивность на фотоприемнике может быть представлена в виде:



Из этого выражения следует, что при деполяризованном излучении на входе оптической схемы кольцевого интерферометра паразитной фазовой подставки в интерферометре не возникает даже в случае, когда имеется связь между поляризационными модами в любом месте световода чувствительной катушки гироскопа, в том числе и в его центре. В рассматриваемом случае, в зависимости от величины связи двух поляризационных мод, наблюдается так называемый "фединг" сигнала кольцевого интерферометра, то есть изменение видности интерференционной картины. В волоконно-оптических гироскопах, где используются компенсационные фазовые методы считывания информации (гироскопы с замкнутой петлей обратной связи), "фединг" сигнала не оказывает существенного влияния на точность гироскопа. Видность интерференционной картины также не может быть равна нулю, так как полной перекачки мощности из одной поляризационной моды в другую не может быть по определению. Возможна перекачка только половины мощности одной из поляризационных мод в другую, мощность которой на входе равнялась нулю.

Если на вход оптической схемы кольцевого интерферометра поступает линейно-поляризованное излучение, то есть возбуждается одна из поляризационных мод световода чувствительной катушки гироскопа аa*=1, bb*=0, a*b=ab*=0, то в кольцевом интерферометре может возникать паразитная фазовая подставка, которая выражается следующим образом:



Максимально возможное значение, которое может принимать паразитная фазовая подставка _П . При учете малой длины когерентности источника излучения можно сделать вывод, что в рассматриваемом случае на величину фазовой подставки влияют центры поляризационной связи, находящиеся сразу за вторым волоконным разветвителем. Максимальная величина фазовой подставки в кольцевом интерферометре в случае линейно-поляризованного излучения на входе оптической схемы получается тогда, когда линейная поляризация излучения падает под углом к осям двулучепреломления разветвителя и световода чувствительной катушки гироскопа, то есть в случае, когда aа^*-bb^*=0 и В этом случае выражение для паразитной фазовой подставки в кольцевом интерферометре примет следующий вид:



Теперь предположим, что на вход оптической схемы кольцевого интерферометра поступает частично поляризованное излучение, что бывает наиболее часто. Частично поляризованное излучение можно представить в виде суммы полностью деполяризованной и полностью поляризованной компонент, то есть Р_ч.п=Р_п+Р_д, где Р_ч.п. - мощность частично поляризованного света; Р_п - мощность полностью поляризованной компоненты; Р_д - мощность полностью деполяризованной компоненты излучения. Исходя из условия максимально возможной паразитной фазовой подставки (полностью поляризованная компонента излучения падает под углом к осям двулучепреломления разветвителя и световода чувствительной катушки) имеем следующее выражение:



где остаточная степень поляризации частично поляризованного света.

Из предыдущего рассмотрения следует, что на величину паразитной фазовой подставки в кольцевом интерферометре основное влияние оказывают поляризационные эффекты в местах световодов, которые располагаются непосредственно за разветвителем оптической мощности, а также, но в значительно меньшей степени, в середине световода чувствительной катушки. Длина этих участков ограничена и равняется длине деполяризации излучения в световоде [4]:

,

где f₀ - центральная длина волны излучения источника;

f - ширина линии излучения источника;

L_p - длина поляризационных биений в световоде волоконного разветвителя.

При f₀= 850 нм, f=20 нм, L_p=510^-3 имеем L = 0,056 м, то есть длина деполяризации излучения в световоде с большим линейным двулучепреломлением достаточно мала. Поэтому на величину паразитной фазовой подставки в кольцевом интерферометре основное влияние оказывают участки световодов, являющиеся выходными световодами второго волоконного разветвителя устройства ввода-вывода излучения кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. С определенной степенью точности коэффициент связи двух поляризационных мод можно представить в виде: = hL, где h - коэффициент межмодовой поляризационной связи в световоде (h-параметр).

Тогда для паразитной фазовой подставки можно записать:

,

где h, L_p - h-параметр и длина поляризационных биений соответственно в световодах, являющихся выходными световодами второго разветвителя устройства ввода-вывода кольцевого интерферометра.

Передаточная поляризационная матрица оптического тракта в кольцевом интерферометре при условии наличия поляризатора на входе второго волоконного разветвителя устройства ввода-вывода может быть представлена в виде [3]:



где - коэффициент пропускания поляризатором нежелательной поляризации по полю.

Минимально возможная паразитная фазовая подставка в кольцевом интерферометре в этом случае при частично поляризованном излучении на входе после преобразований примет вид:



Таким образом, для уменьшения паразитной фазовой подставки в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа необходимо обеспечивать малую длину когерентности источника излучения, малую остаточную степень поляризации излучения на входе поляризатора устройства ввода-вывода излучения, большой коэффициент поляризационной экстинкции поляризатора, малые значения коэффициента межмодовой поляризационной связи и длины поляризационных биений (большая величина двулучепреломления в световедущей жиле) в световодах, являющихся выходными световодами второго волоконного разветвителя устройства ввода-вывода излучения в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа.

Первый волоконный разветвитель обычно изготавливается из изотропных одномодовых световодов с использованием тянуто-сплавной технологии, то есть два отрезка световода на некотором участке сплавляются друг с другом, а затем в этом месте формируется биконическая перетяжка с целью обеспечения связи между световедущими жилами. Волоконные поляризаторы также могут изготавливаться на основе биконической перетяжки участка одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением [5]. Известно, что в световоде с большим линейным двулучепреломлением происходит расщепление кривой критического угла конусности для двух поляризационных мод, являющихся собственными модами подобного световода. Для у-поляризационной моды критический угол конусности имеет меньшее значение, чем для х-поляризационной моды, поэтому биконическую перетяжку на участке одномодового световода можно сформировать таким образом, чтобы ее угол конусности несколько превышал критический угол конусности для у-поляризационной моды, но оставался меньше критического угла конусности для х-поляризационной моды. В этом случае у-поляризационная мода испытывает большее затухание по сравнению с х-поляризационной модой и в результате биконическая перетяжка выполняет роль поляризатора излучения.

Волоконный поляризатор может быть изготовлен и с помощью двулучепреломляющего кристалла [6]. Участок одномодового изотропного световода вклеивается в подложку и подвергается шлифовке. В процессе шлифовки часть световода ошлифовывается таким образом, что отшлифованная поверхность располагается очень близко от световедущей жилы. Затем на отшлифованную поверхность накладывается двулучепреломляющий кристалл пентабарата калия. Этот кристалл имеет показатель преломления для х-поляризационной моды несколько выше показателя преломления материала световедущей жилы, а для у-поляризационной моды его показатель несколько ниже. Поэтому у-поляризационная мода сильно затухает, в то время как х-поляризационная мода продолжает канализироваться световедущей жилой световода.

Известен также способ изготовления волоконного разветвителя, сохраняющего поляризацию излучения на основе двужильного световода с большим линейным двулучепреломлением [7]. Заготовка для двужильного световода изготавливается следующим образом. Две заготовки для одномодового волоконного световода с большим линейным двулучепреломлением подвергаются плоской шлифовке с одной из сторон. Плоская шлифовка заготовки [8] производится таким образом, чтобы она была параллельна одной из двух осей двулучепреломления в заготовке световода. Затем на отшлифованных поверхностях заготовок нарезаются поперечные полукруглые канавки постоянной глубины и ширины, отстоящие друг от друга на одинаковом расстоянии. После этого эти две заготовки совмещаются друг с другом своими плоскими поверхностями таким образом, чтобы у них совпадали поперечно нарезанные канавки, после чего заготовки на тепломеханическом станке сплавляются друг с другом. Из полученной таким образом заготовки вытягивается двужильный световод, который имеет чередующиеся участки. На одном участке две сплавленные полузаготовки образуют собственно двужильный световод, а на втором участке в общей оболочке защитно-упрочняющего покрытия находятся два световода, каждый из которых содержит одну из двух световедущих жил двужильного световода. Разветвитель изготавливается путем формирования биконической перетяжки на участке двужильного световода. Для этого участок двужильного световода длиной z [9] разогревается до температуры плавления и растягивается специальным механизмом. В этом случае форма биконической перетяжки описывается параболическим законом вида:

D(z)=D_f(l+z²),

где D(z) - диаметр световедущей жилы исходного световода;

D_f - диаметр световедущей жилы в области "шейки" биконической перетяжки;

- константа.

Начало координат z=0 находится в области "шейки" биконической перетяжки. Участок разогрева световода имеет, таким образом, координаты а длина вытяжки световода в обе стороны равна и общая длина перетяжки l_П=z+l. Для определения всех параметров биконической перетяжки необходимо воспользоваться следующими соотношениями:







Угол конусности биконической перетяжки выражается следующим образом:



Критический угол _KP конусности конического перехода световода, при превышении которого возникают потери канализируемого излучения, определяется из условия:



где n - разность показателей преломления между световедущей жилой и отражающей оболочкой световода;

n₀ - показатель преломления плавленого кварца;

- параметр основной моды в оболочке световода;

V - нормализованная частота.

Для того, чтобы в разветвителе не возникало потерь должно выполняться условие:

_KP>2D_jz

Для достижения эффекта связи между световедущими жилами сплавляемых световодов необходимо, чтобы степень перетяжки световодов была такой, что в области "шейки" параметр V имел значение V< 0,967. В этом случае световедущие жилы уже не канализируют излучение, и в области "шейки" начинает работать волновод типа "стекло - воздух", то есть световедущей жилой служит "шейка" биконической перетяжки, а отражающей оболочкой - окружающий воздух. Видно, что вновь образовавшийся волновод типа "стекло - воздух" является многомодовым, но тем не менее все основные процессы, происходящие в биконическом разветвителе, определяются в основном взаимодействием моды низшего порядка и следующей моды более высокого порядка, то есть мод LP₀₁ и LP₁₁. При этом считается, что интенсивности этих мод практически одинаковы, то есть P_LP01= P_LP11= Р₀. В этом случае основная мода и первая высшая мода делятся между световедущими жилами поровну по мощности, но для суммарной мощности по каналам разветвителя можно записать:





где P₀ ¹, P₀ ² - мощности лучей на выходных концах световодов разветвителя;

₀ - разность фаз между основной модой и первой модой высшего порядка.

Коэффициент деления мощности разветвителем подбирается путем подбора длины перетяжки, так как в этом случае изменяется величина ₀. Но при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например изменении температуры, может наблюдаться нестабильность коэффициента деления мощности разветвителем.

Основным недостатком известного устройства ввода-вывода является достаточно большие габариты. Так как устройство ввода-вывода состоит из отдельных элементов, то при сборке волоконно-оптических гироскопов на его основе, они занимают достаточно большой объем в конструкции оптического блока и поэтому увеличивают габариты конструкции волоконно-оптического гироскопа.

Другим недостатком известного устройства ввода-вывода является то, что первый волоконный разветвитель, выполненный по тянуто-сплавной технологии, то есть представляющий из себя устройство, работающее на основе биконической перетяжки, обладает поляризующими свойствами. Это приводит к увеличению паразитного смещения нуля кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Поляризующие свойства разветвителя объясняются тем, что в области "шейки" биконическая перетяжка двух сплавленных друг с другом волокон имеет эллиптичную форму поперечного сечения. Это приводит к тому, что оптический волновод типа "стекло - воздух", который представляет из себя "шейка" биконической перетяжки, обладает линейным двулучепреломлением. Так как на вход первого разветвителя устройства ввода-вывода волоконно-оптического гироскопа поступает деполяризованное излучение источника с целью снижения паразитного смещения нуля кольцевого интерферометра, то за счет того, что в области "шейки" существуют две поляризационные моды, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями, коэффициент деления оптической мощности разветвителем деполяризованного луча для его двух некогерентных ортогональных поляризационных компонент несколько различается. Поэтому в один канал разветвителя поступает несколько больше мощности одного состояния поляризации, а в другой канал несколько больше мощности другого состояния поляризации. Это приводит к тому, что на выходных плечах первого волоконного разветвителя выходное излучение оказывается уже поляризованным, что ухудшает стабильность нуля кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Разница в коэффициентах деления двух ортогональных состояний поляризации деполяризованного излучения возникает из-за различных фазовых соотношений между низшей модой и первой высшей модой двух состояний поляризации излучения.

Другими недостатками устройства ввода-вывода являются достаточно жесткие требования к величине коэффициента поляризационной экстинкции, которая необходима для достижения минимального паразитного фазового смещения кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Реально достижимый коэффициент поляризационной экстинкции в волоконных поляризаторах на основе биконических перетяжек с использованием световодов с большим линейным двулучепреломлением составляет ~20 дБ, чего явно недостаточно для достижения высоких точностей волоконно-оптических гироскопов. Все другие известные способы получения высокоэффективных волоконных поляризаторов основаны на использовании изотропных одномодовых световодов, что неприемлемо с точки зрения использования их в оптическом тракте кольцевого интерферометра, сохраняющего состояние поляризации излучения.

Другим недостатком известного способа изготовления устройства ввода-вывода излучения в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа является нестабильность коэффициента деления мощности луча вторым волоконным разветвителем устройства ввода-вывода излучения.

Для устранения паразитных фазовых набегов в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа из-за эффектов Керра, а также из-за существования в интегрально-оптических фазовых модуляторах эффекта фоторефракции, необходимо, чтобы коэффициент деления второго волоконного разветвителя обладал бы высокой стабильностью, а также, чтобы луч света, поступающий на его вход, делился на два луча одинаковой интенсивности. Волоконные разветвители на основе биконической перетяжки с волноводом типа "стекло-воздух" в области ее "шейки" не обладают необходимой стабильностью коэффициента деления мощности луча в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритов и веса устройства ввода-вывода излучения в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа и повышение стабильности нуля кольцевого интерферометра.

Указанная цель достигается тем, что при изготовлении двужильного световода перед операцией шлифовки заготовок их предварительно помещают внутрь, а затем и сплавляют с опорной кварцевой трубой, на внутреннюю поверхность которой наносят слой кварцевого стекла с показателем преломления меньше на (2-4)10^-3, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла, и толщиной слоя, обеспечивающей где D_ОБ - диаметр оболочки, образованной слоем кварцевого стекла с пониженным показателем преломления, D_ЗАГ - диаметр исходной заготовки. После вытяжки двужильного световода участок, на котором формируется биконическая перетяжка, помещают предварительно в травильный раствор с целью стравливания внешнего слоя двужильного световода, состоящего из чистого кварцевого стекла, а затем сформированную биконическую перетяжку покрывают защитно-упрочняющим оптическим покрытием с показателем преломления n= n_ОБ110^-3, где n_ОБ - показатель преломления материала внешней оболочки двужильного световода.

Указанная цель достигается еще и тем, что после вытяжки двужильного световода его участок, на котором формируется биконическая перетяжка, помещают внутрь капилляра, состоящего из кварцевого стекла с показателем преломления меньше на (2-4)10^-3, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла.

Указанная цель достигается еще и тем, что биконическую перетяжку покрывают двулучепреломляющим составом, имеющим для х-поляризационной моды световода показатель преломления, превышающий показатель преломления внешнего слоя стекла двужильного световода, а для у-поляризационной моды показатель преломления ниже показателя преломления внешнего слоя стекла двужильного световода, причем биконическую перетяжку в области ее "шейки" формируют с таким максимальным диаметром по поперечному сечению, что:



где 2<V2,4;

_o - длина волны излучения источника;

n₀ - показатель преломления внешнего слоя стекла двужильного световода;

n_x - разность показателей преломления между внешним слоем стекла двужильного световода и показателем преломления двулучепреломляющего состава для х-поляризационной моды.

Уменьшение габаритов и веса достигается за счет интеграции всех элементов устройства ввода-вывода излучения, так как одна биконическая перетяжка, сформированная с использованием двужильного световода, содержит в своем составе все элементы устройства ввода-вывода излучения. Биконическая перетяжка с использованием двужильного световода представляет собой волоконную интегральную схему, полностью выполняющую функции устройства ввода-вывода кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.

Повышение стабильности нуля, то есть уменьшение паразитной фазовой "подставки" в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, достигается за счет того, что деполяризованный свет от источника излучения поступает непосредственно на вход поляризатора волоконной интегральной схемы. Это повышение стабильности достигается также благодаря тому, что после поляризатора оставшаяся часть деполяризованного излучения не поляризуется первым делителем оптической мощности волоконной интегрально-оптической схемы, так как в области "шейки" биконической перетяжки волновод, у которого "шейка" является световедущей жилой, является одномодовым. Поляризующие свойства в разветвителе на основе биконической перетяжки появляются у разветвителя в том случае, когда волновод в области "шейки" является многомодовым.

Повышение стабильности нуля кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа достигается также за счет того, что появляются дополнительные поляризаторы в волоконной интегральной схеме в области "шейки" биконической перетяжки из-за присутствия двулучепреломляющего состава, нанесенного на биконическую перетяжку, а также на двух выходных концах второго разветвителя волоконной интегральной схемы за счет конусности перехода двужильного световода.

Повышение стабильности нуля кольцевого интерферометра достигается также и за счет того, что из-за формирования в области "шейки" биконической перетяжки двужильного световода одномодового волновода, коэффициент деления первого и второго разветвителей волоконной интегрально-оптической схемы остается стабильным даже в условиях внешних дестабилизирующих воздействий. Разветвители волоконной интегрально-оптической схемы делят входной луч на два луча одинаковой интенсивности, то есть они являются аналогами одномодовых Y-разветвителей на основе канальных волноводов, сформированных в подложках, например ниобата лития, которые наиболее часто применяются в кольцевых интерферометрах волоконно-оптических гироскопов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На фиг. 2 показана последовательность технологических операций изготовления специального двужильного световода для волоконной интегрально-оптической схемы. На фиг. 3 показана последовательность технологических операций формирования биконической перетяжки на специальном двужильном световоде, являющейся волоконной интегрально-оптической схемой волоконно-оптического гироскопа. На фиг.4 показан разрез биконической перетяжки, сформированной на специальном двужильном световоде. На фиг.5 показан процесс формирования биконической перетяжки на двужильном световоде с использованием специального капилляра. На фиг.6 показан профиль распределения показателя преломления в области поперечного сечения "шейки" биконической перетяжки по осям х и у. На фиг. 7 показана эквивалентная оптическая схема волоконной интегрально-оптической схемы, которую представляет собой биконическая перетяжка, сформированная на специальном двужильном световоде с большим линейным двулучепреломлением.

Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа содержит источник излучения 1 (фиг. 1), волоконный деполяризатор 2, первый волоконный разветвитель 3, волоконный поляризатор 4, второй волоконный разветвитель 5, интегрально-оптические фазовые модуляторы 6, волоконную чувствительную катушку 7 и фотоприемник 8. В качестве источника излучения используются источники с малой длиной когерентности излучения. Это либо суперлюминесцентные полупроводниковые излучатели, состыкованные с отрезком одномодового световода, либо волоконные флюоресцентные источники излучения на основе активированных световодов.

Полупроводниковые суперлюминесцентные излучающие диоды имеют на выходе поляризованный свет, поэтому в оптической схеме кольцевого интерферометра используется специальное устройство - волоконный деполяризатор излучения. Деполяризованное излучение на входе оптической схемы кольцевого интерферометра значительно повышает стабильность нуля интерферометра. Волоконный деполяризатор - это два сваренных между собой отрезка одномодового световода с большим линейным двулучепреломлением с отношением длин 2:1, причем перед сваркой они сориентированы таким образом, что их главные оси двулучепреломления составляют друг с другом угол 45^o.

Первый волоконный разветвитель, волоконный поляризатор и второй волоконный разветвитель представляют собой так называемое устройство ввода-вывода излучения. Именно эта часть оптической схемы определяет стабильность разности фаз лучей кольцевого интерферометра, то есть стабильность нуля интерферометра. Интегрально-оптический широкополосный фазовый модулятор обычно представляет из себя два канальных волновода, сформированных по протон-обменной технологии в подложке ниобата лития. Канальные волноводы состыкованы с одной стороны с выходными концами световодов второго волоконного разветвителя, а с другой - с концами световода чувствительной катушки гироскопа. Световод чувствительной катушки имеет, так называемую, симметричную намотку для исключения возникновения в кольцевом интерферометре паразитных фазовых набегов из-за градиентов температуры вдоль световода чувствительной катушки. В качестве фотоприемника обычно используется p-i-n фотодиод с малой входной емкостью.

Специальный двужильный световод с большим линейным двулучепреломлением, использующийся для изготовления волоконной интегрально-оптической схемы, содержащей все элементы устройства ввода-вывода излучения кольцевого интерферометра, изготавливается следующим образом. Заготовка для одномодового волоконного световода 8 (фиг. 2) с большим линейным двулучепреломлением (например, типа "PANDA") содержит световедущую жилу 9, отражающую оболочку 10 и нагружающие стержни 11 [10, 11]. Эта оболочка помещается внутрь опорной кварцевой трубы 12, на внутреннюю поверхность которой осаждаются слои кварцевого стекла 13, легированного, например, фтором. Добавка фтора понижает коэффициент преломления стекла, но в то же время незначительно изменяет температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла. Это обстоятельство впоследствии имеет немаловажное значение, так как исключает возникновение дополнительных паразитных механических напряжений в двужильном световоде. Легирующая добавка фтора получается путем добавки в пары хлорида кремния паров фреона 113 при проведении осаждения слоев кварцевого стекла MCVD-методом на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы.

С помощью добавки фтора при использовании фреона 113 удается снизить показатель преломления кварцевого стекла не более чем на 410^-3. Затем заготовку для одномодового волоконного световода с помощью газовой горелки 14 на тепломеханическом станке сплавляют с опорной кварцевой трубой в сплошной стекляный штабик. В результате сплавления заготовки с опорной кварцевой трубой получается новая заготовка 15 для одномодового световода "PANDA", которая содержит дополнительно оболочку 16 из кварцевого стекла, легированного фтором, а также внешнюю защитную оболочку 17, состоящую из чистого кварцевого стекла. Затем заготовку подвергают плоской шлифовке таким образом, чтобы плоскость шлифовки заготовки в поперечном сечении была параллельна линии, соединяющей центры световедущей жилы и центры нагружающих стержней. Шлифовку можно осуществить на плоскошлифовальном станке алмазным кругом. После плоской шлифовки заготовки нарезают поперечные канавки полукруглой формы глубиной и шириной ~0,6 мм, равноотстоящие друг от друга. Получается полузаготовка 18 для двужильного световода.

Таким же образом изготавливается и вторая полузаготовка 19 для двужильного световода, после чего эти две полузаготовки соединяются друг с другом своими плоскими поверхностями так, чтобы поперечные канавки этих полузаготовок совпадали друг с другом. После этого полузаготовки сплавляются друг с другом на тепломеханическом станке с помощью газовой горелки, и получается окончательная заготовка для двужильного световода с большим линейным двулучепреломлением. Из этой заготовки вытягивается двужильный световод [8].

Двужильный световод 20 содержит внешнюю защитную кварцевую оболочку 21, дополнительную оболочку 22 с пониженным показателем преломления, световедущие жилы 23, отражающие оболочки 24, нагружающие стержни 25, защитную кварцевую оболочку 26 и защитно-упрочняющее покрытие 27. Отражающие оболочки и нагружающие стержни состоят из материала с показателем преломления, равным показателю преломления защитной оболочки, то есть показателю преломления чистого кварцевого стекла. После вытяжки двужильный волоконный световод разрезается на отрезки световодов. В средней части каждый из этих отрезков содержит собственно двужильный световод, а с двух концов двужильный световод переходит в находящиеся в общем защитно-упрочняющим покрытии два световода, каждый из которых содержит одну из двух световедущих жил двужильного световода. При изготовлении интегрально-оптической схемы в средней части участка двужильного световода 28 (фиг.3) сначала удаляется защитно-упрочняющее покрытие и с помощью плавиковой кислоты стравливается внешняя защитная оболочка, состоящая из кварцевого стекла. Затем с помощью дуги электрического разряда 29, например, разогревается до температуры плавления некоторый участок двужильного световода и вытягивается с целью формирования биконической перетяжки 30. С двух концов этот отрезок двужильного световода со сформированной в его средней части биконической перетяжкой оканчивается двумя отрезками световодов с каждой стороны 31 и 32, находящиеся в общем защитно-упрочняющем покрытии.

На фиг. 4 показан разрез двужильного световода в области биконической перетяжки вдоль осей у и z. Двужильный световод 33 содержит внешнюю защитную оболочку из чистого кварцевого стекла 34, оболочку, состоящую из материала с пониженным показателем преломления 35, биконическую перетяжку 36. После формирования биконической перетяжки она помещается в среду 37, имеющую показатель преломления близкий к показателю преломления материала оболочки с пониженным показателем преломления n_ОБ ³⁵10^-3. В качестве среды, в которую помещают биконическую перетяжку, может выступать специальный оптический клей или жидкость. Биконическую перетяжку можно поместить в дополнительный защитный кварцевый капилляр, а внутрь закачать с помощью шприца жидкость, например водный раствор глицерина.

Соотношение глицерина и воды подбирается таким образом, чтобы показатель преломления раствора имел значение n_P=n_ОБ ³⁵10^-3, но предпочтительнее использование специального оптического клея. Биконическая перетяжка имеет в области "шейки" диаметр D_f и конусообразные участки 38, форма которых подчиняется параболическому закону. Двужильный световод содержит также две световедущие жилы 39 и 40, которые в области "шейки" биконической перетяжки теряют способность канализировать излучение. Это необходимо для того, чтобы появилась возможность обмена мощностями оптического излучения между световедущими жилами.

На фиг. 5 показано поперечное сечение двужильного световода в области "шейки" биконической перетяжки. В этой области двужильный световод представляет из себя кварцевую нить 41, имеющую несколько эллиптическую форму, окруженную оболочкой с пониженным показателем преломления 42 и защищенную с внешней стороны специальным оптическим клеем 43. Профили распределения показателей преломления в поперечном сечении "шейки" по осям х и у имеют вид 44 и 45. Степень вытяжки двужильного световода в области "шейки" должна быть такой, чтобы:



где D_ЗАГ - диаметр исходной заготовки "PANDA", которая использовалась для изготовления двужильного световода;

D_ОБ ³⁵ - диаметр оболочки в заготовке для двужильного световода, имеющей пониженный показатель преломления;

V - нормализованная частота;

_C - длина волны отсечки волновода двужильный световод - оболочка с пониженным показателем преломления в области "шейки" биконической перетяжки;

n₀ - показатель преломления чистого кварцевого стекла;

n_x - разность показателей преломления на границе двужильный световод - отражающая оболочка с пониженным показателем преломления,

Условие для D_f, приведенное выше, в случае, если _C0 (₀ - длина волны излучения источника, используемого в волоконно-оптическом гироскопе, означает условие одномодовости волновода двужильный световод - оболочка с пониженным показателем преломления. При n<210^-3 направляющие свойства нового волновода в области "шейки" биконической перетяжки будут очень слабыми, что приведет к увеличению потерь оптической мощности в волоконной интегрально-оптической схеме. При n>410^-3 диаметр "шейки" D_f будет достаточно малым в случае обеспечения одномодовости вновь образованного волновода в области "шейки" биконической перетяжки, что практически при формировании биконической перетяжки выполнить достаточно сложно.

Для обеспечения хороших канализирующих свойств с обеспечением малых потерь оптической мощности излучения, распространяющегося в области "шейки" биконической перетяжки, необходимо также, чтобы диаметр оболочки с пониженным показателем преломления был не менее чем в 2 раза больше диаметра двужильного световода в области "шейки" биконической перетяжки. Это достигается на стадии изготовления заготовки для двужильного световода путем выполнения условия (D_ОБ/D_ЗАГ)2. Показатель преломления оптического клея для защиты биконической перетяжки должен иметь значение, близкое к значению показателя преломления отражающей оболочки волновода, возникающего в области "шейки" биконической перетяжки.

При выполнении всех вышеперечисленных условий для образования одномодового волновода в области "шейки" биконической перетяжки коэффициент деления оптической мощности разветвителем стабилизируется. То есть деление оптической мощности между двумя лучами на выходных концах световодов двужильного световода происходит ровно пополам и не зависит ни от воздействия внешних дестабилизирующих факторов, ни от изгибов перетяжки, ни от степени вытяжки двужильного световода, так как в области "шейки" волновода отсутствуют моды высших порядков. При _C = 1,510^-6м, n=0,002, (D_ОБ/D_ЗАГ)=2 диаметр "шейки" биконической перетяжки должен быть ~21,2 мкм, а при n=0,004 диаметр шейки" ~30 мкм.

Двужильный световод обладает большим линейным двулучепреломлением. Величина двулучепреломления в световедущих жилах двужильного световода типа "PANDA" пропорциональна величине:



где - разность коэффициентов теплового линейного расширения материалов нагружающих стержней и остального материала световода;

T - разность температуры в печи установки вытяжки световодов и комнатной температуры;

d - расстояние от нагружающих стержней до центра световедущей жилы;

- угол раскрыва нагружающих стержней при наблюдении их из центра световедущей жилы.

При наличии в световедущих жилах двулучепреломления критический угол конусности перехода, который представляет из себя биконическая перетяжка, сформированная на двужильном световоде, имеет различное значение для собственных поляризационных мод двужильного световода. То есть для у-поляризационной моды критический угол конусности имеет несколько меньшее значение и разница в критических углах конусности для поляризационных мод возрастает по мере увеличения двулучепреломления в двужильном световоде. Если конструкция двужильного световода выбрана таким образом, что двулучепреломление сосредоточено в основном только в световедущей жиле, то для критических углов конусности двух поляризационных мод можно записать:





где n_x - разность показателей преломления световедущей жилы и отражающей оболочки для х-поляризационной моды;

В - величина двулучепреломления в световедущей жиле.

Сосредоточение двулучепреломления только в световедущей жиле, по крайней мере в направлении оси y, возможно, если расстояние от нагружающих стержней до центра световедущей жилы dD_ж (D_ж - диаметр световедущей жилы) и =90^o для получения максимальной величины двулучепреломления. Если биконическая перетяжка на двужильном световоде сформирована так, что ее угол конусности несколько превышает критический угол для у-поляризационной моды, но остается меньше критического угла конусности для

х-поляризационной моды, то конусные переходы биконической перетяжки начинают работать как фильтры поляризационных мод, то есть как поляризаторы излучения. Фильтрация поляризационных мод происходит на участках биконической перетяжки ближе к середине между началом биконической перетяжки и ее "шейкой". Здесь необходимо отметить, что некоторая эллиптичность формы световедущей жилы волновода, образовавшегося в области "шейки" биконической перетяжки, играет положительную роль, так как оси двулучепреломления световедущих жил двужильного световода и оси двулучепреломления "шейки" биконической перетяжки совпадают друг с другом. Это важно с той точки зрения, что сохранение состояния поляризации излучения в области "шейки" биконической перетяжки происходит уже за счет эллиптичности формы световедущей жилы волновода в области "шейки" биконической перетяжки.

Поляризационные фильтры, образовавшиеся на втором конусном переходе биконической перетяжки, после деления оптического луча на два луча вносят дополнительную стабильность нуля кольцевого интерферометра, то есть существенно снижают паразитное фазовое смещение в нем. При использовании модели одного центра поляризационной связи для двух мод в двужильном световоде можно записать:





где ₁ - коэффициент затухания х-поляризационной моды;

₂ - коэффициент затухания у-поляризационной моды;

l - расстояние от начала световода волоконной чувствительной катушки гироскопа до центра связи.

После преобразования матрицу передачи световода чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа в общем виде можно представить следующим образом:



Введем обозначения:









С учетом этого матрица передачи приобретает следующий вид:



Если в оптической схеме кольцевого интерферометра отсутствует скрутка световода чувствительного контура и для упрощения расчетов предположим, что на входе схемы отсутствует поляризатор, то для тока фотоприемника справедливо следующее выражение:



где = _X-_Y/ - разность постоянных распространения двух поляризационных мод.

Для максимально возможной фазовой подставки в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа при использовании волоконной интегрально-оптической схемы можно записать следующее выражение:



где - длина деполяризации излучения.

Отсюда следует, что поляризационные фильтры на выходных плечах волоконного разветвителя уменьшают паразитную фазовую подставку в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа. Предположим, что волоконная интегрально-оптическая схема имеет характеристики, которые с практической точки зрения легко достижимы, то есть



Тогда при _g = 10^-2 и (f₀/f)40 имеем _П = 1,110^-7рад. Если волоконная катушка имеет диаметр 100 мм и содержит 10³ м световода, то смещение нуля волоконно-оптического гироскопа из-за поляризационных эффектов в оптическом тракте не превысит 0,1^o/час при ₀ = 0,8310^-6м.

На фиг.6 показан принцип изготовления волоконной интегрально-оптической схемы с использованием двужильного световода без дополнительной оболочки с пониженным показателем преломления. Она может быть организована непосредственно при изготовлении биконической перетяжки, но с использованием специального стеклянного капилляра с пониженным показателем преломления. Она может быть изготовлена также с помощью осаждения на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы слоев кварцевого стекла с пониженным показателем преломления; затем из этой трубы на установке вытяжки вытягиваются кварцевые капилляры с внутренним диаметром, соответствующим диаметру двужильного световода. После этого внешняя оболочка этих капилляров, состоящих из чистого кварцевого стекла, стравливается с помощью плавиковой кислоты, и на участок двужильного световода 46 с поперечным сечением 47 (фиг.6) одевается стеклянный капилляр 48, состоящий из материала с пониженным показателем преломления. Затем с помощью, например, дуги электрического разряда, капилляр сплавляется с двужильным световодом, после чего формируется биконическая перетяжка 49. После формирования биконической перетяжки она защищается специальным оптическим составом с показателем преломления n=n_ОБ110^-3, где n_ОБ - показатель преломления материала капилляра.

Еще одной возможностью получения одномодового волновода для х-поляризационной моды в области "шейки" биконической перетяжки двужильного световода без дополнительной оболочки с пониженным показателем преломления является напыление на биконическую перетяжку состава, обладающего двулучепреломлением [12]. Напыляемый на биконическую перетяжку двулучепреломляющий кристалл работает подобно тому, как это описано в [6]. "Шейка" биконической перетяжки состоит практически из чистого кварцевого стекла, а двулучепреломляющий кристалл имеет показатель преломления для х-поляризационной моды несколько выше, чем показатель преломления чистого кварцевого стекла, а для у-поляризационной моды несколько ниже и поэтому в области "шейки" образуется дополнительный поляризационный фильтр, который в значительной степени уменьшает паразитную фазовую подставку в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа. Перед напылением двулучепреломляющего кристалла на биконическую перетяжку диаметр ее "шейки" должен удовлетворять условию:



где V - нормализованная частота;

₀ - длина волны излучения источника;

n₀ - показатель преломления плавленого кварца;

n_x - разность показателей преломления между кварцевым стеклом "шейки" биконической перетяжки и показателем преломления двулучепреломляющего кристалла для х-поляризационной моды.

V2,4 - условие одномодовости волновода в области "шейки" биконической перетяжки, а V>2 - условие, чтобы не возникало потерь оптической мощности х-поляризационной моды при распространении по волноводу в области "шейки" биконической перетяжки.

На фиг. 7 показана эквивалентная оптическая схема волоконной интегрально-оптической схемы. Она содержит входной 50 и выходной 51 концы световодов, входной 52 и выходной 53 поляризаторы, первый волоконный разветвитель 54, пространственный и поляризационный фильтры 55 одновременно, второй волоконный разветвитель 56, волоконные поляризаторы 57 и 58 и выходные концы световодов 59 и 60 волоконной интегрально-оптической схемы, которые соединяются со световодом чувствительной катушки гироскопа и интегрально-оптическими фазовыми модуляторами (фиг.1).

Одномодовый оптический волновод в области "шейки" биконической перетяжки в случае напыления двулучепреломляющего кристалла выполняет роль не только поляризационного модового фильтра, но и пространственного фильтра, присутствие которого в оптической схеме кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа необходимо. Роль пространственного фильтра между первым и вторым разветвителями играет одномодовый волновод в области "шейки" биконической перетяжки.

Источники информации

1. G.A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, p. 46-60, 1996 г.

2. Sanders et all. "Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications" SPIE v. 2837, p. 61-71, 1996 г.

3. A.M.Курбатов "Волоконно-оптический гироскоп с использованием одномодовых волоконных световодов с большим двулучепреломлением". НТС "Вопросы авиационной науки и техники" Серия "Бортовые приборы навигационного контроля и управления". Вып 4А, 1990 г., стр. 60-71.

4. W.K. Burnus, Chin-Lm-Chen, R.P. Moeller "Fiber optic Gyroscopes with Brood-Band Surces" J of Lightwave Techology, 1983, v. LT-1, 1, p. 88-104.

5. F. De Foruelle et all Electron. Letters, v. 20, p. 398, 1984 г.

6. R.A. Bergh, H.G. Lefevre and H.J. Shaw "Single-mode fiber-optic polarizer" Opt. Letters vol. 5, p. 479-481, 1980 г.

7. Курбатов A.M. и др. "Одномодовый волоконный разветвитель, сохраняющий поляризацию излучения". НТС "Вопросы авиационной науки и техники" Серия "Пилотажно-навигационные системы". Вып. 7А, Москва, 1989 г.

8. А. М. Курбатов и др. "Способ изготовления одномодового волоконного световода для разветвителя, сохраняющего поляризацию излучения" а.с. 324346, приоритет 09.04.90 г.

9. W. K. Burns, M. Abele, C. A. Villarruel Appl. Opt. v. 24, 17, р. 2753-2755, 1985 г. "Параболическая модель формы биконической перетяжки".

10. А. Курбатов и др. "Одномодовый волоконный световод, сохраняющий поляризацию излучения". НТС "Вопросы авиационной науки и техники" Серия "Пилотажно-навигационные системы и приборы". Вып. 7А, Москва, 1989 г.

11. А.Курбатов и др. "Способ получения одномодового волоконного световода". Патент РФ 2043313, 10.09.95 г.

12. A. Birman "Biconical all-fiber crystal polariser" SPIE vol. 2837, p. 368-374, 1996 г.