интегрально-оптический гиросенсор (гироскоп)
Классы МПК: | G01C19/64 гирометры, использующие эффект Саньяка, те смещение электромагнитных пучков в результате их вращения в противоположных направлениях |
Автор(ы): | Свидзинский Константин Константинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-06-18 публикация патента:
10.01.2009 |
Настоящее изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов. В настоящее время наряду с высокоточными гироскопами имеется большая потребность в менее точных, но более надежных удароустойчивых и в то же время сравнительно дешевых гироскопах, применяемых в качестве датчиков ориентации. Они необходимы для управления разнообразными объектами с кратковременными маневрами движения и имеют широкую область применений. Целью изобретения является решение указанной проблемы за счет применения планарно-полосковых волноводов (ППВ) с замедленной групповой скоростью распространения световой волны v g. Для этого предлагается использовать в резонаторе ППВ с промодулированным эффективным показателем преломления так, чтобы пространственный период модуляции был немного меньше половины длины волны света в волноводе. Такая модуляция может обеспечить значительное замедление волны в волноводе подобно тому, как это происходит в фотонных кристаллах. Для достижения указанного технического результата в планарном гироскопе, содержащем кольцевую петлю интерферометра на оптическом волноводе с включенным в нее фазовым оптическим модулятором, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного ответвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов ответвителя подсоединяется источник световой волны, к другому входному концу подсоединяется фотоприемник, в качестве оптического волновода используют ППВ с периодически модулированным эффективным показателем преломления, причем пространственный период модуляции задается несколько меньшим половины длины световой волны в волноводе. В результате замедления групповой скорости световой волны в волноводном кольце интерферометра достигается снижение необходимой частоты фазового модулятора. 1 ил.
Формула изобретения
Интегрально-оптический гиросенсор на основе интерферометра Саньяка, содержащий кольцевую петлю интерферометра на оптическом волноводе с включенными в нее акустооптическим модулятором и волноводным оптическим кольцевым резонатором, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного ответвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов ответвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник, отличающийся тем, что в качестве оптического волновода кольцевого резонатора используют планарно-оптический волновод с периодически модулированным эффективным показателем преломления, причем пространственный период модуляции задается несколько меньшим половины длины световой волны в волноводе.
Описание изобретения к патенту
Настоящее изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов.
Известен волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) на основе интерферометра Саньяка, имеющий важное применение в современных системах навигации и пространственной ориентации [1, 2, 3].
Основной характеристикой ВОГ является точность измерения угловой скорости , которая обратно пропорциональна среднеквадратичной погрешности измерения . Для оптического гироскопа она определяется следующей формулой [1, 2]:
где - погрешность измерения скорости, - длина волны света, с - скорость света, R - радиус витков катушки, LN - эффективная длина волновода в катушке, S - площадь витка, N - эффективное количество витков, - среднеквадратичная погрешность измерения фазы Саньяка Фs= +- -, где + и - - фазовые набеги при обходе контура интерферометра по и против часовой стрелки соответственно.
В случае применения в гироскопе кольцевого резонатора [3], эффективное число витков равно модовой добротности (резкости) F этого резонатора, F=N.
Если принять =1,5 мкм, S=180 см2 (R=7,5 см) и учесть, что реально достижимая точность измерения фазы Ф s в ВОГ соответствует величине (град), где f - частотная полоса спектра изменения угловой скорости (t) во времени [1, 2], то формула (1) дает оценку
При N=2000 для волоконно-оптической катушки мы получаем значения погрешности град/час, что соответствует высокоточному ВОГ [4]. Такие гироскопы признаны перспективными для навигационных применений [2] даже при том, что они имеют высокую стоимость, а также требуют вибрационной и ударной защиты.
Однако, наряду с высокоточными гироскопами, имеется большая потребность в менее точных, но более надежных удароустойчивых и в то же время сравнительно дешевых гироскопах, применяемых в качестве датчиков ориентации. Они необходимы для управления разнообразными объектами с кратковременными (десятки минут) маневрами движения и имеют широкую область применений [5, 6].
Для таких гироскопов допустима погрешность град/час, что согласно (2) достижимо при эффективном числе витков или резкости резонатора, N=F=20. Это открывает возможность построения таких гироскопов на твердотельной (кремниевой) подложке, на которой методом интегральной технологии могут быть изготовлены не только оптические планарные волноводы, но и фотоприемники, а также электронные схемы.
Однако для реализации такого гироскопа на пластине потребуется быстродействующий акустооптический модулятор (АОМ), который также можно осуществить на кремниевой подложке. Например, для гироскопа с длиной одного витка волновода интерферометра L=0,5 м (на подложке стандартного диаметра 20 см) при групповой скорости распространения световой волны v g=2·108 м/с потребуется АОМ с частотой fМ=500 МГц на кремниевой подложке, что в настоящее время недостижимо для промышленного изделия. В реально имеющихся модуляторах достигнута частота на порядок меньше [7]. Таким образом, возникает задача снижения требуемого быстродействия АОМ.
Предлагаемое изобретение направлено именно на решение указанной проблемы за счет применения планарно-полосковых волноводов (ППВ) с замедленной групповой скоростью распространения световой волны vg (исходя из того, что fМ=1/2 , где =vg/LN - время распространения светового сигнала в кольце резонатора.
С этой целью предлагается использовать в резонаторе ППВ с промодулированным эффективным показателем преломления так, чтобы пространственный период модуляции был немного меньше половины длины волны света в волноводе. Как известно [8], такая модуляция может обеспечить значительное замедление волны в водноводе, подобно тому, как это происходит в фотонных кристаллах.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению может служить планарный гироскоп, описанный в работе [5], содержащий кольцевую петлю интерферометра на оптическом волноводе с включенным в нее акустооптическим модулятором и волноводным оптическим кольцевым резонатором (ВОКР), которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного разветвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов разветвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник.
Такой гироскоп, выполненный на кремниевой подложке, с реальным диаметром менее 20 см, будет иметь достаточно короткую длину петли интерферометра или кольцевого резонатора и, следовательно, потребует фазового оптического модулятора с очень высоким быстродействием, что практически нереализуемо для известных модуляторов на кремниевой подложке.
Поэтому задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в снижении требуемого быстродействия фазового модулятора за счет использования планарно-оптического волновода с замедленной групповой скоростью (vg/vp)<<1, где vg - замедленная групповая скорость распространения световой волны, а vp соответствует фазовой скорости света. Замедление достигается путем периодической модуляции эффективного показателя преломления планарно - полоскового волновода (ППВ) при условии, что период пространственной модуляции , немного меньше половины длины волны в волноводе.
Для достижения указанного технического результата в планарном гироскопе [5], содержащем кольцевую петлю интерферометра на оптическом волноводе с включенными в нее акустооптическим модулятором и волноводным оптическим кольцевым резонатором, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного ответвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов ответвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник,
в качестве оптического волновода кольцевого резонатора используют планарно-оптический волновод с периодически модулированным эффективным показателем преломления, причем пространственный период модуляции задается несколько меньшим половины длины световой волны в волноводе.
В результате замедления групповой скорости световой волны в волноводном кольце интерферометра достигается снижение необходимой частоты фазового модулятора.
Предложения использования замедления световых волн для увеличения эффекта Саньяка были сделаны в работах [9, 10]. По существу они сводятся к замене ППВ цепочкой кольцевых резонаторов малого диаметра (<1 мм).
Однако технологическая реализация подобных замедляющих систем встречает большие трудности и поэтому не осуществлена до сих пор.
Вместо этого в данном изобретении предлагается использовать ППВ с гладкими стенками, в котором эффективный показатель преломления основной моды nэф /2 , где - постоянная распространения моды, - длина волны света, модулируется с периодом немного меньше половины длины волны в волноводе, т.е. < /2nэф, например, по закону n эф(z)=nэф+ ncos(2 z/ ), где z - координата вдоль оси волновода, n - глубина модуляции ( n<<nэф).
Это может быть осуществлено различными способами, например периодичной модуляцией nэф за счет гофрирования поверхности волновода или с помощью изготовления периодических неоднородностей вблизи стенок волновода, вносящих возмущение граничных условий для волновода, как это делается в фотонных кристаллах [8].
Подобная модуляция действует как дифракционная решетка, но благодаря условию < /2nэф она не вызывает излучения из волновода, а деформирует дисперсионную зависимость от частоты света : = nэф( )/с, где с - скорость света. Таким образом, величина d /d = g может быть очень малой, т.к. она обращается в нуль на границе зоны Бриллюэна =2 / .
Предлагаемый в настоящем изобретении способ реализации на планарном интерферометре Саньяка изображен схематически на чертеже, где обозначено:
1 - источник световой волны, например, суперлюминисцентный диод (СЛД),
2 - светоделитель интерферометра на 50%-ном Х-образном волноводном ответвителе (1/2 Х-ВО),
3 - волноводный оптический кольцевой резонатор (ВОКР),
4 - волноводный акустооптический фазовый модулятор (АОМ)э
5 - фотоприемник интерферометра,
6 - фрагмент участка модулированного ППВ с гофрированной поверхностью, где - пространственный период модуляции,
7 - пластина кремния,
8 - волновой элемент связи интерферометра с кольцевым резонатором.
В указанном интерферометре Саньяка на фиг.1 сигнал разности фаз Саньяка Фs, получаемый на выходе фотоприемника 5, пропорционален величине sin2 fМ , где fМ - частота модуляции, - время распространения модулированного светового сигнала по кольцу интерферометра, равное LN/v g, где vg - групповая скорость света в волноводе [3].
Следовательно, для получения максимального сигнала при заданной длине петли требуется частота модуляции fМ=vg/2L N. Таким образом, в результате замедления групповой скорости снижается требуемая частота модуляции fМ .
При ширине спектра излучения СЛД 10 нм таким способом можно достичь снижения групповой скорости более чем на порядок величины. А для узкополосных лазеров ( 0,1 нм) можно получить замедление групповой скорости более чем на два порядка величины. Например, при длине волновода кольца интерферометра
LN=10 м и снижении групповой скорости на порядок до значения
2·10 7 м/с требуемая частота fМ понижается до 1 МГц, а при замедлении на два порядка - до 100 КГц.
Литература
1. Шереметьев А.Г. «Волоконный оптический гироскоп». Издательство «Радио и связь» 1987 г.
2. Lefevre H. «The Fiber-Optic Gyroscope». Artech House, 1993.
3. Андронова И.А., Малыкин Г.Б. «Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка». УФН, т.172. N 8, стр.849-873, 2002.
4. Ю.Н.Коркишко, В.А.Федоров и др. «Высокоточный волоконно-оптический гироскоп с линейным цифровым выходом». Гироскопия и навигация, №1 (44), стр.69-83, 2004.
5. C.Cimenelli at al. "A new integrated optical angular velocity sensor" Proc. SPIE, vol. 5728, pp.93-100, March 2005.
6. Monovoukas С., Swiecki A., Maseeh F. «Integrated optical gyroscopes offering low cost, small sizw and vibration immunity». Proceeding of SPIE, Vol.3936 (2000), pp.293-300.
7. E.Bennette et al., J.Lightwave Techn. Vol.17, No., pp.35-42 (1999).
8. L.V.Hou et al., Nature 397, 594 (1999); M.S.Bigelow at al., Phys. Rev. Lett., 90, 113903 (2003).
9. U.Leonhardt and Piwnicki, Phys. Rev. A 62, 055801 (2000).
10. T.J.Kippenberg et al., Appl. Phys. Lett., 85, 6113 (2004).
Класс G01C19/64 гирометры, использующие эффект Саньяка, те смещение электромагнитных пучков в результате их вращения в противоположных направлениях