Интегрально-оптический гиросенсор (гироскоп)

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.

 

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 Ω, которая обратно пропорциональна среднеквадратичной погрешности измерения σ _Ω. Для оптического гироскопа она определяется следующей формулой [1, 2]:

где Δ Ω - погрешность измерения скорости, λ - длина волны света, с - скорость света, R - радиус витков катушки, L_N - эффективная длина волновода в катушке, S - площадь витка, N - эффективное количество витков, - среднеквадратичная погрешность измерения фазы Саньяка Ф_s=ϕ⁺-ϕ^-, где ϕ⁺ и ϕ^- - 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 λ=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 Δf - частотная полоса спектра изменения угловой скорости Ω (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 f_М=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 v_g (исходя из того, что f_М=1/2τ, где τ=v_g/L_N - 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 (v_g/v_p)<<1, где v_g - замедленная групповая скорость распространения световой волны, а v_p соответствует фазовой скорости света. Замедление достигается путем периодической модуляции эффективного показателя преломления планарно - полоскового волновода (ППВ) при условии, что период пространственной модуляции Λ, 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 n_эф˜βλ/2π, где β - постоянная распространения моды, λ - длина волны света, модулируется с периодом Λ немного меньше половины длины волны в волноводе, т.е. Λ<λ/2n_эф, например, по закону n_эф(z)=n_эф+Δncos(2πz/Λ), где z - координата вдоль оси волновода, Δn - глубина модуляции (Δn<<n_эф).

Это может быть осуществлено различными способами, например периодичной модуляцией n_эф 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 Λ<λ/2n_эф она не вызывает излучения из волновода, а деформирует дисперсионную зависимость от частоты света ω: β=ωn_эф(ω)/с, где с - скорость света. Таким образом, величина dω/dβ=υ_g может быть очень малой, т.к. она обращается в нуль на границе зоны Бриллюэна β=2π/Δ.

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 Λ - 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 Ф_s, получаемый на выходе фотоприемника 5, пропорционален величине sin2πf_Мτ, где f_М - частота модуляции, τ - время распространения модулированного светового сигнала по кольцу интерферометра, равное L_N/v_g, где v_g - групповая скорость света в волноводе [3].

Следовательно, для получения максимального сигнала при заданной длине петли требуется частота модуляции f_М=v_g/2L_N. Таким образом, в результате замедления групповой скорости снижается требуемая частота модуляции f_М.

При ширине спектра излучения СЛД Δλ˜10 нм таким способом можно достичь снижения групповой скорости более чем на порядок величины. А для узкополосных лазеров (Δλ˜0,1 нм) можно получить замедление групповой скорости более чем на два порядка величины. Например, при длине волновода кольца интерферометра

L_N=10 м и снижении групповой скорости на порядок до значения

2·10⁷ м/с требуемая частота f_М 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).

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.