RU2451906C1

RU2451906C1 - Semiconductor laser gyroscope (versions)

Info

Publication number: RU2451906C1
Application number: RU2010144651/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Константинович Сахаров (RU); Вячеслав Константинович Сахаров
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Центр волоконно-оптических систем передачи информации" (ЗАО "Центр ВОСПИ")
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-27
Also published as: RU2010144651A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: according to the first version, the gyroscope has an ring laser consisting of a semiconductor optical amplifier and a ring resonator made from a light guide wound into a multiturn coil, an electronic system, two photodetectors and a fibre-optic splitter having four optical ports. The first port is connected to one of the two optical ports of the semiconductor optical amplifier and the second is connected to the light guide. The first and second ports are part of the ring resonator and the third and fourth ports are connected to the photodetectors. The electoronic system is enables to excite the semiconductor optical amplifier with current at intermode frequency v=c/Ln, where c is the speed of light in a vacuum, L is the length of the light guide and n is the refraction index of the light guide in a vacuum. In the second version, the gyroscope has two fibre-optic splitters with a 2x2 configuration, and the light guide of the resonator is divided into two parts.

EFFECT: simple design both in terms of the optical circuit and the signal processing system; low cost of the gyroscope.

6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение - полупроводниковый лазерный гироскоп (далее - ПЛГ) - относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при создании твердотельных лазерных гироскопов.The invention - a semiconductor laser gyroscope (hereinafter - PLG) - relates to the field of laser information-measuring systems and can be used to create solid-state laser gyroscopes.

Как известно, лазерные гироскопы на основе эффекта Саньяка позволяют измерять угловую скорость вращения подвижных объектов. Они используются в системах различного назначения, в том числе в навигации и автоматическом управлении движением, для индикации поворотов транспортных средств и во многих других применениях.As is known, laser gyroscopes based on the Sagnac effect make it possible to measure the angular velocity of rotation of moving objects. They are used in various systems, including navigation and automatic traffic control, for indicating vehicle turns and in many other applications.

Длительное время единственным типом лазерных гироскопов оставался He-Ne-гироскоп, представляющий собой весьма сложное и дорогостоящее устройство, имеющее ряд недостатков, среди которых сравнительно небольшая надежность и долговечность, а также высокая стоимость.For a long time, the only type of laser gyroscopes was the He-Ne gyroscope, which is a very complex and expensive device that has a number of disadvantages, including relatively low reliability and durability, as well as high cost.

Наиболее близким к заявленному гироскопу является твердотельный лазерный гироскоп (пат. РФ №90895, от 20.01.2010). Устройство содержит задающий лазер и кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, устройства ввода/вывода оптического излучения и электронной системы (блока).Closest to the claimed gyroscope is a solid-state laser gyroscope (US Pat. RF No. 90895, from 20.01.2010). The device comprises a master laser and a ring laser, consisting of a solid-state optical amplifier and a ring resonator in the form of a fiber-optic cable wound into a coil, an optical radiation input / output device, and an electronic system (unit).

При этом задающий лазер и кольцевой лазер образуют пару «задающий и ведомый лазеры», в качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения. Используется инжекция излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизация накачки обоих лазеров. Устройство ввода/вывода оптического излучения выполнено с использованием управляемого интегрально-оптического фазового модулятора. Система обработки сигнала, входящая в состав электронного блока, включает устройство высокоскоростной системы обратной связи, связанной с управляемым интегрально-оптическим фазовым модулятором.In this case, the master laser and the ring laser form a pair of master and slave lasers, and a single-frequency laser diode stabilized by the frequency of radiation is used as the master laser. Injection laser radiation is injected into the cavity of a ring laser and the pump synchronization of both lasers is used. The optical radiation input / output device is made using a controlled integrated optical-optical phase modulator. The signal processing system, which is part of the electronic unit, includes a device for a high-speed feedback system associated with a controlled integrated optical-optical phase modulator.

Таким образом, указанный гироскоп имеет весьма сложную конструкцию, что в свою очередь является причиной высокой трудоемкости его изготовления и, соответственно, его большой стоимости.Thus, this gyroscope has a very complex structure, which in turn is the reason for the high complexity of its manufacture and, consequently, its high cost.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции гироскопа как в части оптической схемы, так и в части системы обработки сигнала, следствием чего является снижение стоимости ПЛГ.The technical result of the invention is to simplify the design of the gyroscope, both in terms of the optical circuit and in the signal processing system, as a result of which the cost of the PLG is reduced.

Указанный технический результат согласно первому варианту достигается тем, что полупроводниковый лазерный гироскоп (ПЛГ) включает кольцевой лазер, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора, выполненного из смотанного в многовитковую катушку световода, электронную систему, два фотоприемника, волоконно-оптический разветвитель, имеющий четыре оптических порта, первый из которых соединен с одним из двух оптических портов ПОУ, второй - со световодом, первый и второй порты являются частью кольцевого резонатора, а третий и четвертый порты соединены с фотоприемниками, электронная система выполнена таким образом, что обеспечивает возбуждение ПОУ током на межмодовой частоте ν=c/Ln, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода и n - показатель преломления материала световода в вакууме.The specified technical result according to the first embodiment is achieved by the fact that a semiconductor laser gyroscope (PLG) includes a ring laser consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) and a ring resonator made of a fiber-optic coil wound into a multi-turn coil, an electronic system, two photodetectors, a fiber optic splitter having four optical ports, the first of which is connected to one of the two optical ports of the POU, the second to the optical fiber, the first and second ports are part of the ring resonator, and the third and fourth ports are connected to photodetectors, the electronic system is designed in such a way that it provides excitation of the POE by the current at the intermode frequency ν = c / Ln, where c is the speed of light in vacuum, L is the length of the fiber and n is the refractive index of the fiber in a vacuum.

Целесообразно, чтобы электронная система включала блоки импульсного возбуждения ПОУ, термостабилизации, обработки сигнала (фототока) и определения направления и скорости углового вращения.It is advisable that the electronic system includes blocks of pulsed excitation POU, thermal stabilization, signal processing (photocurrent) and determine the direction and speed of angular rotation.

Целесообразно наличие управляемого оптического переключателя типа «2×2», соединенного двумя входными оптическими портами с двумя оптическими портами ПОУ, а двумя выходными портами - со световодом и устройством вывода оптического излучения.It is advisable to have a controlled optical switch of the “2 × 2” type, connected by two input optical ports with two optical ports of the POU, and two output ports with a fiber and optical output device.

Указанный технический результат согласно второму варианту достигается тем, что полупроводниковый лазерный гироскоп (ПЛГ) включает кольцевой лазер, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора, выполненного из смотанного в многовитковую катушку световода, разделенного на две части L₁ и L₂, между которыми встроен ПОУ, фотоприемник и электронную систему, два волоконно-оптических разветвителя, один из волоконно-оптических разветвителей имеет оптические порты, первый из которых соединен с одним из двух оптических портов ПОУ, второй - со световодом, второй волоконно-оптический разветвитель выполнен с тремя портами, выходной из которых соединен с фотоприемником, первый волоконно-оптический разветвитель третьим и четвертым портами соединен с первым и вторым входами второго волоконно-оптического разветвителя; два оптических порта первого волоконно-оптического разветвителя, соединенные со световодом, являются частью кольцевого резонатора; электронная система выполнена таким образом, что обеспечивает возбуждение ПОУ током на межмодовой частоте ν=c/(L₁+L₂)n, где c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления световода в вакууме.The specified technical result according to the second embodiment is achieved by the fact that the semiconductor laser gyroscope (PLG) includes a ring laser, consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) and a ring resonator made of a fiber-optic cable wound into a multi-turn coil, divided into two parts L ₁ and L ₂ , between which a POU, a photodetector and an electronic system are integrated, two fiber-optic splitters, one of the fiber-optic splitters has optical ports, the first of which is connected to one of the two x POU optical ports, the second with a fiber, the second fiber-optic splitter is made with three ports, the output of which is connected to a photodetector, the first fiber-optic splitter is connected to the first and second inputs of the second fiber-optic splitter by the third and fourth ports; two optical ports of the first fiber optic splitter connected to the optical fiber are part of a ring resonator; The electronic system is designed in such a way that it provides excitation of the POE by the current at the intermode frequency ν = c / (L ₁ + L ₂ ) n, where c is the speed of light in vacuum, n is the refractive index of the fiber in vacuum.

Описание гироскопа поясняется примерами его осуществления и чертежами. На чертежах представлены:The description of the gyroscope is illustrated by examples of its implementation and drawings. The drawings show:

Фиг.1 - блок-схема первого варианта ПЛГ с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух фотоприемников;Figure 1 - block diagram of the first variant of the PLG with measuring the power output from the ring laser waves using two photodetectors;

Фиг.2а и 2б - экспериментальные результаты измерения угловой скорости вращения, полученные с помощью устройства по Фиг.1;Figa and 2b - experimental results of measuring the angular velocity of rotation obtained using the device of Fig.1;

Фиг.3 - блок-схема ПЛГ второго варианта ПЛГ с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью одного фотоприемника;Figure 3 - block diagram of the PLG of the second version of the PLG with measuring the power output from the ring laser waves using a single photodetector;

Фиг.4 - блок-схема ПЛГ первого варианта по п.3 формулы изобретения с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух фотоприемников и использованием управляемого оптического переключателя «2×2»;Figure 4 - block diagram of the PLG of the first embodiment according to claim 3 of the claims with measuring the power of the waves output from the ring laser using two photodetectors and using a controlled optical switch "2 × 2";

Фиг.5 - блок-схема ПЛГ второго варианта по п.7 формулы изобретения с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью одного фотоприемника и использованием управляемого оптического переключателя «2×2».Figure 5 is a block diagram of the PLG of the second embodiment according to claim 7 of the claims with measuring the power of the waves output from the ring laser using a single photodetector and using a 2 × 2 controlled optical switch.

На Фиг.1 приведена блок-схема первого варианта предлагаемой полезной модели - полупроводникового лазерного гироскопа (ПЛГ). ПЛГ 10 содержит следующие компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 1, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2 и кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 3, волоконно-оптический разветвитель 4, фотоприемники 5 и 6 и электронную систему 7.Figure 1 shows the block diagram of the first embodiment of the proposed utility model - a semiconductor laser gyroscope (PLG). PLG 10 contains the following components: a ring laser (PCL) 1, consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) 2 and a ring resonator from a fiber-optic fiber 3 wound into a multi-turn coil, a fiber optic splitter 4, photodetectors 5 and 6, and an electronic system 7.

В качестве активного элемента используется ПОУ 2, представляющий собой гетероструктуру InGaAsP/InP. ПОУ 2 имеет два оптических порта 2а и 2b, выполненные в виде световодов, а также элемент Пельтье для поддержания стабильной температуры гетероструктуры InGaAsP/InP и термосопротивления (на Фиг.1 не показаны).POU 2, which is an InGaAsP / InP heterostructure, is used as an active element. POU 2 has two optical ports 2a and 2b, made in the form of optical fibers, as well as a Peltier element to maintain a stable temperature of the InGaAsP / InP heterostructure and thermal resistance (not shown in FIG. 1).

Сохраняющий поляризацию одномодовый световод 3 смотан в катушку радиусом R=5 см; длина световода L=200 м; два конца световода 3 обозначены на блок-схеме рассматриваемого устройства как 3а и 3b.The polarization-preserving single-mode fiber 3 is wound into a coil of radius R = 5 cm; fiber length L = 200 m; the two ends of the optical fiber 3 are indicated on the block diagram of the device in question as 3a and 3b.

Волоконно-оптический разветвитель 4 является элементом кольцевого резонатора, а также служит для вывода части мощности двух циркулирующих волн к фотоприемникам 5 и 6. Разветвитель 4 - стандартный одномодовый сплавной разветвитель конфигурации «2×2»; он имеет четыре оптических порта. Первым и вторым портами - портами 4а и 4b - соединен соответственно с портом 2а ПОУ2 и с концом световотода 3b. Используются сварные соединения 9.Fiber optic splitter 4 is an element of a ring resonator, and also serves to output part of the power of two circulating waves to photodetectors 5 and 6. Splitter 4 is a standard single-mode alloy splitter of the “2 × 2” configuration; It has four optical ports. The first and second ports — ports 4a and 4b — are connected respectively to port 2a of the POC2 and to the end of the light guide 3b. Welds 9 are used.

В результате образуется кольцевой лазер, в резонаторе которого навстречу друг другу циркулируют две волны - волна 11 против направления хода часовой стрелки, а волна 12 - по направлению хода часовой стрелки. Интенсивности циркулирующих волн определяются направлением и скоростью углового вращения; обозначим их соответственно как I₁(Ω) и I₂(Ω), где Ω - угловая скорость вращения объекта, в (на) котором размещен данный ПЛГ.As a result, a ring laser is formed in the resonator of which two waves circulate towards each other - wave 11 against the clockwise direction, and wave 12 - in the clockwise direction. The intensities of the circulating waves are determined by the direction and speed of the angular rotation; we denote them respectively as I ₁ (Ω) and I ₂ (Ω), where Ω is the angular velocity of rotation of the object in which (on) this PLG is located.

Два других порта 4с и 4d разветвителя 4 служат для вывода части мощности двух циркулирующих волн 11 и 12 к фотоприемникам 5 и 6; на Фиг.1 выводимые волны обозначены как 11' и 12'; их интенсивности, соответственно, есть αI₁(Ω) и αI₂(Ω), где α - коэффициент передачи разветвителя 4.Two other ports 4c and 4d of the splitter 4 serve to output part of the power of two circulating waves 11 and 12 to the photodetectors 5 and 6; 1, the output waves are designated as 11 'and 12'; their intensities, respectively, are αI ₁ (Ω) and αI ₂ (Ω), where α is the transfer coefficient of the splitter 4.

Фотоприемники (ФП) 5 и 6 служат для преобразования оптической мощности каждой из выводимых волн в электрические сигналы, их усиления и преобразования в напряжение. Фотоприемники включают германиевые фотодиоды (ФД) и стандартные устройства - усилители фототока, преобразующие также фототок в напряжение. При этом сигналы на выходах двух фотоприемников U₁ и U₂ есть:Photodetectors (FP) 5 and 6 are used to convert the optical power of each of the output waves into electrical signals, their amplification and conversion into voltage. Photodetectors include germanium photodiodes (PD) and standard devices - photocurrent amplifiers, which also convert the photocurrent to voltage. In this case, the signals at the outputs of two photodetectors U ₁ and U ₂ are:

где η₁ и η₂ - произведение квантовой эффективности используемых ФД на коэффициент преобразования фототока в напряжение.where η ₁ and η ₂ are the product of the quantum efficiency of the used PDs and the photocurrent to voltage conversion coefficient.

Электронная система 7 включает блок питания 13, блок термостабилизации 14, АЦП 15, блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16.The electronic system 7 includes a power supply 13, a thermal stabilization unit 14, an ADC 15, a signal processing unit, and a determination of the direction and speed of angular rotation 16.

Блок питания 13 используются для импульсного возбуждения (накачки) ПОУ 2 с помощью тока на межмодовой частоте ν=c/Ln, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода в вакууме и n - показатель преломления световода. Частота ν=c/Ln, как известно, является частотным интервалом между соседними модами кольцевого лазера с длиной резонатора L. В рассматриваемом устройстве частота ν составляет 1,0 МГц.The power supply 13 is used for pulsed excitation (pumping) of the POU 2 using the current at the intermode frequency ν = c / Ln, where c is the speed of light in vacuum, L is the length of the fiber in vacuum and n is the refractive index of the fiber. The frequency ν = c / Ln, as is known, is the frequency interval between adjacent modes of a ring laser with a cavity length L. In this device, the frequency ν is 1.0 MHz.

Устройство 14 используется для термостабилизации ПОУ 2. Двухканальное АЦП 15 преобразует сигналы U₁ и U₂ в цифровой формат.The device 14 is used for thermal stabilization of the POU 2. Two-channel ADC 15 converts the signals U ₁ and U ₂ into a digital format.

Блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16 - цифровое вычислительное устройство, оснащенное соответствующим программным обеспечением, памятью и средствами отображения и вывода результата (информации). Результатом работы устройства 16 является определение направления и величины угловой скорости вращения Ω объекта, в которой размещен описываемый ПЛГ. В качестве цифрового вычислительного устройства 16 может использоваться ПК (персональный компьютер).The signal processing unit and determining the direction and speed of angular rotation 16 is a digital computing device equipped with appropriate software, memory and means for displaying and outputting the result (information). The result of the operation of the device 16 is to determine the direction and magnitude of the angular velocity of rotation Ω of the object in which the described PLC is located. As a digital computing device 16, a PC (personal computer) can be used.

Алгоритм определения направления и величины скорости вращения Ω в устройстве 16 заключается сначала в вычислении отношения разности и суммы двух сигналов U₁ и U₂, т.е. величиныThe algorithm for determining the direction and magnitude of the rotation speed Ω in the device 16 is first to calculate the ratio of the difference and the sum of the two signals U ₁ and U ₂ , i.e. values

которое с учетом (1) есть:which, taking into account (1), is:

Следующим шагом обработки сигнала является, собственно, определение направления и величины скорости вращения Ω:The next step in signal processing is, in fact, determining the direction and magnitude of the rotation speed Ω:

где K(Ω) - калибровочная функция, содержащаяся в памяти ПК, причем направление вращения определяет знак величины (4).where K (Ω) is the calibration function contained in the PC memory, and the direction of rotation determines the sign of the quantity (4).

Реальность осуществления данной полезной модели доказывают представляемые ниже результаты, полученные с помощью созданного экспериментального образца ПЛГ 10. В экспериментах экспериментальный образец - все устройство кроме ПК, используемого в качестве блока обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 16 - был размещен на столе, который мог вращаться в противоположных направлениях с угловой скоростью Ω=4°/c (угловых градуса в секунду).The reality of the implementation of this utility model is proved by the results presented below, obtained using the created experimental sample of PLG 10. In the experiments, the experimental sample — the entire device except the PC used as a signal processing unit and to determine the direction and speed of angular rotation 16 — was placed on a table that could rotate in opposite directions with an angular velocity of Ω = 4 ° / s (angular degrees per second).

На Фиг.2а и 2б приведены результаты экспериментов - картины с экрана монитора ПК. В данных экспериментах в течение коротких моментов времени задавалось вращение со скоростью Ω=4°/c сначала в направлении по ходу часовой стрелки, а затем в противоположном направлении. На обеих фигурах Фиг.2а и 2б вращению по ходу часовой стрелки соответствуют импульсы «положительной полярности», вращению против хода часовой стрелки - импульсы «отрицательной полярности» и состоянию покоя - горизонтальные участки эпюр.Figures 2a and 2b show the results of experiments — pictures from a PC monitor screen. In these experiments, for short moments of time, a rotation was set at a speed of Ω = 4 ° / s, first in the clockwise direction, and then in the opposite direction. In both figures of Figures 2a and 2b, clockwise rotation corresponds to pulses of "positive polarity", counterclockwise rotation corresponds to pulses of "negative polarity" and rest state are horizontal sections of the diagrams.

Таким образом, полученные в ходе экспериментального исследования результаты показывают реальность осуществления предлагаемого ПЛГ, позволяющего определять направление и величину скорости углового вращения.Thus, the results obtained during the experimental study show the reality of the implementation of the proposed PLG, which allows to determine the direction and magnitude of the speed of angular rotation.

Вместе с тем очевидно, что данное устройство имеет существенно более простую конструкцию по сравнению с устройством-прототипом, так как не содержит задающего одночастотного лазера, длина волны которого должна совпадать с центром эмиссии ПОУ, а время генерации точно синхронизироваться с моментом накачки ПОУ. Нет также необходимости в управляемом интегрально-оптическом фазовом модуляторе - вместо него используется простой разветвитель «2×2».However, it is obvious that this device has a significantly simpler design than the prototype device, since it does not contain a master single-frequency laser, the wavelength of which must coincide with the center of emission of the COC, and the generation time must be exactly synchronized with the time of pumping of the COC. There is also no need for a controlled integrated optical-optical phase modulator - a simple “2 × 2” splitter is used instead.

Кардинально проще также становится система обработки сигнала, включающая программные средства для обеспечения работы цифрового вычислительного устройства. Нет необходимости также в использовании петли обратной связи, связывающей выходной сигнал с напряжением, подаваемым на фазовый модулятор, и удерживающей на постоянном уровне сигнал на выходе измерительной системы - теперь достаточно просто измерять изменения интенсивностей выводимых волн, а направление и величину угловой скорости вращения определять по знаку и величине этих изменений.The signal processing system, including software for ensuring the operation of a digital computing device, also becomes radically simpler. There is also no need to use a feedback loop that connects the output signal with the voltage supplied to the phase modulator and keeps the signal at the output of the measuring system at a constant level - now it is enough to simply measure changes in the intensities of the output waves, and determine the direction and value of the angular velocity of rotation by sign and the magnitude of these changes.

Все эти факторы, существенно упрощающие конструкцию ПЛГ и делающие его более простым и дешевым по сравнению с прототипом, свидетельствуют о достижении заявляемого технического результата.All these factors, significantly simplifying the design of the PLG and making it simpler and cheaper than the prototype, indicate the achievement of the claimed technical result.

На Фиг.3 приведена блок-схема второго варианта предлагаемого устройства, ПЛГ 20. Отличие данного варианта ПЛГ от устройства 10 в том, что здесь измерения производятся с помощью не двух фотоприемников, а только одного.Figure 3 shows the block diagram of the second variant of the proposed device, the PLG 20. The difference between this variant of the PLG from the device 10 is that here the measurements are made using not two photodetectors, but only one.

ПЛГ 20 содержит следующие функциональные компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 21, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2 и кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 23, два волоконно-оптических разветвителя 24 и 25, оба конфигурации «2×2», фотоприемник 26 и электронную систему 27.PLG 20 contains the following functional components: a ring laser (PCL) 21, consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) 2 and a ring resonator from a fiber-optic fiber 23 wound into a multi-turn coil, two fiber-optic couplers 24 and 25, both “2 × 2” configurations , photodetector 26 and electronic system 27.

Используемый ПОУ идентичен ПОУ 2, описанному выше, это также гетероструктура InGaAsP/InP с двумя оптическими портами 2а и 2b. ПОУ имеет два оптических порта 2а и 2b, выполненные в виде световодов, а также элемент Пельтье и термодатчик.The used POC is identical to POC 2 described above; it is also an InGaAsP / InP heterostructure with two optical ports 2a and 2b. The POU has two optical ports 2a and 2b, made in the form of optical fibers, as well as a Peltier element and a temperature sensor.

Сохраняющий поляризацию одномодовый световод 23 смотан в катушку радиусом R=5 см и при этом разделен на две части: 23-1 и 23-2, длиной, соответственно, L₁=50 м и L₂=150 м, обе смотанные на общую бобину радиусом R=5 см.The polarization-preserving single-mode fiber 23 is wound into a coil of radius R = 5 cm and is divided into two parts: 23-1 and 23-2, respectively L ₁ = 50 m and L ₂ = 150 m, both wound onto a common spool radius R = 5 cm.

Волоконно-оптический разветвитель 24 является частью кольцевого резонатора, а также совместно с разветвителем 25 служит для вывода части мощности двух циркулирующих волн к фотоприемнику 26.Fiber optic splitter 24 is part of a ring resonator, and also together with splitter 25 serves to output part of the power of two circulating waves to the photodetector 26.

ПОУ 2 оптическим портом 2а соединен с концом 23-2-b световода 23-2, а портом 2b - с концом 23-1-b световода 23-1. Концом 23-2-а световод 23-2 соединен с портом 24b разветвителя 24, концом 23-1-а световод 23-1 соединен с портом 24а разветвителя 24.POU 2 optical port 2A is connected to the end 23-2-b of the fiber 23-2, and port 2b is connected to the end 23-1-b of the fiber 23-1. The end 23-2-a of the light guide 23-2 is connected to the port 24b of the splitter 24, the end 23-1-a of the fiber 23-1 is connected to the port 24a of the splitter 24.

Таким образом, ПОУ 2 встроен между двумя частями световода 23 - световодами 23-1 и 23-2 - и является частью кольцевого резонатора, в результате чего навстречу друг другу в кольцевом резонаторе циркулируют две волны 11 и 12 - волна 11 циркулирует против направления хода часовой стрелки, а волна 12 - по направлению хода часовой стрелки.Thus, the POC 2 is built between two parts of the optical fiber 23 — the optical fibers 23-1 and 23-2 — and is part of the ring resonator, as a result of which two waves 11 and 12 circulate towards each other in the ring resonator — wave 11 circulates against the clock direction arrows, and wave 12 in the clockwise direction.

Разветвитель 24 двумя портами 24с и 24d соединен с двумя портами разветвителя 25 - портами 25а и 25b. Один из других двух портов 25с предназначен для вывода части мощности двух циркулирующих волн 11 и 12 к фотоприемнику 26.The splitter 24 with two ports 24c and 24d is connected to two ports of the splitter 25 - ports 25a and 25b. One of the other two ports 25c is designed to output part of the power of two circulating waves 11 and 12 to the photodetector 26.

Фотоприемник (ФП) 26 используется для преобразования оптической мощности каждой из выводимых волн в электрические сигналы, их усиления и преобразования в напряжение. Фотоприемник 26 включает германиевый фотодиод (ФД) и стандартное устройство - усилитель фототока, преобразующий также фототок в напряжение. При этом сигналы на выходе ФП 26 U₁ и U₂, соответствующие двум выводимым волнам, есть:A photodetector (FP) 26 is used to convert the optical power of each of the output waves into electrical signals, their amplification and conversion into voltage. Photodetector 26 includes a germanium photodiode (PD) and a standard device, a photocurrent amplifier, which also converts the photocurrent to voltage. In this case, the signals at the output of the FP 26 U ₁ and U ₂ corresponding to the two output waves are:

где α - коэффициент передачи двух разветвителей 24 и 25 и η - произведение квантовой эффективности ФП 26 на коэффициент преобразования фототока в напряжение.where α is the transfer coefficient of the two splitters 24 and 25 and η is the product of the quantum efficiency of the FP 26 and the photocurrent to voltage conversion coefficient.

Электронная система 27 включает блок питания 29, блок термостабилизации 14, АЦП 15, блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 31.The electronic system 27 includes a power supply 29, a thermal stabilization unit 14, an ADC 15, a signal processing unit, and a determination of the direction and speed of angular rotation 31.

В рассматриваемом устройстве длины световодов 23-1 и 23-2 заданы таким образом, что обеспечивают поочередный пробег циркулирующих волн 11 и 12 через разветвитель 24 и, соответственно, поочередный вывод двух волн по одному тракту к ФП 26.In this device, the lengths of the optical fibers 23-1 and 23-2 are set in such a way that they provide alternate mileage of the circulating waves 11 and 12 through the splitter 24 and, accordingly, the alternate output of two waves along one path to the FP 26.

Устройство питания 29 используется для накачки ПОУ 2 с помощью тока на межмодовой частоте ν=c/(L₁+L₂)n=1,0 МГц и длительностью импульсов

мкс.The power device 29 is used to pump the POU 2 using the current at the intermode frequency ν = c / (L ₁ + L ₂ ) n = 1.0 MHz and the pulse duration

μs.

В данном случае частота накачки также равна межмодовой частоте кольцевого лазера ν=c/(L₁+L₂)n. Можно видеть также, что так как время пробега каждой из циркулирующих волн от ПОУ до устройства вывода различное, то волны поочередно поступают на фотоприемник. Так как длительность каждой из волн τ=0,5 мкс малая, то при этом выводимые волны не перекрываются во времени.In this case, the pump frequency is also equal to the intermode frequency of the ring laser ν = c / (L ₁ + L ₂ ) n. You can also see that since the travel time of each of the circulating waves from the POC to the output device is different, the waves alternately arrive at the photodetector. Since the duration of each wave τ = 0.5 μs is small, then the output waves do not overlap in time.

Устройство термостабилизации ПОУ 6 - то же самое, что применяется в ПЛГ 10.The thermal stabilization device POU 6 is the same as that used in PLG 10.

Блок обработки сигнала и определения направления и скорости углового вращения 27 - цифровое вычислительное устройство, оснащенное соответствующим программным обеспечением, памятью и средствами отображения и вывода результата (информации). В качестве цифрового вычислительного блока 27 может использоваться ПК.The signal processing unit and determining the direction and speed of angular rotation 27 is a digital computing device equipped with appropriate software, memory and means for displaying and outputting the result (information). As a digital computing unit 27, a PC may be used.

Блок 27 служит для определение направления и величины угловой скорости вращения Ω объекта, на/в котором установлено данное устройство. Используется один канал преобразования АЦП 15, с помощью которого последовательно оцифровываются оба сигнала (фототока) U₁ и U₂, которые далее вводятся в блок 27.Block 27 serves to determine the direction and magnitude of the angular velocity of rotation Ω of the object on / in which the device is installed. One ADC conversion channel 15 is used, with the help of which both signals (photocurrent) U ₁ and U ₂ are sequentially digitized, which are then introduced into block 27.

Вычисление в данном варианте угловой скорости Ω вращения производится в соответствии с выражениемThe calculation in this embodiment of the angular velocity Ω of rotation is made in accordance with the expression

при этом знак вычисляемой величины Ω определяет направление вращения - по или против направления хода часовой стрелки.the sign of the calculated value of Ω determines the direction of rotation — clockwise or counterclockwise.

Очевидно, что рассмотренный вариант также существенно упрощает конструкцию ПЛГ, делая его более простым и дешевым по сравнению с прототипом. Данное устройство имеет существенно более простую конструкцию по сравнению с устройством-прототипом, так как не содержит задающего одночастотного лазера, длина волны которого должна совпадать с центром эмиссии ПОУ, а время генерации точно синхронизироваться с моментом накачки ПОУ. Нет также необходимости в управляемом интегрально-оптическом фазовом модуляторе - вместо него используется простой разветвитель «2×2».Obviously, the considered option also significantly simplifies the design of the PLG, making it simpler and cheaper than the prototype. This device has a significantly simpler design compared to the prototype device, since it does not contain a master single-frequency laser, the wavelength of which must coincide with the center of emission of the COC, and the generation time must be precisely synchronized with the time of pumping of the COC. There is also no need for a controlled integrated optical-optical phase modulator - a simple “2 × 2” splitter is used instead.

Кардинально проще также становится система обработки сигнала, включающая программные средства для обеспечения работы цифрового вычислительного устройства. Нет необходимости также в использовании петли обратной связи, связывающей выходной сигнал с напряжением, подаваемым на фазовый модулятор, и удерживающей на постоянном уровне сигнал на выходе измерительной системы, - теперь достаточно просто измерять изменения интенсивностей выводимых волн, а направление и величину угловой скорости вращения определять по знаку и величине этих изменений.The signal processing system, including software for ensuring the operation of a digital computing device, also becomes radically simpler. There is also no need to use a feedback loop that connects the output signal to the voltage supplied to the phase modulator and keeps the signal at the output of the measuring system at a constant level — now it is enough to simply measure changes in the intensities of the output waves, and determine the direction and magnitude of the angular velocity of rotation by the sign and magnitude of these changes.

Все эти факторы, существенно упрощающие конструкцию ПЛГ и делающие его более простым и дешевым по сравнению с прототипом, свидетельствуют о достижении заявляемого технического результата. Кроме того, в данном варианте определяемая величина Ω не зависит от квантовой эффективности η, а следовательно, исключается возможность дрейфа этого параметра, что означает более высокую точность измерений величины угловой скорости вращения, обеспечиваемую данным устройством по сравнению с ПЛГ 10.All these factors, significantly simplifying the design of the PLG and making it simpler and cheaper than the prototype, indicate the achievement of the claimed technical result. In addition, in this embodiment, the determined value of Ω does not depend on the quantum efficiency η, and therefore, the possibility of drift of this parameter is excluded, which means a higher accuracy of measuring the value of the angular velocity of rotation provided by this device compared to the PLG 10.

Возможность устранения «дрейфа нуля», причиной которого является ПОУ, основана на экспериментальных исследованиях ПОУ. Из анализа полученных результатов следует, что интенсивности циркулирующих волн имеют видThe ability to eliminate the “zero drift” caused by the POC is based on experimental studies of the POC. From the analysis of the results it follows that the intensities of the circulating waves have the form

где

- интенсивности циркулирующих волн в отсутствие «невзаимности» в ПОУ, а

- поправки, учитывающие эту «невзаимность».Where

- the intensity of the circulating waves in the absence of "non-reciprocity" in the COI, and

- amendments taking into account this “non-reciprocity”.

Если изменить схему пробега волн таким образом, чтобы обе волны пробегали по кольцу-световоду в прежних направлениях, а через ПОУ - в противоположных, то интенсивности волн имели бы следующие новые значения:If we change the wave path in such a way that both waves travel along the ring-fiber in the same directions, and through the POC in the opposite directions, then the wave intensities would have the following new values:

Тогда, комбинируя (складывая) сигналы

и

можно было бы исключить «невзаимность» и «дрейф нуля», связанные с ПОУ:Then, combining (folding) the signals

and

one could exclude the “nonreciprocity” and “zero drift” associated with the POE:

Таким образом, возможность исключения «дрейфа нуля» связана с изменением конструкции ПЛГ таким образом, чтобы имелась возможность периодически изменять направление пробега для циркулирующих волн через ПОУ. Это осуществляется в описываемом ниже варианте предлагаемого устройства - ПЛГ 30 - с использованием управляемого оптического переключателя «2×2» (далее - оптический переключатель).Thus, the possibility of eliminating "zero drift" is associated with a change in the design of the PLG so that it is possible to periodically change the direction of travel for circulating waves through the POC. This is carried out in the following embodiment of the proposed device - PLG 30 - using a controlled optical switch "2 × 2" (hereinafter - the optical switch).

Блок-схема ПЛГ 30 приведена на Фиг.4 и построена, как можно видеть, на основе ПЛГ 10. ПЛГ 30 содержит следующие функциональные компоненты: полупроводниковый кольцевой лазер (ПКЛ) 32, включающий ПОУ 2, оптический переключатель 33, световод 3, волоконно-оптический разветвитель 4, фотоприемники 5 и 6, электронную систему 7 и контроллер 34 для управления работой оптического переключателя 33.The block diagram of the PLG 30 is shown in Fig. 4 and is constructed, as can be seen, on the basis of the PLG 10. The PLG 30 contains the following functional components: a semiconductor ring laser (PCL) 32, including POU 2, an optical switch 33, a fiber 3, fiber an optical splitter 4, photodetectors 5 and 6, an electronic system 7 and a controller 34 for controlling the operation of the optical switch 33.

Оптический переключатель 33 представляет собой электроуправляемое оптическое устройство, которое позволяет коммутировать входные и выходные порты. Оно имеет два входных порта 33а, 33b и два выходных порта 33с, 33d, все в виде одномодовых световодов. По управляющему сигналу, подаваемому от контроллера 34, входные и выходные порты могут соединяться попарно либо напрямую или перекрестным образом, т.е. могут соединяться либо порты (33a, 33c) и (33b, 33d) или порты (33a, 33d) и (33b, 33c).The optical switch 33 is an electrically controlled optical device that allows you to switch input and output ports. It has two input ports 33a, 33b and two output ports 33c, 33d, all in the form of single-mode optical fibers. According to the control signal supplied from the controller 34, the input and output ports can be connected in pairs either directly or crosswise, i.e. either ports (33a, 33c) and (33b, 33d) or ports (33a, 33d) and (33b, 33c) can be connected.

С помощью сварных соединений 9 оптический переключатель 32 входными портами 33a и 33b связан с портами 2a и 2b ПОУ, а двумя выходными портами 33c и 33d - c первым концом 3a световода и с выводом 4а волоконно-оптического разветвителя 4.Using welded joints 9, the optical switch 32 is connected to the input ports 33a and 33b by the input ports 33a and 33b of the COC, and two output ports 33c and 33d are connected to the first end 3a of the fiber and to the output 4a of the fiber optic splitter 4.

Устройство и работа используемых элементов - световода 3 длиной 200 м, разветвителя 4, фотоприемников 5 и 6, электронной системы 7 - аналогичны используемым в устройстве 10. Частота переключения F=100 Гц, подаваемая от контроллера 34 на оптический переключатель 33, при этом относительно небольшая - много меньше частоты ν.The arrangement and operation of the elements used — a fiber 3 with a length of 200 m, a splitter 4, photodetectors 5 and 6, an electronic system 7 — are similar to those used in the device 10. The switching frequency F = 100 Hz supplied from the controller 34 to the optical switch 33, while being relatively small - much less than the frequency ν.

Соответственно этому интервалы времени, соответствующие четным полупериодам F, циркулируют волны с интенсивностями

, а в нечетные полупериоды - волны с интенсивностями

.Accordingly, time intervals corresponding to even half-periods F, waves with intensities circulate

, and in odd half-periods - waves with intensities

.

В устройстве обработки сигнала 16 производится сначала попарное сложение сигналов (фототока), пропорциональных интенсивностям

и

, то есть вычисляются величиныIn the signal processing device 16, the pairing of signals (photocurrent) proportional to the intensities is first performed

and

that is, the values are calculated

с помощью которых затем определяется угловая скорость вращения:which then determines the angular velocity of rotation:

Блок-схема ПЛГ 40 с измерением мощности выводимых из кольцевого лазера волн с помощью двух ФП и построенного на основе ПЛГ 30 приведена на Фиг.5. Данный вариант имеет преимущество перед только что рассмотренным вариантом, так как здесь одновременно устраняются два фактора - нестабильность масштабного коэффициента и «дрейф нуля».The block diagram of the PLG 40 with measuring the power of the waves output from the ring laser using two phase transitions and constructed on the basis of the PLG 30 is shown in FIG. 5. This option has an advantage over the just considered option, since two factors are simultaneously eliminated here - instability of the scale factor and “zero drift”.

ПЛГ 40 содержит следующие функциональные компоненты: кольцевой лазер (ПКЛ) 41, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) 2, оптического переключателя 33, кольцевого резонатора из смотанного в многовитковую катушку световода 23, два волоконно-оптических разветвителя 24 и 25, оба конфигурации «2×2», фотоприемник 26, электронную систему 27 и контроллер 34 для управления работой оптического переключателя 33.PLG 40 contains the following functional components: a ring laser (PCL) 41, consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) 2, an optical switch 33, a ring resonator from an optical fiber 23 wound into a multi-turn coil, two fiber-optic couplers 24 and 25, both configurations 2 × 2 ", a photodetector 26, an electronic system 27 and a controller 34 for controlling the operation of the optical switch 33.

Управляемый оптический переключатель 33 соединен двумя входными портами 33a и 33b с двумя портами ПОУ 2a и 2b, а двумя выходными портами 33c и 33d - c концом 23-2-b световода 23-2 и с концом 23-1-b световода 23-1.The controlled optical switch 33 is connected by two input ports 33a and 33b with two ports of the POU 2a and 2b, and two output ports 33c and 33d with the end 23-2-b of the fiber 23-2 and the end 23-1-b of the fiber 23-1 .

Устройство и работа используемых элементов - световода 23, состоящего из двух частей 23-1 и 23-2 с длинами L₁=50 м и L₂=150 м, обе части смотанные на общую бобину радиусом R=5 см, и с размещением ПОУ между двух данных частей, разветвителей 24 и 25, фотоприемника 26, электронной системы 27 - эти элементы фактически те же самые, что в устройстве 30.The device and operation of the elements used - the fiber 23, consisting of two parts 23-1 and 23-2 with lengths L ₁ = 50 m and L ₂ = 150 m, both parts are wound on a common reel of radius R = 5 cm, and with the placement of the POU between the two parts, the splitters 24 and 25, the photodetector 26, the electronic system 27 - these elements are actually the same as in the device 30.

Так как в рассматриваемом устройстве длины световодов 23-1 и 23-2 также точно определены, то это обеспечивает поочередный пробег циркулирующих волн 11 и 12 через разветвитель 24 и, соответственно, поочередный вывод двух волн к фотоприемнику 26.Since in this device the lengths of the optical fibers 23-1 and 23-2 are also precisely determined, this ensures the alternate mileage of the circulating waves 11 and 12 through the splitter 24 and, accordingly, the alternate output of two waves to the photodetector 26.

Устройство питания 29 используется для накачки с помощью тока с частотой повторения ν=c/(L₁+L₂)n=1,0 МГц и длительностью импульсов

мкс; как следствие, циркулирующие волны поочередно выводятся к фотоприемнику, поочередно обрабатываются АЦП и направляются для последующей обработки в электронную систему 27.The power device 29 is used to pump using current with a repetition frequency ν = c / (L ₁ + L ₂ ) n = 1.0 MHz and pulse duration

μs; as a result, the circulating waves are alternately output to the photodetector, are alternately processed by the ADC and sent for subsequent processing to the electronic system 27.

Оптический переключатель 33 и контроллер 34 идентичны используемым в устройстве 30. При этом частота переключения F=100 Гц оптического переключателя 33 снова много меньше частоты ν.The optical switch 33 and the controller 34 are identical to those used in the device 30. Moreover, the switching frequency F = 100 Hz of the optical switch 33 is again much less than the frequency ν.

Таким образом, устройство 40 позволяет компенсировать как дрейф параметра используемого фотоприемника, так и «невзаимность» циркулирующих в кольцевом лазере волн.Thus, the device 40 allows you to compensate for both the drift of the parameter of the used photodetector and the "non-reciprocity" of the waves circulating in the ring laser.

Описанные варианты ПЛГ поясняют принцип работы изобретения, при этом конкретные числовые параметры - длины световодов L, L₁ и L₂, частоты ν и длительности импульсов накачки τ - приведены в качестве примеров, иллюстрирующих изложение. Выбор конкретного варианта ПЛГ будет определяться назначением и требуемой чувствительностью лазерного гироскопа, трудоемкостью и ценой изготовления.The described variants of the PLC explain the principle of operation of the invention, while specific numerical parameters — the length of the optical fibers L, L ₁ and L ₂ , the frequency ν, and the duration of the pump pulses τ — are given as examples illustrating the presentation. The choice of a specific variant of the PLG will be determined by the purpose and the required sensitivity of the laser gyroscope, the complexity and cost of manufacture.

ЛитератураLiterature

1. Сахаров В.К. и Дураев В.П. Твердотельный лазерный гироскоп. Патент РФ №90895.1. Sakharov V.K. and Duraev V.P. Solid state laser gyroscope. RF patent №90895.

Claims

1. A semiconductor laser gyroscope (PLG), including a ring laser, consisting of a semiconductor optical amplifier (POU) and a ring resonator from a fiber coiled into a multi-turn coil, a photodetector, an electronic system, a fiber optic splitter having four optical ports, the first of which is connected to one of the two optical ports of the POU, the second to the optical fiber, characterized in that it further comprises a second photodetector, while the first and second optical ports of fiber optic branching The spruce are part of the ring resonator, and the third and fourth ports are connected to photodetectors, while the electronic system is designed in such a way as to ensure that the POE is excited by the current at the intermode frequency ν = c / Ln, where c is the speed of light in vacuum, L is the fiber length and n is the refractive index of the fiber in vacuum.

2. The device according to claim 1, characterized in that the electronic system includes blocks of pulsed excitation POU, thermal stabilization, signal processing (photocurrent) and determine the direction and speed of angular rotation.

3. The device according to claim 1, characterized in that it contains a controlled optical switch of the type "2 × 2" connected by two input optical ports with two optical ports of the POU, and two output ports with a fiber optic cable and a fiber optic splitter.

4. A semiconductor laser gyroscope, including a ring laser, consisting of a semiconductor optical amplifier and a ring resonator, consisting of an optical fiber wound into a multi-turn coil, divided into two parts with a length of L ₁ and L ₂ , between which a POU is integrated, two fiber-optic splitters of the configuration 2 × 2 ”, the first of which is connected by two ports to two parts of the fiber, the third and fourth ports of the first splitter are connected to two ports of the second splitter, and one of the other two terminals of the second branch la is coupled to a photodetector, the electronic system, characterized in that the electronic system is designed such that ensures the excitation of the SOA current to the intermode frequency ν = c / (L ₁ + L ₂₎ n, where c - velocity of light in vacuum, n - index refraction of a fiber in a vacuum.

5. The device according to claim 4, characterized in that the electronic system includes blocks of pulsed excitation POU, thermal stabilization, signal processing (photocurrent from the photodetector) and determining the direction and speed of angular rotation.

6. The device according to claim 4, characterized in that it contains a controlled optical switch of the "2 × 2" type, connected by two input optical ports with two optical ports of the POU, and two output ports with a light guide and an optical output device.