RU166908U1 - INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE - Google Patents

INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE Download PDF

Info

Publication number
RU166908U1
RU166908U1 RU2016125940/28U RU2016125940U RU166908U1 RU 166908 U1 RU166908 U1 RU 166908U1 RU 2016125940/28 U RU2016125940/28 U RU 2016125940/28U RU 2016125940 U RU2016125940 U RU 2016125940U RU 166908 U1 RU166908 U1 RU 166908U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
plate
optical waveguides
longitudinal axis
waveguides
Prior art date
Application number
RU2016125940/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Владимирович Ильичев
Петр Михайлович Агрузов
Александр Валерьевич Шамрай
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2016125940/28U priority Critical patent/RU166908U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU166908U1 publication Critical patent/RU166908U1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

1. Интегрально-оптический модулятор для оптического гироскопа, включающий пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Х-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси термической диффузией титана, по меньшей мере один поляризатор, выполненный на участке оптического волновода в виде металлической пленки с диэлектрическим подслоем, по меньшей мере три электрода, расположенные с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов, торцы пластины скошены под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношениюгде n- показатель преломления материала подложки,Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки;входной торец первого оптического волновода смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d, удовлетворяющее соотношениюd>10w, мм;где w- поперечный размер модового пятна оптических волноводов, мм; при этом расстояние dмежду выходными торцами первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, удовлетворяет соотношению2 мм ≤ d≤ 10 мм.2. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что включает четыре электрода, при этом первый и второй электроды расположены с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов, а третий и четвертый электроды расположены между выходными участками первого и второго оптических волноводов.3. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что1. The integrated optical modulator for an optical gyroscope, including a plate of lithium niobate crystal, the first and second optical waveguides forming an X-coupler, formed in the plate along the longitudinal axis by thermal diffusion of titanium, at least one polarizer made in the section of the optical waveguide in in the form of a metal film with a dielectric sublayer, at least three electrodes located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides and between the output sections of the first o and the second optical waveguides, the ends of the plate are beveled at an angle α relative to the normal to the longitudinal axis of the plate, satisfying the relation where n is the refractive index of the substrate material, Δn is the difference in refractive indices between the material of the optical waveguide and the substrate material; the input end of the first optical waveguide is offset from the output ends the first and second optical waveguides in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate, at a distance d satisfying the relation d> 10w, mm; where w is the transverse dimension of ovogo spots optical waveguides mm; the distance d between the output ends of the first and second optical waveguides in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate satisfies the relation 2 mm ≤ d ≤ 10 mm. 2. The modulator according to claim 1, characterized in that it includes four electrodes, wherein the first and second electrodes are located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides, and the third and fourth electrodes are located between the output sections of the first and second optical waveguides. 3. The modulator according to claim 1, characterized in that

Description

Настоящая полезная модель относится к устройствам интегральной оптики, таким как волноводные каналы, разветвители, поляризаторы и модуляторы света, расположенные на единой подложке. Более конкретно, полезная модель относится к интегрально-оптическим модуляторам на подложке ниобата лития для волоконно-оптических гироскопов.This utility model relates to integrated optics devices such as waveguide channels, splitters, polarizers and light modulators located on a single substrate. More specifically, the utility model relates to integrated optical modulators on a lithium niobate substrate for fiber optic gyroscopes.

Интегрально-оптический модулятор является ключевым элементом волоконно-оптического гироскопа и выполняет следующие функции: поляризацию оптического излучения, разделение оптического сигнала на два канала, модуляцию фазы в каналах, пространственную фильтрацию и стыковку оптических каналов с волоконным контуром.The integrated optical modulator is a key element of a fiber-optic gyroscope and performs the following functions: polarization of optical radiation, separation of the optical signal into two channels, phase modulation in the channels, spatial filtering and docking of optical channels with a fiber circuit.

Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. заявка CN 104931036, МПК G01C 19/72, опубликована 23.09.2015), включающий прямоугольную пластину из ниобата лития, первый и второй оптические волноводы образующие первый Y-разветвитель, сформированный в пластине по продольной оси методом термической диффузии титана, второй Y-разветвитель одновременно выполняющий функцию поляризатора, сформированный в пластине по продольной оси методом протонного обмена и систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов.Known integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope (see application CN 104931036, IPC G01C 19/72, published 09/23/2015), including a rectangular plate of lithium niobate, the first and second optical waveguides forming the first Y-coupler formed in the plate along the longitudinal axis by the method of thermal diffusion of titanium, a second Y-coupler simultaneously performing the function of a polarizer formed in the plate along the longitudinal axis by the proton exchange method and a system of electrodes located on the outer sides of the output tkov first and second optical waveguides and between the output portions of the first and second optical waveguides.

Недостатком известного интегрально-оптического модулятора является то обстоятельство, что мода, поляризация которой не поддерживается протонно-обменными волноводами, вытекает из оптического волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных оптических сигналов в схемах регистрации сигнала. Известный модулятор имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения условия эксплуатации такого модулятора. Использование в конструкции известного интегрально-оптического модулятора Y-разветвителя, принципиально имеющего неустранимые оптические потери, приводит к увеличению интенсивности паразитного рассеянного света, распространяющегося сквозь пластину и попадающего в выходные каналы, что приводит к увеличению шумов и дрейфа волоконно-оптического гироскопа. Помимо этого, использование Y-разветвителя и поляризующих протонно-обменных волноводов ограничивает точность согласования оптических осей поддерживающего поляризацию оптического волокна, составляющего волоконный контур гироскопа, с плоскостью поляризации света в интегрально-оптическом модуляторе, так как не позволяет использовать для юстировки обоих выходов методы поляризационной интерферометрии.A disadvantage of the known integrated-optical modulator is the fact that a mode whose polarization is not supported by proton-exchange waveguides arises from the optical waveguide into the plate and propagates into it, entering the output channels, which leads to the appearance of spurious optical signals in signal registration circuits. Known modulator has a high temperature susceptibility. High temperatures (above 200 ° C) lead to deterioration of waveguide properties, which imposes limitations on the operating conditions of such a modulator. The use of a well-known integrated-optical modulator of a Y-coupler, which in principle has unrecoverable optical losses, leads to an increase in the intensity of stray light scattered through the plate and into the output channels, which leads to an increase in the noise and drift of the fiber-optic gyroscope. In addition, the use of a Y-coupler and polarizing proton-exchange waveguides limits the accuracy of matching the optical axes of the polarization-maintaining optical fiber constituting the fiber circuit of the gyroscope with the plane of polarization of light in the integrated optical modulator, since it does not allow the use of polarization interferometry methods to align both outputs .

Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. патент RU 2176803, МПК G02B 6/125, G02B 6/134, опубликован 10.12.2001), включающий пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Y-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси методом протонного обмена, систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов. Торцы пластины скошены в противоположные стороны под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношению:Known integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope (see patent RU 2176803, IPC G02B 6/125, G02B 6/134, published December 10, 2001), including a plate of lithium niobate crystal, the first and second optical waveguides forming Y- a splitter formed in the plate along the longitudinal axis by the proton exchange method, an electrode system located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides and between the output sections of the first and second optical waveguides. The ends of the plate are beveled in opposite directions at an angle α relative to the normal to the longitudinal axis of the plate, satisfying the ratio:

Figure 00000003
;
Figure 00000003
;

где nc - показатель преломления материала подложки,where n c is the refractive index of the substrate material,

Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки.Δn is the difference in refractive indices between the material of the optical waveguide and the substrate material.

В известном интегрально-оптическом модуляторе использована пластина кристалла ниобата лития со скошенными под углом α передним и задним торцами, что исключает попадание на фотоприемник волоконно-оптического гироскопа обратно отраженных лучей. Оптические волноводы, сформированные в пластине методом протонного обмена, поддерживают распространение только одной поляризации света, являясь сами по себе поляризаторами, и поэтому не требуют включения в конструкцию дополнительные устройства для поляризации света. Однако мода, поляризация которой не поддерживается, вытекает из волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных сигналов. Использование Y-разветвителя, принципиально имеющего неустранимые оптические потери, приводит к увеличению интенсивности паразитного рассеянного света, распространяющегося сквозь пластину и попадающего в сигнальные волноводы, что приводит к увеличению шумов и к возникновению дрейфа волоконно-оптического гироскопа. Известный модулятор имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения на условия эксплуатации такого модулятора. Помимо этого, использование Y-разветвителя и поляризующих протонно-обменных волноводов ограничивает точность согласования оптических осей поддерживающего поляризацию оптического волокна, составляющего волоконный контур гироскопа с плоскостью поляризации света в интегрально-оптическом модуляторе, т.к. не позволяет использовать для юстировки обоих выходов методы поляризационной интерферометрии.In the known integrated optical modulator, a lithium niobate crystal plate with front and rear ends angled at an angle α is used, which eliminates the return of reflected rays to the fiber-optic gyroscope. Optical waveguides formed in the plate by the proton exchange method support the propagation of only one light polarization, being themselves polarizers, and therefore do not require the inclusion of additional devices for polarizing light in the structure. However, the mode, the polarization of which is not supported, flows from the waveguide into the plate and propagates in it, entering the output channels, which leads to the appearance of spurious signals. The use of a Y-coupler, which in principle has unrecoverable optical losses, leads to an increase in the intensity of stray scattered light propagating through the plate and entering the signal waveguides, which leads to an increase in noise and a drift of the fiber-optic gyroscope. Known modulator has a high temperature susceptibility. High temperatures (above 200 ° C) lead to deterioration of waveguide properties, which imposes restrictions on the operating conditions of such a modulator. In addition, the use of a Y-coupler and polarizing proton-exchange waveguides limits the accuracy of matching the optical axes of the polarization-supporting optical fiber constituting the fiber circuit of the gyroscope with the plane of polarization of light in the integrated optical modulator, because does not allow the use of polarization interferometry methods to align both outputs.

Известен интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа (см. заявка CN 1847929, МПК G01C 19/72, G02B 06/125, G02B 06/26, G02F 01/065, опубликован), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Интегрально-оптический модулятор, включающий прямоугольную пластину из ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие X-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси методом протонного обмена, систему электродов, расположенную с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов.Known integrated optical modulator for a fiber-optic gyroscope (see application CN 1847929, IPC G01C 19/72, G02B 06/125, G02B 06/26, G02F 01/065, published), which coincides with this technical solution for the largest number of significant signs and taken as a prototype. An integrated optical modulator comprising a rectangular plate of lithium niobate, first and second optical waveguides forming an X-coupler formed in the plate along the longitudinal axis by the proton exchange method, an electrode system located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides and between the output sections of the first and second optical waveguides.

В отличие от Y-разветвителя, в котором используется принцип деления волнового фронта на два канала, в X-разветвителе используют деление амплитуды на два канала. В Х-разветвителе на порядок ниже интенсивность рассеянного в пластину света, что приводит к уменьшению уровня шумов. Оптические волноводы, сформированные в пластине методом протонного обмена, поддерживают распространение только одной поляризации света, являясь сами по себе поляризаторами, и поэтому не требуют включения в конструкцию дополнительные устройства для поляризации света. В то же время мода, поляризация которая не поддерживается, вытекает из оптического волновода в пластину и распространяется в ней, попадая в выходные каналы, что приводит к появлению паразитных сигналов в схемах регистрации сигналов вращения. Модулятор-прототип имеет высокую температурную восприимчивость. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения условия эксплуатации такого модулятора. В известном интегрально-оптическом модуляторе прототипе торцы пластины не имеют скоса, в результате возникает паразитная интерференция отраженного от торцов света, что приводит к увеличению уровня шумов.Unlike a Y-splitter, which uses the principle of dividing the wavefront into two channels, the X-splitter uses amplitude division into two channels. In an X-splitter, the intensity of the light scattered into the plate is an order of magnitude lower, which leads to a decrease in the noise level. Optical waveguides formed in the plate by the proton exchange method support the propagation of only one light polarization, being themselves polarizers, and therefore do not require the inclusion of additional devices for polarizing light in the structure. At the same time, a mode, the polarization of which is not supported, flows from the optical waveguide into the plate and propagates in it, entering the output channels, which leads to the appearance of spurious signals in the registration schemes of rotation signals. The prototype modulator has a high temperature susceptibility. High temperatures (above 200 ° C) lead to deterioration of waveguide properties, which imposes limitations on the operating conditions of such a modulator. In the known integrated optical modulator prototype, the ends of the plate do not have a bevel, resulting in spurious interference of the light reflected from the ends, which leads to an increase in the noise level.

Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа, которая обеспечивала бы низкие оптические потери в волноводных структурах, высокую термическую стойкость параметров волноводных структур, низкий уровень шумов и дрейфа.The objective of this utility model is to develop the design of an integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope, which would provide low optical losses in waveguide structures, high thermal stability of the parameters of waveguide structures, low noise and drift.

Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа включает пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Х-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси термической диффузией титана, поляризатор, выполненный на входном участке первого оптического волновода в виде металлической пленки с диэлектрическим подслоем, по меньшей мере три электрода, расположеннные с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов. Торцы пластины скошены в под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношению:The problem is solved in that the integrated optical modulator for a fiber-optic gyroscope includes a plate of lithium niobate crystal, the first and second optical waveguides forming an X-splitter formed in the plate along the longitudinal axis by thermal diffusion of titanium, a polarizer made at the input section of the first optical waveguide in the form of a metal film with a dielectric sublayer, at least three electrodes located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waves vodov and between the output portions of the first and second optical waveguides. The ends of the plate are beveled at an angle α relative to the normal to the longitudinal axis of the plate, satisfying the ratio:

Figure 00000004
Figure 00000004

где nc - показатель преломления материала подложки,where n c is the refractive index of the substrate material,

Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки.Δn is the difference in refractive indices between the material of the optical waveguide and the substrate material.

Входной торец первого оптического волновода смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d1, удовлетворяющее соотношению:The input end of the first optical waveguide is offset from the output ends of the first and second optical waveguides in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate, by a distance d 1 satisfying the relation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где w0 - поперечный размер модового пятна оптических волноводов, мм;where w 0 is the transverse size of the mode spot of the optical waveguides, mm;

при этом расстояние d2 между выходными торцами первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, удовлетворяет соотношению:the distance d 2 between the output ends of the first and second optical waveguides in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate, satisfies the relation:

Figure 00000006
Figure 00000006

Поляризатор может быть сформирован на входном участке первого оптического волновода.A polarizer may be formed at the input section of the first optical waveguide.

Дополнительно два поляризатора могут быть сформированы на выходных участках соответственно первого и второго оптических волноводов.Additionally, two polarizers can be formed at the output sections of the first and second optical waveguides, respectively.

Новым в интегрально-оптическом модуляторе для волоконно-оптического гироскопа является формирование оптических волноводов в пластине из ниобата лития термической диффузией титана; смещение входного торца первого оптического волновода относительно выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d1, удовлетворяющее соотношению (2); и разнесение выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d2, удовлетворяет соотношению (3). Оптические волноводы, сформированные термической диффузией титана, обладают высокой термической стойкостью и малыми потерями. Такие оптические волноводы не обладают способностью выделять поляризацию, поэтому в конструкцию интегрально-оптического модулятора введен поляризатор в виде нанесенных на поверхность оптического волновода нижнего диэлектрического слоя, например, из Al2O3, и верхнего металлического слоя, например, из алюминия. Эти слои предназначены для возбуждения плазмонно-поляритонных мод и подавления моды, поляризованной перпендикулярно границе раздела металл/диэлектрик. Преимуществом данной конструкции является то, что подавление моды происходит за счет ее поглощения в металлическом слое. Таким образом, в отличие от протонно-обменных волноводных поляризаторов, где подавляемая мода вытекает в подложку и распространяется в ней, в настоящем поляризаторе не происходит образование паразитных засветок. Такая конструкция поляризатора характеризуется высоким коэффициентом выделения заданной поляризации (19 Дб/мм) и отсутствием температурной восприимчивости.New in the integrated optical modulator for a fiber-optic gyroscope is the formation of optical waveguides in a plate of lithium niobate by thermal diffusion of titanium; displacement of the input end of the first optical waveguide relative to the output ends of the first and second optical waveguides in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate by a distance d 1 satisfying relation (2); and the separation of the output ends of the first and second optical waveguides in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate, at a distance d 2 , satisfies the relation (3). Optical waveguides formed by thermal diffusion of titanium have high thermal stability and low losses. Such optical waveguides do not have the ability to isolate polarization, therefore, a polarizer is introduced into the design of the integrated optical modulator in the form of a lower dielectric layer deposited on the surface of the optical waveguide, for example, from Al 2 O 3 , and an upper metal layer, for example, from aluminum. These layers are designed to excite plasmon-polariton modes and suppress the mode polarized perpendicular to the metal / dielectric interface. The advantage of this design is that the mode is suppressed due to its absorption in the metal layer. Thus, in contrast to proton-exchange waveguide polarizers, where the suppressed mode flows into the substrate and propagates in it, the formation of spurious flares does not occur in the present polarizer. This design of the polarizer is characterized by a high coefficient of emission of a given polarization (19 dB / mm) and the absence of temperature susceptibility.

Входной участок второго оптического волновода может быть выведен на входной торец пластины и быть использован как тестовый выход для контроля юстировки при стыковке с оптическими волокнами с поддержкой поляризации с использованием метода поляризационной интерферометрии.The input section of the second optical waveguide can be output to the input end of the plate and can be used as a test output to control alignment when docking with optical fibers with polarization support using the polarization interferometry method.

Смещение входного торца первого оптического волновода на расстояние d1>10w0 от выходных торцов первого и второго оптических волноводов обусловлено тем, что при d1≤10w0 выходные торцы попадают в область засветки распространяющимся по пластине светом, не попавшим в первый оптический волновод на входе.The displacement of the input end of the first optical waveguide by a distance d 1 > 10w 0 from the output ends of the first and second optical waveguides is due to the fact that for d 1 ≤10w 0 the output ends fall into the illumination region by the light propagating along the plate, which did not enter the first optical waveguide at the input .

Разнесение выходных торцов первого и второго оптических волноводов на расстояние d2, меньшее 2 мм приводит к тому, что оптическая разность хода света отраженного от выходных торцов первого и второго оптических волноводов меньше чем 200 мкм (типичная длина когерентности волоконно-оптических эрбиевых суперлюминисцентных источников, см. P.F. Wysocki, М.J.F. Digonnet and В.Y. Kim, "Spectral characteristics of high-power 1.5 mu m broadband superluminescent fiber sources," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 2, no. 3, pp.178-180, March 1990. doi: 10.1109/68.50882), а при расстоянии d2 больше 10 мм большой поперечный размер подложки ведет к увеличению чувствительности к градиенту температур, внешним вибрациям и механическим напряжениям.Diversity of the output ends of the first and second optical waveguides by a distance d 2 less than 2 mm leads to the fact that the optical difference in the light path reflected from the output ends of the first and second optical waveguides is less than 200 μm (typical coherence length of fiber-optic erbium superluminescent sources, cm .PF Wysocki, M.JF Digonnet and B.Y. Kim, "Spectral characteristics of high-power 1.5 m m broadband superluminescent fiber sources," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 2, no. 3, pp. 178-180 , March 1990. doi: 10.1109 / 68.50882), and with a distance d 2 greater than 10 mm, the large transverse dimension of the substrate leads to an increase sensitivity to temperature gradient, external vibrations and mechanical stresses.

Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:The present utility model is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 показано первое воплощение интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа;in FIG. 1 shows a first embodiment of an integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope;

на фиг. 2 приведено второе воплощение интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа.in FIG. 2 shows a second embodiment of an integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope.

Интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа в первом воплощении (см. фиг. 1) содержит пластину 1 из кристалла ниобата лития со скошенными под углом α передним торцом 2 и задним торцом 3. В пластине 1 сформированы по продольной оси термической диффузией титана первый оптический волновод 4 и второй оптический волновод 5, образующие Х-разветвитель 6. На входном участке 7 первого оптического волновода 4 расположен поляризатор 8, выполненный в виде металлической пленки, например, из алюминия с диэлектрическим подслоем, например, из Al2O3. С внешних сторон выходных участков 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5 расположены первый электрод 11 и второй электрод 12, а третий электрод 13, расположен между выходным участком 9 первого оптического волновода 4 и выходным участком 10 второго оптического волновода 5, торцы пластины скошены под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим приведенному выше соотношению (1). Входной торец первого оптического волновода 4 смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов 4, 5 в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины 1, на расстояние d1, удовлетворяющее соотношению (2). Расстояние d2 между выходными торцами первого и второго оптических волноводов 4, 5 в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины 1, удовлетворяет соотношению (3). В интегрально-оптическом модуляторе может быть использовано и большее количество электродов, например, два электрода могут быть расположены с внешних сторон выходных участков 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5, а третий и четвертый электроды могут быть расположены между выходными участками 9, 10 соответственно первого и второго оптических волноводов 4, 5.The integrated optical modulator for a fiber-optic gyroscope in the first embodiment (see Fig. 1) contains a plate 1 made of a lithium niobate crystal with a front end 2 and a rear end 3. beveled at an angle α. In the plate 1, the first one is formed along the longitudinal axis by thermal diffusion of titanium an optical waveguide 4 and a second optical waveguide 5, forming an X-splitter 6. At the input section 7 of the first optical waveguide 4 there is a polarizer 8 made in the form of a metal film, for example, of aluminum with a dielectric sublayer, for example measures of Al 2 O 3. On the outer sides of the output sections 9, 10 of the first and second optical waveguides 4, 5, the first electrode 11 and the second electrode 12 are located, and the third electrode 13 is located between the output section 9 of the first optical waveguide 4 and the output section 10 of the second optical waveguide 5, the ends the plates are beveled at an angle α relative to the normal to the longitudinal axis of the plate, satisfying the above relation (1). The input end face of the first optical waveguide 4 is offset from the output ends of the first and second optical waveguides 4, 5 in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate 1 by a distance d 1 satisfying relation (2). The distance d 2 between the output ends of the first and second optical waveguides 4, 5 in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate 1, satisfies the relation (3). A larger number of electrodes can be used in the integrated optical modulator, for example, two electrodes can be located on the outer sides of the output sections 9, 10, respectively, of the first and second optical waveguides 4, 5, and the third and fourth electrodes can be located between the output sections 9 , 10, respectively, of the first and second optical waveguides 4, 5.

Интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа во втором воплощении (см. фиг. 2) отличается тем, входной участок 12 второго оптического волновода 5 продлен до переднего торца 2 пластины 1 и может быть использован как тестовый выход для контроля юстировки при стыковке с одномодовыми оптическими волокнами с поддержкой поляризации. Кроме поляризатора 8 на входном участке 7 первого оптического волновода 4, дополнительно на выходном участке 9 первого оптического волновода 4 и на выходном участке 10 второго оптического волновода 5 расположены соответственно поляризаторы 13 и 14.The integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope in the second embodiment (see Fig. 2) is characterized in that the input section 12 of the second optical waveguide 5 is extended to the front end 2 of the plate 1 and can be used as a test output to control alignment when docking with single-mode optical fibers with polarization support. In addition to the polarizer 8 at the input section 7 of the first optical waveguide 4, in addition at the output section 9 of the first optical waveguide 4 and at the output section 10 of the second optical waveguide 5, respectively, polarizers 13 and 14 are located.

Настоящий интегрально-оптический модулятор для волоконно-оптического гироскопа работает следующим образом. Оптическое излучение из входного волокна вводится с переднего торца 2 и попадает во входной участок 7 первого оптического волновода 4. На пленочном поляризаторе 8 происходит поглощение поляризационной моды с ТМ линейной поляризацией, перпендикулярной плоскости пластины 1 из кристалла ниобата лития. Распространяющаяся по оптическим волноводам мода с ТЕ линейной поляризацией, параллельной плоскости пластины 1, делится на Х-разветвителе 6 по мощности в соотношении 50:50 между выходными участками 9, 10 оптических волноводов 4, 5. Прикладываемые к электродам 11, 12, 13 управляющие электрические сигналы создают за счет электрооптического эффекта разность фаз между оптическим излучением в выходных участках волноводов 9, 10. Линейно поляризованное оптическое излучение из выходных участков волноводов 9 и 10 вводится в оптические волокна с сохранением поляризации, подведенные со стороны выходного торца 3 пластины 1, оси которых точно сориентированы относительно направления линейной поляризации оптического излучения в выходных участках 9, 10 оптических волноводов 4, 5.The present integrated optical modulator for a fiber optic gyro operates as follows. Optical radiation from the input fiber is introduced from the front end 2 and enters the input section 7 of the first optical waveguide 4. On the film polarizer 8, the polarization mode with TM linearly polarized is absorbed perpendicular to the plane of the plate 1 made of lithium niobate crystal. A mode propagating along optical waveguides with a TE linearly polarized parallel to the plane of the plate 1 is divided by an X-splitter 6 in power in a ratio of 50:50 between the output sections 9, 10 of the optical waveguides 4, 5. The control electric elements applied to the electrodes 11, 12, 13 Due to the electro-optical effect, the signals create a phase difference between the optical radiation in the output sections of the waveguides 9, 10. The linearly polarized optical radiation from the output sections of the waveguides 9 and 10 is introduced into the optical fibers polarization, summed up from the output end 3 of the plate 1, the axes of which are precisely oriented relative to the direction of linear polarization of the optical radiation in the output sections 9, 10 of the optical waveguides 4, 5.

В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен опытный образец интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа. Образец был изготовлен на кристаллической пластине конгруентного ниобата лития размерами 5×50×1 мм3. Угол α скоса торцов пластины был равен 10 угловых градусов. Оптическая схема с Х-разветвителем на основе канальных одномодовых волноводов была изготовлена по стандартной технологии термической диффузии титана с использованием методов контактной литографии и высокотемпературного отжига (см. М. Fukuma, J. Noda, and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides," J. Appl. Phys., 49(7), 3693-3698, 1978). Использовался пленочный поляризатор длиной 10 мм в виде металлической пленки из алюминия с диэлектрическим подслоем Al2O3. Выходные торцы первого и второго оптических волноводов были разнесены на расстояние d2=3 мм. Система электродов была выполнена в виде трех независимых электродов из пленки золота на подслое титана, два электрода расположены с внешней стороны выходных участков оптических волноводов, а один электрод расположен между выходными участками оптических волноводов. Выходные участки оптических волноводов были состыкованы с оптическими волокнами интерференционного контура, сохраняющими поляризацию. Точная юстировка оптических осей волокон с сохранением поляризации проводилась с использованием методов поляризационной интерферометрии. Проведенные испытания модулятора в составе волоконно-оптического гироскопа показали, что опытный образец по уровню шумов и паразитных сигналов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к комплектующим для волоконных гироскопов класса точности 0,001 град/час.In accordance with this utility model, a prototype integrated optical modulator for a fiber optic gyroscope was manufactured. The sample was made on a crystalline plate of congruent lithium niobate with dimensions of 5 × 50 × 1 mm 3 . The angle α of the bevel of the ends of the plate was 10 angular degrees. An optical circuit with an X splitter based on channel single-mode waveguides was fabricated using standard thermal diffusion of titanium using contact lithography and high-temperature annealing (see M. Fukuma, J. Noda, and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides, "J. Appl. Phys., 49 (7), 3693-3698, 1978). We used a film polarizer 10 mm long in the form of a metal film of aluminum with a dielectric sublayer Al 2 O 3 . The output ends of the first and second optical waveguides were spaced apart by a distance of d 2 = 3 mm. The electrode system was made in the form of three independent electrodes of a gold film on a titanium sublayer, two electrodes are located on the outside of the output sections of the optical waveguides, and one electrode is located between the output sections of the optical waveguides. The output sections of the optical waveguides were coupled to the optical fibers of the interference circuit, preserving the polarization. Accurate alignment of the optical axes of the fibers while maintaining the polarization was carried out using polarization interferometry methods. The tests of the modulator as part of a fiber-optic gyroscope showed that the prototype in terms of noise and spurious signals satisfies the requirements for components for fiber gyroscopes with accuracy class 0.001 deg / hour.

Таким образом, в настоящей конструкции интегрально-оптического модулятора для волоконно-оптического гироскопа достигаются низкие потери света, высокая термическую стойкость параметров модулятора, низкий уровень шумов и высокая точность стыковки с оптическим волокном с сохранением поляризации за счет возможности использования методов поляризационной интерферометрии.Thus, in the present design of the integrated optical-modulator for a fiber-optic gyroscope, low light losses, high thermal stability of the modulator parameters, low noise level and high accuracy of coupling with the optical fiber with preservation of polarization are achieved due to the possibility of using polarization interferometry methods.

Claims (5)

1. Интегрально-оптический модулятор для оптического гироскопа, включающий пластину из кристалла ниобата лития, первый и второй оптические волноводы, образующие Х-разветвитель, сформированные в пластине по продольной оси термической диффузией титана, по меньшей мере один поляризатор, выполненный на участке оптического волновода в виде металлической пленки с диэлектрическим подслоем, по меньшей мере три электрода, расположенные с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов и между выходными участками первого и второго оптических волноводов, торцы пластины скошены под углом α относительно нормали к продольной оси пластины, удовлетворяющим соотношению1. The integrated optical modulator for an optical gyroscope, including a plate of lithium niobate crystal, the first and second optical waveguides forming an X-coupler, formed in the plate along the longitudinal axis by thermal diffusion of titanium, at least one polarizer made in the section of the optical waveguide in in the form of a metal film with a dielectric sublayer, at least three electrodes located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides and between the output sections of the first and a second optical waveguides, the ends of the plates are bevelled at an angle α relative to the normal to the longitudinal axis of the plate satisfying the relation
Figure 00000001
Figure 00000001
 где nc - показатель преломления материала подложки,where n c is the refractive index of the substrate material, Δn - разность показателей преломления между материалом оптического волновода и материалом подложки;Δn is the difference in refractive indices between the material of the optical waveguide and the substrate material; входной торец первого оптического волновода смещен от выходных торцов первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, на расстояние d1, удовлетворяющее соотношениюthe input end face of the first optical waveguide is offset from the output ends of the first and second optical waveguides in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate by a distance d 1 satisfying the relation d1>10w0, мм;d 1 > 10w 0 , mm; где w0 - поперечный размер модового пятна оптических волноводов, мм; при этом расстояние d2 между выходными торцами первого и второго оптических волноводов в направлении, перпендикулярном продольной оси пластины, удовлетворяет соотношениюwhere w 0 is the transverse size of the mode spot of the optical waveguides, mm; the distance d 2 between the output ends of the first and second optical waveguides in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the plate satisfies the relation 2 мм ≤ d2 ≤ 10 мм.2 mm ≤ d 2 ≤ 10 mm. 2. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что включает четыре электрода, при этом первый и второй электроды расположены с внешних сторон выходных участков первого и второго оптических волноводов, а третий и четвертый электроды расположены между выходными участками первого и второго оптических волноводов.2. The modulator according to claim 1, characterized in that it includes four electrodes, wherein the first and second electrodes are located on the outer sides of the output sections of the first and second optical waveguides, and the third and fourth electrodes are located between the output sections of the first and second optical waveguides. 3. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что поляризатор выполнен на входном участке первого оптического волновода.3. The modulator according to claim 1, characterized in that the polarizer is made at the input section of the first optical waveguide. 4. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что включает три поляризатора, при этом один поляризатор выполнен на входном участке первого оптического волновода, а второй и третий поляризаторы выполнены на выходных участках соответственно первого и второго оптических волноводов.4. The modulator according to claim 1, characterized in that it includes three polarizers, while one polarizer is made in the input section of the first optical waveguide, and the second and third polarizers are made in the output sections of the first and second optical waveguides, respectively. 5. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что входной участок второго оптического волновода выведен на входной торец пластины.
Figure 00000002
5. The modulator according to claim 1, characterized in that the input section of the second optical waveguide is brought to the input end of the plate.
Figure 00000002
RU2016125940/28U 2016-06-28 2016-06-28 INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE RU166908U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125940/28U RU166908U1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125940/28U RU166908U1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU166908U1 true RU166908U1 (en) 2016-12-10

Family

ID=57793180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016125940/28U RU166908U1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU166908U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU204196U1 (en) * 2020-08-28 2021-05-14 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Hermetically sealed multifunctional integrated optical circuit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU204196U1 (en) * 2020-08-28 2021-05-14 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Hermetically sealed multifunctional integrated optical circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bergh et al. An overview of fiber-optic gyroscopes
CN101387519B (en) Hollow photonic crystal fiber gyroscope
US7236654B1 (en) Polymer phase modulator
US9395184B2 (en) Resonant fiber optic gyroscope with polarizing crystal waveguide coupler
CN113167583B (en) Compact optical fiber Sagnac interferometer
Shang et al. Tactical-grade interferometric fiber optic gyroscope based on an integrated optical chip
CN114063212A (en) Monolithic integrated beam splitting modulation chip based on thin-film lithium niobate
CN111337008A (en) Polarization-maintaining ASE light source with intensity noise cancellation function and fiber-optic gyroscope
Martin et al. Hybrid electro-optic visible multi-telescope beam combiner for next generation FIRST/SUBARU instruments
Qi et al. An ultra-short coil fiber optic gyroscope
RU166908U1 (en) INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE
Martin et al. Recent results on electro-optic visible multi-telescope beam combiner for next generation FIRST/SUBARU instruments: hybrid and passive devices
US9081136B2 (en) Attenuated primary reflection integrated optical circuit
Gu et al. Angular velocity sensing based on double-ring slow-light structure
RU2762530C1 (en) Interferometric fiber-optic gyroscope
US7239765B1 (en) Polymer phase modulator
JPH10293223A (en) Light guide element
Jung Integrated-optic electric-field sensor utilizing a Ti: LiNbO 3 Y-fed balanced-bridge Mach-Zehnder interferometric modulator with a segmented dipole antenna
Chiba et al. Low-crosstalk balanced bridge interferometric-type optical switch for optical signal routing
Shulepov et al. Suppression of residual amplitude modulation in diffused-channel Ti: LiNbO 3 optical waveguides by changing their geometry
Zuo et al. Integrated fiber optic gyroscope based on silicon lithium niobate thin waveguide
Dell'Olio et al. Backscattering noise control in the readout circuit of innovative optoelectronic resonant gyroscopes
CN102680763A (en) Photovoltage measuring device
Gu et al. Simultaneous measurement of angular velocities of two vertical directions in a slow-light structure
RU2449246C2 (en) Optical circuit of ring interferometer for fibre-optic gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190625

Effective date: 20190625