RU2495376C1 - Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope - Google Patents
Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2495376C1 RU2495376C1 RU2012119103/28A RU2012119103A RU2495376C1 RU 2495376 C1 RU2495376 C1 RU 2495376C1 RU 2012119103/28 A RU2012119103/28 A RU 2012119103/28A RU 2012119103 A RU2012119103 A RU 2012119103A RU 2495376 C1 RU2495376 C1 RU 2495376C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- divider
- output
- source
- input
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other sensors of physical quantities based on single-mode optical fibers.
Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.The fiber-optic gyroscope (hereinafter referred to as VOG) contains a fiber optic ring interferometer and an electronic information processing unit. An optical fiber interferometer contains an optical radiation source, a fiber radiation power divider, an integrated optical circuit (hereinafter - IOS), a multi-turn sensitive coil and a photodetector. IOS contains in its composition a Y-divider of the power of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. Channel waveguides of the Y-divider are formed in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. To the output channel waveguides of the Y-divider, the ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked.
На фотоприемнике кольцевого оптоволоконного интерферометра наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимнопротивоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами вследствие эффекта Саньяка возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:An interference pattern is formed on the photodetector of a ring fiber-optic interferometer, formed by two optical beams that have passed the sensitive coil of the gyroscope in two opposite directions. When the ring interferometer rotates between these two beams, due to the Sagnac effect, a phase difference arises, which is expressed as follows:
ϕS=[4πrl/λc]×Ωϕ S = [4πrl / λc] × Ω
где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;where R is the radius of the sensitive coil of the gyroscope;
L - длина световода катушки;L is the fiber length of the coil;
λ - центральная длина волны излучения источника;λ is the central wavelength of the radiation source;
с - скорость света в вакууме;c is the speed of light in vacuum;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа.Ω is the angular velocity of rotation of the gyroscope.
Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде:Thus, at the photodetector, the intensity of optical radiation can be represented as:
IФ=1/2P0(1+cosϕS)I Ф = 1 / 2P 0 (1 + cosϕ S )
где P0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.where P 0 is the power of the rays interfering at the photodetector.
Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС, используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величину:To increase the sensitivity of VOG near zero angular velocities, auxiliary phase modulation is used. To achieve the effect of phase modulation of rays in a ring interferometer using an IOS phase modulator, we use the time delay of the ray fronts interfering on the photodetector while passing through the IOS phase modulator. This time lag amounts to:
где n0 - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.where n 0 is the refractive index of the material of the fiber of the sensitive coil.
При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ т на выходе синхронного детектора наблюдается сигнал вида:When applying the following voltage pulses to the phase modulator with a frequency of 1 / 2τ t, a signal of the form is observed at the output of the synchronous detector:
Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате сигнал на выходе синхронного детектора приобретает следующий вид:To ensure a large dynamic range of measuring angular velocities and to obtain a high linearity of the FOG output characteristic in the optoelectronic information processing circuit, the so-called compensation method for reading the phase difference of the rays is used, the essence of which is that a compensating phase difference is supplied to the phase modulator along with the voltage of the auxiliary phase modulation Sagnac sawtooth step voltage [1]. As a result, the signal at the output of the synchronous detector takes the following form:
где φK - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.where φ K is the phase shift introduced by the sawtooth voltage to compensate for the Sagnac phase difference.
Учитывая, что в режиме компенсации ϕS-φK≈0 напряжение на входе синхронного детектора можно представить:Given that in the compensation mode ϕ S -φ K ≈ 0, the voltage at the input of the synchronous detector can be represented:
Известно, что основными составляющими шума ВОГ, определяющими его чувствительность являются следующие:It is known that the main components of VOG noise that determine its sensitivity are the following:
- дробовой шум фотоприемника;- shot noise of the photodetector;
- тепловые шумы предварительного усилителя фотоприемника;- thermal noise of the preamplifier of the photodetector;
- шумы интенсивности источника оптического излучения. Чувствительность ВОГ по уровню дробового шума можно представить в виде:- noise intensity of the source of optical radiation. The sensitivity of VOG in terms of shot noise can be represented as:
где
h - постоянная Планка;h is Planck's constant;
В - полоса пропускания электронного тракта обработки информации [Гц].B is the bandwidth of the electronic information processing path [Hz].
Чувствительность ВОГ по уровню тепловых шумов предварительного усилителя фотоприемника можно представить в виде:The sensitivity of VOG in terms of thermal noise of the pre-amplifier of the photodetector can be represented as:
где
k - постоянная Больцмана;k is the Boltzmann constant;
Т - абсолютная температура в градусах Кельвина;T is the absolute temperature in degrees Kelvin;
RH - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя;R H is the load resistance of the pre-amplifier;
е - заряд электрона;e is the electron charge;
IT - темновой ток фотоприемника.I T is the dark current of the photodetector.
Чувствительность ВОГ с замкнутой петлей обратной связи по уровню шумов интенсивности источника излучения можно представить в виде:The sensitivity of the FOG with a closed feedback loop by the noise level of the radiation source intensity can be represented as:
где
Δλ - ширина линии излучения источника.Δλ is the width of the radiation line of the source.
Ниже приведены формулы для расчета оптических шумов волоконно-оптического гироскопа в зависимости от его основных характеристик.Below are formulas for calculating the optical noise of a fiber-optic gyroscope, depending on its main characteristics.
Для параметров ВОГ R L=40, Р0=6×10-4 Вт, λ=1550 нм, Δλ=20 нм, ϕm=7/8 π радиан, Rн=100 кОм, уровень дробовых шумов составит 6,4×10-5 град./час1/2, уровень шумов усилителя тока фотоприемника равен 9,4×10-6 град./час1/2, а уровень шумов ВОГ из-за шумов интенсивности источника излучения составит 4×10-4 град./час1/2. Таким образом, даже при большой амплитуде вспомогательной фазовой модуляции уровень шума ВОГ с закрытым контуром, определяемый шумами интенсивности источника излучения значительно превышает дробовой шум фотоприемника и тепловой шум усилителя.For the FOG parameters RL = 40, P 0 = 6 × 10 -4 W, λ = 1550 nm, Δλ = 20 nm, ϕ m = 7/8 π radians, R n = 100 kOhm, the shot noise level will be 6.4 × 10 -5 degrees / hour 1/2 , the noise level of the photodetector current amplifier is 9.4 × 10 -6 degrees / hour 1/2 , and the noise level of VOG due to noise intensity of the radiation source will be 4 × 10 -4 degrees ./hour 1/2 . Thus, even with a large amplitude of auxiliary phase modulation, the closed-loop VOG noise level determined by the noise of the radiation source intensity significantly exceeds the shot noise of the photodetector and the thermal noise of the amplifier.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению по снижению шумов интенсивности источника излучения является изобретение, описанное в [1]. Излучение с выхода источника разделяется на несколько независимых каналов распространения, а затем излучение суммируется на площадке фотоприемника. Разность длины каждого канала распространения излучения последовательно отличается друг от друга не менее чем на длину когерентности излучения. В результате на фотоприемнике суммируется несколько некогерентных между собой лучей, что и приводит к снижению шумов интенсивности излучения на фотоприемнике при сохранении общей его мощности. Основным недостатком известного способа снижения шумов интенсивности является то, что оптический луч на выходе любого интрферометрического датчика на основе одномодового световода делится на несколько лучей, которые приходят на площадку фотоприемника с запаздыванием по времени относительно друг друга и поэтому фотоприемником фиксируются интерференционные картины, несущие информацию об измеряемой величине в разные моменты времени, что может вносит существенные ошибки, например, при измерении угловой скорости волоконно-оптическим гироскопом. Таким образом, при использовании известного способа снижения шумов интенсивности выигрыш по точности волоконно-оптического гироскопа за счет этого может быть снижен за счет потери его точности за счет запаздывания лучей, несущих информацию об измеряемой величине относительно друг друга при их попадании на площадку фотоприемника. Другой тип устройства, предложенный авторами известного патента, представляет собой два волоконных поляризационных расщепителя и два отрезка световода с большим двулучепреломлением. При использовании этого устройства ошибки в измерении угловой скорости не возникает, так как все лучи, несущие информацию об одной и той же угловой скорости, приходят на площадку фотоприемника одновременно. Но такой тип устройства принципиально имеет потери оптической мощности не менее 3 дБ, что в свою очередь приводит к снижению точности гироскопа за счет повышения дробовых шумов фотоприемника.The closest in technical essence to the proposed invention to reduce noise intensity of the radiation source is the invention described in [1]. The radiation from the source output is divided into several independent propagation channels, and then the radiation is summed at the site of the photodetector. The length difference of each radiation propagation channel is consistently different from each other by no less than the length of the coherence of the radiation. As a result, several incoherent rays are summed at the photodetector, which leads to a decrease in the noise of the radiation intensity at the photodetector while maintaining its total power. The main disadvantage of the known method for reducing intensity noise is that the optical beam at the output of any interferometric sensor based on a single-mode fiber is divided into several beams that arrive at the site of the photodetector with a time delay relative to each other and therefore the interference pattern is recorded by the photodetector, carrying information about the measured value at different points in time, which can introduce significant errors, for example, when measuring the angular velocity of fiber-optic by the microscope. Thus, when using the known method of reducing intensity noise, the accuracy gain of the fiber-optic gyroscope due to this can be reduced due to the loss of its accuracy due to the delay of the rays carrying information about the measured value relative to each other when they hit the site of the photodetector. Another type of device proposed by the authors of the well-known patent is two fiber polarizing splitters and two segments of a fiber with large birefringence. When using this device, errors in the measurement of the angular velocity do not occur, since all the rays that carry information about the same angular velocity arrive at the photodetector site simultaneously. But this type of device fundamentally has a loss of optical power of at least 3 dB, which in turn leads to a decrease in the accuracy of the gyroscope due to an increase in shot noise of the photodetector.
Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет снижения шумов интенсивности источника оптического излучения при устранении запаздывания лучей относительно друг друга при попадании их на площадку фотоприемника.The aim of the present invention is to improve the accuracy of a fiber-optic gyroscope by reducing the noise of the intensity of the optical radiation source while eliminating the delay of the rays relative to each other when they hit the site of the photodetector.
Указанная цель достигается тем, что выход источника соединен с рядом из N штук делителей оптической мощности, где N=1, 2, 3, ….. с коэффициентом деления каждого из этих делителей по прямому каналу к, где к может принимать цифровые значения больше 0 и меньше 1, причем выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда делителей, а каждый первый выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя, при этом второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим вторым выходом, а длина каждого из этих световодов больше длины когерентности Lк излучения источника, при этом длина световода, соединяющего вторые вход и выход каждого предыдущего делителя из ряда N делителей больше или меньше длины световода каждого последующего делителя из этого ряда, по крайней мере, чем на длину когерентности Lк излучения источника, а длина световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя ряда из N делителей больше NLк.This goal is achieved by the fact that the source output is connected to a series of N pieces of optical power dividers, where N = 1, 2, 3, ... .. with a division coefficient of each of these dividers along the direct channel k, where k can take digital values greater than 0 and less than 1, and the source output is connected to the first input of the first divider from a number of dividers, and each first output of the previous divider of the series is connected to the first input of each subsequent divider, while the second input of each divider is connected using its fiber with its second output, and the length of each Each of these fibers is longer than the coherence length L to the source radiation, and the length of the fiber connecting the second input and output of each previous divider from the number N of dividers is greater or less than the length of the fiber of each subsequent divider from this series, at least by the coherence length L to the source radiation, and the length of the fiber connecting the second input and output of the first divider of a series of N dividers is greater than NL to .
2. Источник излучения по п.1, отличающийся тем, что выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда делителей, а каждый второй выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя, при этом второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим первым выходом.2. The radiation source according to
Снижение шумов интенсивности и вследствие этого повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет разделения излучения на большое количество независимых источников при циркуляции излучения по каналам делителей оптической мощности. Предлагаемое техническое решение предполагает разделение излучения одного источника на несколько каналов на входе оптической схемы волоконно-оптического гироскопа и таким образом на площадку фотоприемника одновременно попадает несколько независимых лучей, несущих информацию об одной и той же угловой скорости. Таким образом, при разделении одного луча на несколько независимых лучей на входе оптической схемы ВОГ не вносит дополнительных ошибок при измерении угловой скорости. Повышения уровня дробовых шумов также не происходит, так как излучение распространяется по каналам делителей практически без потерь.A reduction in intensity noise and, as a result, an increase in the accuracy of a fiber-optic gyroscope is achieved by dividing the radiation into a large number of independent sources when the radiation is circulated through the channels of the optical power dividers. The proposed technical solution involves the separation of the radiation of one source into several channels at the input of the optical circuit of a fiber-optic gyroscope, and thus several independent beams that carry information about the same angular velocity simultaneously fall on the photodetector site. Thus, when dividing one beam into several independent rays at the input of the optical circuit, the FOG does not introduce additional errors when measuring the angular velocity. An increase in the level of shot noise also does not occur, since the radiation propagates through the channels of the dividers with virtually no loss.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен источник излучения с делением излучения на четыре канала распространения. На Фиг.2 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе одного волоконного делителя типа 2×2. На Фиг.3 представлен график зависимости коэффициента снижения шума в волоконно-оптическом гироскопе при использовании источника излучения с одним делителем. На Фиг.3 представлен график зависимости коэффициента снижения шума в волоконно-оптическом гироскопе при использовании источника излучения с одним делителем. На Фиг.4 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2. На Фиг.5 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2 с другим соединением волоконных концов делителей.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 presents the radiation source with the division of radiation into four propagation channels. Figure 2 presents the source of optical radiation with a reduced level of noise intensity based on one
На Фиг.1 представлен источник широкополосного оптического излучения 1 для волоконно-оптического гироскопа. Этот источник может быть выполнен на основе эрбиевого волокна. Достоинствами таких источников является высокая выходная мощность, которая обеспечивает малый уровень дробовых и тепловых шумов усилителя тока фотоприемника. Но ширина линии излучения у него недостаточно большая (Δλ=20÷25 нм), и потому шумы интенсивности этих источников ухудшают более чем в 10 раз шумовые характеристики волоконно-оптических гироскопов. Одним из способов снижения шумов интенсивности [1] это разделение излучения с помощью делителя 2 (Фиг.1), например, на четыре канала 3, 4, 5, 6 распространения излучения. Излучение с выходов 7, 8, 9, 10 поступает затем на площадку фотоприемника. Длины каналов распространения L1, L2, L3, L4 отличаются друг от друга более чем на длину когерентности излучения источника. Рассмотрим обычное сложение мощностей множества одинаковых источников. Данная задача наглядно проиллюстрирует саму идею об уменьшении шума при использовании множества источников.Figure 1 shows the source of broadband
Итак, рассмотрим сложение мощностей N одинаковых источников, каждая из которых имеет постоянную (р0,n) и шумовую (δpn) составляющие:So, we consider the addition of powers of N identical sources, each of which has a constant (p 0, n ) and noise (δp n ) components:
pn(t)=P0,n+δpn(t).p n (t) = P 0, n + δp n (t).
Будем считать, что шумовые составляющие от разных источников не коррелируют друг с другом. Также считаем, что каждая отдельная шумовая составляющая δрn от n-го источника являет собой белый шум. Численной характеристикой этого шума в данном случае является его дисперсияWe assume that the noise components from different sources do not correlate with each other. We also believe that each individual noise component δр n from the nth source is white noise. The numerical characteristic of this noise in this case is its dispersion
одинаковая для всех источников с номерами n=1…N. Как показывает простой расчет, если просуммировать мощности всех этих источников, то дисперсия σ0 суммарной шумовой составляющей равнаthe same for all sources with numbers n = 1 ... N. As a simple calculation shows, if we summarize the powers of all these sources, then the variance σ 0 of the total noise component is
Таким образом, дисперсия суммарной мощности от N источников в N1/2 раз больше, чем дисперсия мощности любого единичного источника. Однако в то же время суммарная постоянная составляющая больше, чем у одиночного источника в N раз. Таким образом, шум суммарной мощности всех источников улучшается в N1/2 раз. Это напоминает картину флуктуации плотности идеального газа в некотором объеме пространства, которые также уменьшаются как N1/2, только здесь N - среднее число молекул газа в данном объеме. Таким образом, при сложении на фотоприемнике излучения, распространяющегося по четырем каналам при условии, что их мощности одинаковы, можно снизить шумы интенсивности в 2 раза (при разделении распространения излучения по четырем каналам). Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) состоит из волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) и электронного блока обработки информации. Источник излучения входит в состав ВКИ, который изготавливается из одномодовых световодов. Поэтому для улучшения шумовых характеристик ВОГ необходимо ввести излучение, распространяющееся по четырем каналам во входное одномодовое волокно оптической схемы ВКИ ВОГ, но при этом неизбежно возникают большие потери оптической мощности всех четырех источников. Поэтому снижение шумов ВОГ за счет снижения шумов интенсивности может компенсироваться негативным повышением дробовых шумов фотоприемника и тепловых шумов усилителя за счет снижения мощности полезного сигнала ВОГ.Thus, the dispersion of the total power from N sources is N 1/2 times greater than the dispersion of the power of any single source. However, at the same time, the total constant component is N times greater than that of a single source. Thus, the noise of the total power of all sources improves by N 1/2 times. This resembles a picture of fluctuations in the density of an ideal gas in a certain volume of space, which also decrease as N 1/2 , only here N is the average number of gas molecules in a given volume. Thus, when the radiation propagating through four channels is added to the photodetector, provided that their powers are the same, it is possible to reduce the intensity noise by a factor of 2 (when dividing the radiation propagation through four channels). The fiber optic gyroscope (FOG) consists of a fiber ring interferometer (FRI) and an electronic information processing unit. The radiation source is part of the FRI, which is made from single-mode optical fibers. Therefore, to improve the noise characteristics of the VOG, it is necessary to introduce radiation propagating through four channels into the input single-mode fiber of the optical scheme of the FRI VOG, but in this case, large losses of optical power of all four sources inevitably occur. Therefore, a decrease in VOG noise due to a decrease in intensity noise can be compensated by a negative increase in shot noise of the photodetector and thermal noise of the amplifier due to a decrease in the power of the useful VOG signal.
На Фиг.2 представлен источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе одного волоконного делителя 11 типа 2×2. Делитель может быть выполнен по сплавной технологии двух отрезков одномодовых световодов. Для этого два отрезка световода располагают параллельно друг другу и в их средней части производят сплавление световодов на небольшом участке с одновременным формированием биконической перетяжки в месте сплавления световодов. Затем биконическую перетяжку помещают, например, в кварцевый капилляр. Делитель имеет два входа (первый и второй, располагающиеся слева) и два выхода (первый и второй, располагающиеся справа) в виде отрезков одномодовых волоконных световодов. Обозначим коэффициент деления оптической мощности по прямому каналу как отношение оптической мощности на первом выходе при вводе ее на первый вход или как отношение оптической мощности на втором выходе при вводе ее на второй вход. Коэффициент деления оптической мощности в перекрестных каналах может быть определен либо как отношение мощности излучения на втором выходе при вводе ее на первый вход либо как отношение оптической мощности на первом выходе при вводе ее на второй вход. Обозначим коэффициент деления делителя типа 2×2 по прямому каналу как к, где к может принимать цифровые значения больше нуля, но меньше 1, а коэффициент деления оптической мощности в перекрестных каналах определяется как (1-к). Одномодовый световод второго входа соединяется, например, методом дуговой сварки 12 со световодом второго выхода делителя. Излучение от источника вводится в отрезок волокна, являющегося первым входом делителя, далее часть излучения, определяемая коэффициентом деления мощности по прямому каналу делителя, поступает на первый выход делителя 13, а другая часть излучения, определяемая коэффициентом деления по перекрестным каналам делителя, со второго выхода делителя поступает на второй вход делителя, после чего это излучение частично поступает на первый выход делителя (эта часть мощности в данном случае определяется коэффициентом деления мощности по перекрестным каналам), а другая часть мощности поступает вновь на второй выход делителя и так далее. Таким образом, при многократном прохождении каналов делителя на его первом выходе формируется несколько источников излучения. Если длина световода, соединяющего второй выход делителя с его вторым входом превышает длину когерентности излучения источника, на выходе одномодового световода, являющегося первым выходом делителя присутствуют несколько независимых источников (некогерентных между собой). Количество источников определяется количеством циркуляции излучения по каналу второй вход - второй выход через соединяющий их отрезок одномодового световода. Данная конфигурация определяет практически всю выходную мощность источника на выходе отрезка одномодового волокна, являющегося первым выходом делителя и, таким образом, при соединении с входным отрезком одномодового световода ВКИ вся мощность источника, практически без потерь будет использована. Суммарная выходная мощность, представляющая собой сумму мощностей независимых источников, определяется в данном случае потерями излучения в делителе, в месте соединения источника излучения с отрезком световода первого входа делителя и в месте сварки отрезков световодов, соединяющих вторые вход и выход делителя. Из приведенного рассмотрения также следует, что количество независимых источников и мощность их излучения определяется коэффициентом деления мощности по прямому каналу делителя, а суммарная их мощность определяется потерями излучения при прохождении излучения в элементах приведенной конструкции делителя, то есть в местах указанных выше. Таким образом, предположим, что мощности независимых источников складываются с различными весовыми коэффициентами An>0 (то есть ни одна из мощностей не вычитается из результирующей мощности). В этом случае постоянная и шумовая составляющие суммарной мощности равныFigure 2 presents the source of optical radiation with a reduced level of noise intensity based on one
Таким образом, постоянные составляющие просто складываются. Дисперсия же суммарной шумовой составляющей вычисляется какIn this way, the constituents simply add up. The dispersion of the total noise component is calculated as
Отсюда ясно, что шум интенсивности на фоне суммарной мощности изменяется по сравнению с шумом единичного источника в n0 раз, гдеFrom this it is clear that the noise of the intensity against the background of the total power changes in comparison with the noise of a single source by n 0 times, where
Для любых положительных An (см. выше) из теоремы Коши-Буняковского следует, что n0>1, т.е. имеет место выигрыш по шумам интенсивности. В частности, выше, где мы рассматривали сложение мощностей с одинаковыми амплитудами, имеем An=1, т.е. n0=Nl/2, где n0 - коэффициент (разы) снижения шума интенсивности источника излучения. Для увеличения коэффициента снижения шумов интенсивности необходимо иметь как можно больше циркулирующих волн, и они должны иметь близкие значения мощности.For any positive A n (see above), it follows from the Cauchy-Bunyakovsky theorem that n 0 > 1, i.e. there is a gain in intensity noise. In particular, above, where we considered the addition of capacities with the same amplitudes, we have A n = 1, i.e. n 0 = N l / 2 , where n 0 is the coefficient (times) of noise reduction of the radiation source intensity. To increase the intensity noise reduction coefficient, it is necessary to have as many circulating waves as possible, and they should have close power values.
Рассмотрим сначала случай с учетом потерь в делителе. Для детерминированной составляющей мощности после разветвителя (сигнал):We first consider the case taking into account losses in the divider. For the deterministic power component after the splitter (signal):
Дисперсия шумовой составляющей мощности после разветвителя (шум):Dispersion of the noise component of power after the splitter (noise):
гдеWhere
t=exp(-αc), t0=exp[-(αL+α0)].t = exp (-α c ), t 0 = exp [- (αL + α 0 )].
Здесь κ - коэффициент прохождения мощности по прямому каналу разветвителя (1-κ - по перекрестному), αс - потери в разветвителе при однократном его прохождении, L - длина разветвителя, α - потери в световоде замкнутого канала разветвителя, α0 - потери на сварке при замыкании этого световода, L - его длина.Here κ is the power transmission coefficient along the forward channel of the splitter (1-κ is the cross), α с is the loss in the splitter when it passes once, L is the length of the splitter, α is the loss in the fiber of the closed channel of the splitter, α 0 is the welding loss when this fiber is closed, L is its length.
Соотношение сигнал/шум после делителя равно σ=Р/δР, тогда как до делителя оно равно σ0=Р0/δР0 (то есть соотношение сигнал/шум непосредственно источника). Снижение шумов интенсивности, таким образом, равно коэффициенту n0=σ0/σ. На Фиг.3 показаны графики этого выигрыша в зависимости от коэффициента деления делителя по прямому каналу для двух случаев: 1. кривая 14 в отсутствие любого вида потерь; 2. кривая 15 для случая, когда потери на прохождение через делитель равны 0.05 дБ, потери на сварке равны 0.05 дБ, потери в замкнутом световоде, соединяющем вторые вход и выход делителя равны 0.5 дБ/км, длина этого световода L=1 м. Пунктирная кривая 16 характеризует выигрыш по коэффициенту шума в 31/2 раз.The signal-to-noise ratio after the divider is σ = P / δP, whereas before the divider it is equal to σ 0 = P 0 / δP 0 (that is, the signal-to-noise ratio of the source itself). The reduction in intensity noise is thus equal to the coefficient n 0 = σ 0 / σ. Figure 3 shows graphs of this gain depending on the division ratio of the divider on the forward channel for two cases: 1.
Из графика видно, что эти два случая различаются слабо. Помимо этого оба случая имеют максимум при κ≈0.4, равный приблизительно 1.78 (случай с потерями - чуть меньше). В обоих случаях также имеет место достаточно широкий диапазон κ≈(0.33-0.5), в котором выигрыш n0 составляет не менее чем в 31/2 раза (в случае потерь это чуть более узкий диапазон коэффициентов κ).The graph shows that these two cases differ slightly. In addition, both cases have a maximum at κ≈0.4, equal to approximately 1.78 (the case with losses is slightly less). In both cases, there is also a fairly wide range κ≈ (0.33-0.5), in which the gain n 0 is no less than 3 1/2 times (in the case of losses, this is a slightly narrower range of coefficients κ).
Таким образом, для максимального выигрыша по коэффициенту снижения шума следует выбрать κ=0.4. При этом потери оказываются достаточно малыми ввиду того, что в работе описываемого здесь устройства принимают реальное участие не более 5-7 циркулирующих по второму каналу волоконного делителя волн с достаточно быстро убывающими амплитудами.Thus, for maximum gain in noise reduction coefficient, κ = 0.4 should be chosen. In this case, the losses turn out to be quite small in view of the fact that no more than 5–7 waves circulating through the second channel of the fiber splitter with rather rapidly decreasing amplitudes take real part in the operation of the device described here.
На Фиг.4 показан источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2. Первый выход первого делителя с помощью сварки световодов 17 соединяется с первым входом 18 второго делителя оптической мощности 19. При этом вторые вход и выход второго делителя соединены между собой также с помощью сварки световодов 20. Первый выход 21 второго делителя также соединяется с первым входом следующего волоконного делителя 22 из ряда N делителей. Вторые вход и выход каждого из N делителей также соединены друг с другом с помощью отрезка световода. Выходом источника в этом случае будет первый выход 23 N-го волоконного делителя. Для того чтобы все вторичные источники, образующиеся за счет циркуляции оптической мощности по световодам, соединяющим вторые вход и выход каждого делителя необходимо, чтобы длина световодов, соединяющих вторые вход и выход каждого последующего делителя были либо меньше на длину когерентности источника излучения, либо больше ее. В случае когда длина отрезка световода, соединяющего вторые вход и выход каждого последующего делителя будет меньше на длину когерентности излучения, чем длина предыдущего отрезка световода, то в этом случае необходимо, чтобы длина отрезка световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя была больше NLк, где Lк - длина когерентности излучения источника. Если коэффициент деления мощности каждого делителя ряда из N делителей будет равен 0,4, то коэффициент снижения шума интенсивности составит величину n0=(31/2)N, таким образом, при использовании четырех волоконных делителей можно снизить шум интенсивности не менее чем в 9 раз, при этом суммарные потери оптической мощности всех некогерентных лучей при распространении по каналам делителей не более 0,6 дБ.Figure 4 shows the source of optical radiation with a reduced level of noise intensity based on N fiber dividers of
На Фиг.5 показан источник оптического излучения с пониженным уровнем шумов интенсивности на основе N волоконных делителей оптической мощности типа 2×2, но с другим соединением волоконных концов делителей. Второй выход первого делителя 24 в виде отрезка одномодового волокна 25 методом дуговой сварки 26 соединен с отрезком одномодового световода 27 первого входа второго делителя 28. Первый выход и второй вход первого делителя соединены с помощью сварки световодов 29. Второй вход и первый выход второго делителя соединены методом дуговой сварки 30 двух соответствующих отрезков световодов. Первый выход в виде отрезка одномодового волокна 31 второго делителя соединен с первым входом следующего из N делителей, а второй выход N-го делителя 32 служит выходом источника излучения, при этом второй вход и первый выход N-го делителя соединены между собой с помощью дуговой сварки 33 соответствующих световодов. Оптимальным коэффициентом деления по прямому каналу волоконных делителей с использованием такой схемы соединения делителей будет к=0,6.Figure 5 shows a source of optical radiation with a reduced level of intensity noise based on N fiber dividers of
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012119103/28A RU2495376C1 (en) | 2012-05-11 | 2012-05-11 | Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012119103/28A RU2495376C1 (en) | 2012-05-11 | 2012-05-11 | Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2495376C1 true RU2495376C1 (en) | 2013-10-10 |
Family
ID=49303080
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012119103/28A RU2495376C1 (en) | 2012-05-11 | 2012-05-11 | Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2495376C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2783392C1 (en) * | 2022-01-28 | 2022-11-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Method for suppressing polarization amplitude-frequency noise in anisotropic fiber-optical sensors |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5054923A (en) * | 1989-05-15 | 1991-10-08 | Japan Aviation Electronics Industry Limited | Fiber optic gyro using a pulsed light source |
US5898496A (en) * | 1997-02-14 | 1999-04-27 | Allied Signal Inc | Optical signal noise reduction for fiber optic gyroscopses |
US20030128365A1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-07-10 | Honeywell International Inc. | Relative intensity noise controller for fiber light sources |
RU2444704C1 (en) * | 2010-10-26 | 2012-03-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fibre-optic gyroscope |
-
2012
- 2012-05-11 RU RU2012119103/28A patent/RU2495376C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5054923A (en) * | 1989-05-15 | 1991-10-08 | Japan Aviation Electronics Industry Limited | Fiber optic gyro using a pulsed light source |
US5898496A (en) * | 1997-02-14 | 1999-04-27 | Allied Signal Inc | Optical signal noise reduction for fiber optic gyroscopses |
US20030128365A1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-07-10 | Honeywell International Inc. | Relative intensity noise controller for fiber light sources |
RU2444704C1 (en) * | 2010-10-26 | 2012-03-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fibre-optic gyroscope |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2783392C1 (en) * | 2022-01-28 | 2022-11-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Method for suppressing polarization amplitude-frequency noise in anisotropic fiber-optical sensors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11320267B2 (en) | Integrated optic wavemeter and method for fiber optic gyroscopes scale factor stabilization | |
US10578436B2 (en) | Measuring system and gyrometer comprising such a system | |
Culshaw et al. | Frequency modulated heterodyne optical fiber Sagnac interferometer | |
JPH09505147A (en) | Optical noise reduction | |
US6014217A (en) | Fiber optic gyroscope scattering error reduction | |
RU2444704C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
US20160025494A1 (en) | Fibre-optic interferometric measurement device comprising a ring resonator, gyrometer and inertial attitude or navigation unit comprising such a device | |
Korkishko et al. | Interferometric closed-loop fiber-optic gyroscopes | |
Schiller | Feasibility of giant fiber-optic gyroscopes | |
Li et al. | Excess relative intensity noise suppression in depolarized interferometric fiber optic gyroscopes | |
Morris et al. | Optimization of the angular random walk in laser-driven fiber-optic gyroscopes | |
US4283144A (en) | Method of fiber interferometry zero fringe shift referencing using passive optical couplers | |
RU2343417C1 (en) | Method of low-frequency phase modulation for stabilisation of scale factor of fibre gyroscope | |
RU2495376C1 (en) | Emission source with low level of intensity noises for fibre-optic gyroscope | |
Chang et al. | Resonance asymmetry phenomenon in waveguide-type optical ring resonator gyro | |
RU2482450C1 (en) | Apparatus for testing electronic unit of fibre-optic gyroscope | |
EP2267408B1 (en) | Stabilised solid-state gyrolaser | |
RU2246097C2 (en) | Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro | |
RU2194245C2 (en) | Method for carrying out optical fiber gyroscope ring interferometer beam phase modulation | |
JPH048727B2 (en) | ||
RU2160885C1 (en) | Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope | |
RU2160886C1 (en) | Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope | |
RU2472111C1 (en) | Method of eliminating dead band in fiber optical gyro | |
RU2523759C1 (en) | Angular velocity range extension for open-circuit fibre-optic gyro | |
RU2512598C1 (en) | Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20200826 |