RU2762530C1 - Interferometric fiber-optic gyroscope - Google Patents
Interferometric fiber-optic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762530C1 RU2762530C1 RU2021109627A RU2021109627A RU2762530C1 RU 2762530 C1 RU2762530 C1 RU 2762530C1 RU 2021109627 A RU2021109627 A RU 2021109627A RU 2021109627 A RU2021109627 A RU 2021109627A RU 2762530 C1 RU2762530 C1 RU 2762530C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coupler
- port
- fiber
- birefringent
- circuit
- Prior art date
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
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при создании волоконно-оптических гироскопов для измерения угловой скорости вращения и служит для навигации и гиростабилизации. The invention relates to the field of fiber optics and can be used to create fiber-optic gyroscopes for measuring the angular velocity of rotation and is used for navigation and gyro stabilization.
Известно устройство, волоконно-оптический гироскоп, патент РФ № 2589450, G01C 19/72, от 10.07.2016, содержащий оптически соединенные источник излучения, поляризатор, входной ответвитель, интегрально-оптическую схему, содержащую поляризатор, ответвитель и фазовый модулятор, соединенную с волоконным контуром. Входной ответвитель соединен с двумя фотоприемниками, передающими сигналы в электронную схему обработки информации, управляющий выход которой соединен с управляющим входом интегрально-оптической схемы.There is a known device, a fiber-optic gyroscope, RF patent No. 2589450, G01C 19/72, dated 07/10/2016, containing an optically connected radiation source, a polarizer, an input coupler, an integrated-optical circuit containing a polarizer, a coupler and a phase modulator connected to a fiber outline. The input coupler is connected to two photodetectors transmitting signals to the electronic information processing circuit, the control output of which is connected to the control input of the integrated optical circuit.
Недостатком известного решения является ошибка глубины фазовой модуляции между оптическими пучками, распространяющимися в волоконно-оптическом контуре во встречных направлениях из-за того, что фазовые модуляторы в один и тот же момент времени подвергаются воздействию разных внешних воздействующих факторов, таких, как температура, влажность, давление, вибрация и т.д., так как разнесены в пространстве в электрооптическом кристалле, на котором собрана интегрально-оптическая схема. Поскольку заряды, образовавшиеся на поверхности кристалла из-за пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, неравномерно распределяются по поверхности интегрально-оптической схемы и перераспределяются за время меньшее, чем время прохождения оптического сигнала по волоконно-оптическому контуру, разнесение модуляторов в пространстве обуславливает паразитный набег фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа, что понижает точность измерений угловой скорости вращения.The disadvantage of the known solution is the error in the depth of phase modulation between optical beams propagating in a fiber-optic circuit in opposite directions due to the fact that phase modulators at the same time are exposed to different external factors, such as temperature, humidity, pressure, vibration, etc., since they are spaced apart in an electro-optical crystal on which the integrated optical circuit is assembled. Since the charges formed on the surface of the crystal due to the piezoelectric and pyroelectric effects are unevenly distributed over the surface of the integrated-optical circuit and redistributed in a time shorter than the transit time of the optical signal along the fiber-optic circuit, the spacing of the modulators in space causes a parasitic phase incursion detected system as an error in the signal of the fiber-optic gyroscope, which lowers the accuracy of measurements of the angular velocity of rotation.
Известно устройство, неинтерферометрический оптический гироскоп на основе изменения поляризации, патент US 2015/0345950 A1, Int. Cl. GOIC 9/72, GOIJ 4/04, U.S. Cl CPC G0IC 19/721; G0IJ 4/04, от 3.12.2015, содержащий оптически соединенные линейнополяризованный источник оптического излучения, оптический элемент, выделяющий из входного оптического излучения два линейно поляризованных взаимно ортогональных оптических сигнала и направляющих их в разные выходные порты, волоконно-оптический контур и анализатор поляризации. Known device, non-interferometric optical gyroscope based on polarization change, patent US 2015/0345950 A1, Int. Cl. GOIC 9/72, GOIJ 4/04, U.S. Cl CPC G0IC 19/721; G0IJ 4/04, dated 3.12.2015, containing an optically coupled linearly polarized optical radiation source, an optical element that extracts two linearly polarized mutually orthogonal optical signals from the input optical radiation and directs them to different output ports, a fiber-optic circuit and a polarization analyzer.
Недостатком известного решения является отсутствие возможности создания фазомодулированной несущей оптического сигнала, в результате чего точность измерений волоконно-оптического гироскопа ограничена качеством изготовления используемых оптических компонентов. The disadvantage of the known solution is the inability to create a phase-modulated carrier of the optical signal, as a result of which the measurement accuracy of the fiber-optic gyroscope is limited by the manufacturing quality of the optical components used.
Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, интерферометрический волоконно-оптический гироскоп [Lefevre H. C. et al. Integrated optics: A practical solution for the fiber-optic gyroscope //Fiber Optic Gyros: 10th Anniversary Conf. – International Society for Optics and Photonics, публ. 11.03.1987. – Т. 719. – С. 101-112.], которое включает оптически соединенные широкополосный источник излучения, X-ответвитель, интегрально-оптическую схему, построенную на электрооптическом кристалле и включающую поляризатор, Y-ответвитель и два фазовых модулятора, включающих два волновода (плечи Y-ответвителя) и сформированные с помощью трех электродов (один из них расположен между плечами Y-ответвителя, два – с внешних сторон этих плеч). За счет разницы в подаваемом на них напряжении с частотой, превышающей собственную частоту интерферометра Саньяка в два раза, происходит модуляция фазы оптического излучения, распространяющегося по волоконно-оптическому контуру во встречных направлениях. Интегрально-оптическая схема оптически соединена с волоконно-оптическим контуром, а X-ответвитель соединен с управляющей платой, включающей последовательно соединенные фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство, управляющий выход которого соединен через цифро-аналоговый преобразователь с управляющим входом интегрально-оптической схемы.Known device, selected as a prototype, interferometric fiber optic gyroscope [Lefevre H. C. et al. Integrated optics: A practical solution for the fiber-optic gyroscope // Fiber Optic Gyros: 10th Anniversary Conf. - International Society for Optics and Photonics, publ. 03/11/1987. - T. 719. - S. 101-112.], Which includes optically linked broadband light source, X-coupler, an integrated-optical circuit built on an electro-optical crystal and including a polarizer, a Y-coupler and two phase modulators, including two waveguides (Y-coupler arms) and formed using three electrodes (one of them is located between the arms of the Y-coupler, two - on the outer sides of these arms). Due to the difference in the voltage applied to them with a frequency that is twice the natural frequency of the Sagnac interferometer, the phase of the optical radiation propagating along the fiber-optic circuit in opposite directions is modulated. The integrated-optical circuit is optically connected to the fiber-optic circuit, and the X-coupler is connected to the control board, which includes a series-connected photodetector, an analog-to-digital converter, a counting-analyzing device, the control output of which is connected through a digital-to-analog converter with a control input of an integrated optical circuit.
Недостатком данного устройства является ошибка глубины фазовой модуляции между оптическими пучками, распространяющимися в волоконно-оптическом контуре во встречных направлениях из-за того, что фазовые модуляторы в один и тот же момент времени подвергаются воздействию разных внешних воздействующих факторов, таких, как температура, влажность, давление, вибрация и т.д., так как разнесены в пространстве в электрооптическом кристалле, на котором собрана интегрально-оптическая схема. Поскольку заряды, образовавшиеся на поверхности кристалла из-за пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, неравномерно распределяются по поверхности интегрально-оптической схемы, разнесение модуляторов в пространстве обуславливает паразитный набег фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа, что понижает точность измерений угловой скорости вращения. Disadvantagethis device is error in the phase modulation depth between optical beams propagating in a fiber-optic circuit in opposite directions due to the fact that phase modulators at the same time are exposed to different external factors, such as temperature, humidity, pressure, vibration, etc. etc., since they are spaced apart in an electro-optical crystal on which the integrated optical circuit is assembled. Since the charges formed on the surface of the crystal due to the piezoelectric and pyroelectric effects are unevenly distributed over the surface of the integrated-optical circuit, the separation of the modulators in space causes a parasitic phase incursion, which is detected by the system as an error in the signal of the fiber-optic gyroscope, which reduces the accuracy of the angular velocity measurements. rotation.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в повышении точности измерения угловой скорости вращения волоконно-оптическим гироскопом за счет снижения влияния пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов в электрооптическом кристалле, входящем в состав интегрально-оптической схемы, т.е. исключения паразитного набега фаз, детектируемый системой как ошибка в сигнале волоконно-оптического гироскопа. The problem solved by the claimed invention is to improve the accuracy of measuring the angular velocity of rotation of the fiber-optic gyroscope by reducing the influence of the piezoelectric and pyroelectric effects in the electro-optical crystal, which is part of the integrated-optical circuit, i.e. elimination of parasitic phase incursion, detected by the system as an error in the signal of the fiber-optic gyroscope.
Поставленная задача решается следующим образом.The task is solved in the following way.
В интерферометрическом волоконно-оптическом гироскопе, содержащем оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения, X-ответвитель, интегрально-оптическую схему, двулучепреломляющий Y-ответвитель, а также волоконно-оптический контур из двулучепреломляющего оптического волокна, при этом, интегрально-оптическая схема построена на электрооптическом кристалле, внутри которого сформирован волновод, а на поверхности электрооптического кристалла, образуя модулятор, закреплены, размещенные по обеим сторонам от волновода два электрода, соединенные с управляющим выходом управляющей платы, широкополосный источник оптического излучения оптически соединен с первым портом X-ответвителя, третий порт X-ответвителя оптически затерминирован, четвертый порт X-ответвителя соединен с входом управляющей платы, включающей последовательно соединенные фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство и цифро-аналоговый преобразователь, выход управляющей платы соединен с электродами интегрально-оптической схемы, которая представляет собой модулятор двулучепреломления, включающий двулучепреломляющий волновод, двулучепреломляющий Y-ответвитель расположен между интегрально-оптической схемой и волоконно-оптическим контуром, второй порт X-ответвителя оптически соединен с первым портом первого линейного поляризатора, второй порт первого линейного поляризатора оптически соединен с первым портом интегрально-оптической схемы, причем ось пропускания первого линейного поляризатора сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волновода интегрально-оптический схемы, второй порт интегрально-оптической схемы оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с первым портом двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт которого оптически соединен с первым портом второго поляризатора, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт второго линейного поляризатора оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром, а третий порт волоконного двулучепреломляющего Y-ответвителя оптически соединен с первым портом третьего линейного поляризатора, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя, второй порт третьего линейного поляризатора оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром. In an interferometric fiber-optic gyroscope containing an optically coupled source of broadband optical radiation, an X-coupler, an integrated optical circuit, a birefringent Y-coupler, and a fiber-optic circuit made of a birefringent optical fiber, while the integrated-optical circuit is built on an electro-optical crystal, inside which a waveguide is formed, and on the surface of the electro-optical crystal, forming a modulator, two electrodes located on both sides of the waveguide are attached, connected to the control output of the control board, a broadband optical radiation source is optically connected to the first port of the X-coupler, the third port X - the coupler is optically terminated, fourth port of X-coupler is connected to the input of the control board, which includes a series-connected photodetector, an analog-to-digital converter, a calculating-analyzing device and a digital-to-analog converter, the output of the control board is connected to the electrodes of an integrated optical circuit, which is a birefringence modulator including a birefringent waveguide, birefringent Y- the coupler is located between the integrated-optical circuit and the fiber-optic circuit, the second port of the X-coupler is optically connected to the first port of the first linear polarizer, the second port of the first linear polarizer is optically connected to the first port of the integrated optical circuit, and the transmission axis of the first linear polarizer is oriented to angle of 45 ° relative to the birefringence axis of the waveguide integrated-optical circuit, the second port of the integrated optical circuit is optically connected with the birefringence axes to the first port of the birefringent Y-coupler, the second port of which is optically connected to the first port of the second polarizer, the transmission axis of which coincides with the slow axis of the birefringence of the birefringent Y-coupler, the second port of the second optical linear polarizer connected with the alignment of the birefringent axes with a fiber-optic circuit, and the third port of the fiber birefringent Y-coupler is optically connected to the first port of the third linear polarizer, the transmission axis of which coincides with the fast axis of the birefringent Y-coupler, the second port of the third linear polarizer is optically connected to the alignment of the axis birefringence with fiber optic circuit.
При наличии флуктуаций оптической мощности источника для их компенсации целесообразно присоединить к третьему порту X-ответвителя дополнительный фотоприемник. Для этого необходимо, чтобы излучение источника оптического излучения было линейно поляризовано, а X-ответвитель был двулучепреломляющим. При этом, ось двулучепреломления первого порта X-ответвителя и ось пропускания первого линейного поляризатора должны быть согласованы с поляризацией излучения источника. In the presence of fluctuations in the optical power of the source to compensate for them, it is advisable to connect an additional photodetector to the third port of the X-coupler. For this, it is necessary that the radiation of the optical radiation source is linearly polarized, and the X-coupler is birefringent. In this case, the birefringence axis of the first port of the X-coupler and the transmission axis of the first linear polarizer must be matched with the polarization of the source radiation.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Излучение источника широкополосного оптического излучения, пройдя через Х-ответвитель и первый поляризатор, распространяется только по одной оси двулучепреломления волокна. Для фазовой модуляции в данном случае важно наличие двух волн, поскольку нужно зафиксировать набег фаз между ними. Перераспределить излучение по двум волнам так, чтобы они распространялись по одному волокну без взаимодействия и имели разные электрооптические коэффициенты в электрооптическом кристалле интегрально-оптической схемы, можно, разведя излучение по разным осям двулучепреломления (поляризационным модам). Для этого в заявляемом устройстве ось пропускания первого линейного поляризатора сориентирована под 45° относительно осей двулучепреломления двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы. The essence of the claimed invention is illustrated as follows. The radiation from the broadband optical radiation source, having passed through the X-coupler and the first polarizer, propagates only along one axis of the fiber birefringence. For phase modulation, in this case, the presence of two waves is important, since it is necessary to fix the phase incursion between them. It is possible to redistribute the radiation along two waves so that they propagate along one fiber without interaction and have different electro-optical coefficients in the electro-optical crystal of the integrated optical circuit, by separating the radiation along different birefringence axes (polarization modes). For this, in the claimed device, the transmission axis of the first linear polarizer is oriented at 45 ° relative to the birefringence axes of the birefringent waveguide of the integrated optical circuit.
В интегрально-оптической схеме две волны распространяются по одному волноводу, то есть не разнесены в пространстве, а значит, неравномерное распределение заряда, вызванное пьезоэлектрическим и пироэлектрическим эффектами, влияет на фазу каждой из волн практически одинаково, то есть набег фаз за счет данных эффектов мал и пропорционален разности электрооптических коэффициентов, а не случаен. Также в интегрально-оптической схеме, благодаря приложенному напряжению волны приобретают модулирующий набег фаз, пропорциональный разнице электрооптических коэффициентов в кристалле по направлениям, вдоль которых поляризованы волны. Далее эти волны нужно разделить для встречного прохождения по волоконно-оптическому контуру, сохранив каждую из них.In an integrated optical circuit, two waves propagate along one waveguide, that is, they are not separated in space, which means that the uneven charge distribution caused by the piezoelectric and pyroelectric effects affects the phase of each of the waves in almost the same way, that is, the phase incursion due to these effects is small and is proportional to the difference in electro-optical coefficients, and not random. Also in the integrated-optical circuit, due to the applied voltage, the waves acquire a modulating phase incursion proportional to the difference in the electro-optical coefficients in the crystal along the directions along which the waves are polarized. Further, these waves must be separated for the oncoming passage along the fiber-optic circuit, keeping each of them.
Поскольку в интегрально-оптической схеме используется двулучепреломляющий волновод, для разделения волн используется двулучепреломляющий Y-ответвитель. Он делит излучение в каждой оси двулучепреломления по интенсивности в соотношении порядка 50/50, сохраняя в каждом из выходных портов обе поляризационные моды. Since the integrated optical circuit uses a birefringent waveguide, a birefringent Y-coupler is used to separate the waves. It divides the radiation in each birefringence axis in intensity in a ratio of the order of 50/50, keeping both polarization modes in each of the output ports.
Для выделения волны, распространяющейся по медленной оси двулучепреломления Y-ответвителя (на фиг.1 данная волна распространяется по волоконно-оптическому контуру по часовой стрелке), используется второй линейный поляризатор, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления Y-ответвителя и волоконно-оптического контура. Для выделения поляризационной моды, распространяющейся по быстрой оси двулучепреломления Y-ответвителя (на фиг.1 данная волна распространяется по волоконно-оптическому контуру против часовой стрелки), используется третий линейный поляризатор, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломления Y-ответвителя и с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура. Таким образом, волна, распространявшаяся по быстрой оси двулучепреломления Y-ответвителя, переходит в медленную ось двулучепреломления волоконно-оптического контура. To select a wave propagating along the slow axis of birefringence of the Y-coupler (in Fig. 1, this wave propagates along the fiber-optic circuit clockwise), a second linear polarizer is used, the transmission axis of which coincides with the slow axis of birefringence of the Y-coupler and the fiber-optic contour. To select the polarization mode propagating along the fast axis of the birefringence of the Y-coupler (in Fig. 1, this wave propagates along the fiber-optic counterclockwise), a third linear polarizer is used, the transmission axis of which coincides with the fast birefringence axis of the Y-coupler and with the slow birefringence axis of the fiber-optic circuit. Thus, the wave propagating along the fast axis of the birefringence of the Y-coupler transforms into the slow axis of the birefringence of the fiber-optic circuit.
Совмещение оси пропускания третьего линейного поляризатора с быстрой осью двулучепреломления Y-ответвителя и с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура также понадобится для изменения поляризационной моды волны, распространявшейся по волоконно-оптическому контуру по часовой стрелке, на ортогональную ей. Тогда эта волна и волна, распространявшаяся по волоконно-оптическому контуру против часовой стрелки и прошедшая через поляризатор без изменений, после выхода из двулучепреломляющего ответвителя будут распространяться по одному волокну, но в ортогональных осях двулучепреломления, не интерферируя. The alignment of the transmission axis of the third linear polarizer with the fast axis of birefringence of the Y-coupler and with the slow axis of birefringence of the fiber-optic circuit will also be required to change the polarization mode of the wave propagating along the fiber-optic circuit clockwise to orthogonal to it. Then this wave and the wave propagating along the fiber-optic circuit counterclockwise and passing through the polarizer without changes, after exiting the birefringent coupler, will propagate along one fiber, but in the orthogonal birefringence axes, without interfering.
При обратном прохождении излучения через интегрально-оптическую схему, модулирующий набег фаз удваивается, а связанный с разницей в скоростях распространения набег фаз компенсируется. На выходе из интегрально-оптической схемы, благодаря соединению волновода и первого линейного поляризатора, оси двулучепреломления и пропускания которых сориентированы под углом 45°, происходит перераспределение излучения по поляризационным модам, в частности, по 50% излучения от каждой поляризационной моды теперь распространяются по каждой оси двулучепреломления волокна. Поляризатор пропускает излучения только по согласованной оси двулучепреломления, происходит интерференция. When the radiation passes back through the integrated optical circuit, the modulating phase incursion is doubled, and the phase incursion associated with the difference in propagation velocities is compensated. At the exit from the integrated optical circuit, due to the connection of the waveguide and the first linear polarizer, the birefringence and transmission axes of which are oriented at an angle of 45 °, the radiation is redistributed along the polarization modes, in particular, 50% of the radiation from each polarization mode now propagates along each axis fiber birefringence. The polarizer transmits radiation only along the agreed birefringence axis, interference occurs.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2), где на фиг.1 представлена схема заявляемого волоконно-оптического гироскопа, а на фиг.2 - схема интегрально-оптической схемы соответственно.The essence of the claimed invention is illustrated by drawings (Fig. 1, Fig. 2 ) , where Fig. 1 shows a diagram of the inventive fiber-optic gyroscope, and Fig. 2 - a diagram of an integrated-optical circuit, respectively.
Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения 1, X-ответвитель 2, интегрально-оптическую схему 3, двулучепреломляющий Y-ответвитель 4, а также волоконно-оптический контур 5 из двулучепреломляющего оптического волокна, при этом, интегрально-оптическая схема 3 построена на электрооптическом кристалле 6, внутри которого сформирован двулучепреломляющий волновод 7, а также модулятор, сформированный с помощью электродов 8, закрепленных на поверхности интегрально-оптической схемы 3 по обеим сторонам от волновода 7, широкополосный источник оптического излучения 1 оптически соединен с первым портом X-ответвителя 2, третий порт X-ответвителя оптически затерминирован, четвертый порт X-ответвителя 2 соединен с входом управляющей платы 9, включающей последовательно соединенные фотоприемник 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетно-анализирующее устройство 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13, выход управляющей платы 9 соединен с электродами 8 интегрально-оптической схемы 3, которая представляет собой модулятор двулучепреломления, (включающий двулучепреломляющий волновод 7), а двулучепреломляющий Y-ответвитель 4 расположен между интегрально-оптической схемой 3 и волоконно-оптическим контуром 5, второй порт X-ответвителя 2 оптически соединен с первым портом первого линейного поляризатора 14, , второй порт первого линейного поляризатора 14 оптически соединен с первым портом интегрально-оптической схемы 3, причем ось пропускания первого линейного поляризатора 14 сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптический схемы 3, второй порт интегрально-оптической схемы 3 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с первым портом двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт которого оптически соединен с первым портом второго поляризатора 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт второго линейного поляризатора 15 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром 5, а третий порт волоконного двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 оптически соединен с первым портом третьего линейного поляризатора 16, ось пропускания которого совпадает с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, второй порт третьего линейного поляризатора 16 оптически соединен с выставлением осей двулучепреломления с волоконно-оптическим контуром 5. An interferometric fiber-optic gyroscope containing an optically coupled source of broadband
Устройство работает следующим образом. Из широкополосного источника 1 оптическое излучение попадает в первый порт X-ответвителя 2, где делится по интенсивности и уходит в оптический терминатор. Излучение, выходящее из второго порта X-ответвителя 2, проходит через линейный поляризатор 14, ось пропускания которого сориентирована под углом 45° относительно оси двулучепреломления волновода. Поскольку ось пропускания первого линейного поляризатора 14 сориентирована под 45° относительно оси двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптической схемы 3, излучение в интегрально-оптической схеме 3 распространяется как по медленной, так и по быстрой оси двулучепреломляющего волновода 7. The device works as follows. From the
Далее излучение заходит в первый порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4. Там излучение делится по интенсивности. Часть излучения выходит из второго порта и проходит через второй линейный поляризатор 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя. Поскольку линейный поляризатор 15 оптически соединен с волоконно-оптическим контуром 5 с выставлением осей двулучепреломления, линейно поляризованное излучение попадает в волоконно-оптический контур 5 и распространяется по часовой стрелке.Further, the radiation enters the first port of the birefringent Y-
Часть излучения, выходящая из третьего порта двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, проходит через третий линейный поляризатор 16. Поскольку, ось пропускания линейного поляризатора 16 совпадает с быстрой осью двулучепреломления двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 и с медленной осью волоконно-оптического контура 5, волны меняют свою ориентацию на ортогональную, а излучение, распространявшееся в Y-ответвителе 4 по медленной оси, отсекается линейным поляризатором 16. Таким образом, излучение, распространявшееся по быстрой оси в Y-ответвителе 4 и вышедшее через третий порт этого Y-ответвителя, распространяется в волоконно-оптическом контуре 5 по медленной оси против часовой стрелки. Part of the radiation leaving the third port of the birefringent Y-
Выходящие из волоконно-оптического контура 5 волны приобретают набег фаз, пропорциональный угловой скорости вращения волоконно-оптического контура. Waves emerging from the fiber-
Излучение, распространявшееся против часовой стрелки, выходит из волоконно-оптического контура 5 и проходит через линейный поляризатор 15, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура 5 и двулучепреломляющего Y-ответвителя 4, без изменений и входит во второй порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4.Radiation propagating counterclockwise leaves the fiber
Излучение, распространявшееся по часовой стрелке, выходит из волоконно-оптического контура 5 и проходит через линейный поляризатор 16, ось пропускания которого совпадает с медленной осью двулучепреломления волоконно-оптического контура 5 и с быстрой осью Y-ответвителя 4. Излучение поворачивается из медленной оси в быструю и проходит в третий порт двулучепреломляющего Y-ответвителя 4. The radiation propagating clockwise leaves the fiber-
Из первого порта двулучепреломляющего Y-ответвителя 4 излучение, распространяющееся по быстрой и по медленной осям, попадает в двулучепреломляющий волновод интегрально-оптической схемы 3. На электродах 8 устанавливается такое же по величине, но обратное по знаку напряжение. Теперь, проходя через интегрально-оптическую схему 3, набег фазы между волнами, которые распространяется по быстрой и медленной оси двулучепреломляющего волновода, связанный с разными электромагнитными коэффициентами удваивается, а набег фазы, связанный с разницей скоростей распространения по быстрой и по медленной осям в модуляторе двулучепреломления и в первом, втором и третьем портах Y-ответвителя 4, компенсируется. From the first port of the birefringent Y-
После интегрально-оптической схемы 3 излучение проходит через первый линейный поляризатор 14. Поскольку ось пропускания этого поляризатора сориентирована под 45° относительно осей двулучепреломления волновода 7 интегрально-оптической схемы 3, часть излучения, распространявшегося по быстрой оси двулучепреломления волновода и часть излучения, распространявшегося по медленной оси волновода, соединяются в одной оси пропускания линейного поляризатора 14 и интерферируют. After the integrated
Линейно-поляризованное излучение подходит ко второму порту X-ответвителя 2, и через четвертый порт направляется на вход управляющей платы 9, где попадает в фотоприемник 10.Linearly polarized radiation approaches the second port of the X-coupler 2, and through the fourth port is directed to the input of the
После фотоприемника 10 электрический сигнал, пропорциональный пришедшей на него оптической мощности, попадает в аналого-цифровой преобразователь 11, где сигнал преобразуется в цифровую форму. Далее сигнал попадает в счетно-анализирующее устройство 12, где рассчитывается набег фаз, приобретенный за прошедшую итерацию. Через цифро-аналоговый преобразователь 13 часть электрического сигнала направляется на выход управляющей платы 9 и подается на электроды 8 интегрально-оптической схемы 3, формируя обратную связь. Модулирующий набег фаз пересчитывается с учетом измеренных данных, выставляя в нужное положение рабочую точку интерференционной передаточной характеристики интерферометра Саньяка. Данные от каждой итерации учитываются в последующем анализе. After the
В качестве конкретного примера выполнения в качестве широкополосного источника 1 использован эрбиевый суперлюминесцентный источник оптического излучения. As a specific example of implementation, an erbium superluminescent source of optical radiation is used as a
В качестве X-ответвителя был использован сплавной X-ответвитель с центральной длиной волны 1550±20нм. As an X-coupler, a floatable X-coupler with a central wavelength of 1550 ± 20nm.
Интегрально-оптическая схема, которая выполняет функцию модулятора двулучепреломления и включает двулучепреломляющий волновод, сформированный методом диффузии титана в пластине из электрооптического кристалла ниобата лития, и размещенные на ней два металлических электрода, расположенных с двух сторон от волновода и соединенных с управляющей платой, включающей фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, счетно-анализирующее устройство и цифро-аналоговый преобразователь. An integrated optical circuit that acts as a birefringence modulator and includes a birefringent waveguide formed by the diffusion of titanium in a plate made of an electro-optical lithium niobate crystal, and placed on it two metal electrodes located on both sides of the waveguide and connected to a control board that includes a photodetector, analog-to-digital converter, calculating-analyzing device and digital-to-analog converter.
В качестве фотоприемника был использован фотодиодный модуль PDI-80-R50-H-5-SM3-FA фирмы «LasersCom». A PDI-80-R50-H-5-SM3-FA photodiode module from LasersCom was used as a photodetector.
Был использован аналого-цифровой преобразователь AD7986 фирмы «ANALOG DEVICES».An analog-to-digital converter AD7986 from ANALOG DEVICES was used.
В качестве счетно-анализирующего устройства был использован вычислитель Cyclone IV Device фирмы «ALTERA».A Cyclone IV Device (ALTERA) was used as a calculating and analyzing device.
Был использован цифро-аналоговый преобразователь AD5791 фирмы «ANALOG DEVICES».A digital-to-analog converter AD5791 from ANALOG DEVICES was used.
Был использован сплавной Y-ответвитель с центральной длиной волны 1550±20нм, типом волокна «Panda» и с коэффициентом деления для медленной оси 0,49, а для быстрой оси 0,32. A floating Y-coupler with a center wavelength of 1550 ± 20nm, a Panda fiber type and a division ratio for the slow axis of 0.49 and for the fast axis of 0.32 was used.
Поляризаторы 14, 15 и 16 характеризуются волновым диапазоном 1550±30нм, максимальными вносимыми потерями 0.50дБ, минимальными обратными потерями 50дБ, согласованием с медленной осью двулучепреломления, размерами 50×3мм, двулучепреломляющим волокном с защитной оболочкой 900мкм и длиной 1м, максимальной оптической мощностью 500мВт, максимальной растягивающей нагрузкой 5Н, рабочим диапазоном температуры -5÷70°С и диапазоном температуры хранения -40÷85°С.
Между источником и первым линейным поляризатором, а также между X-ответвителем и фотоприемником для соединения используется изотропное волокно, в волоконно-оптическом контуре используется двулучепреломляющее волокно с эллиптической напрягающей оболочкой, а в остальных соединениях используется двулучепреломляющее волокно типа «Panda». Isotropic fiber is used between the source and the first linear polarizer, as well as between the X coupler and the photodetector, an elliptical stress-clad birefringent fiber is used in the fiber optic circuit, and Panda-type birefringent fiber is used in the rest of the connections.
Ориентация оси пропускания первого поляризатора, относительно осей двулучепреломления двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы под 45° реализована с помощью стыковки двулучепреломляющего волокна первого поляризатора и двулучепреломляющего волновода интегрально-оптической схемы с ориентацией осей двулучепреломления под 45°. Совмещение оси пропускания третьего линейного поляризатора с быстрой осью двулучепреломляющего Y-ответвителя и с медленной осью волоконно-оптического контура, реализовано с помощью сварного соединения волокон между Y-ответвителем и третьим линейным поляризатором с ориентацией под 90°. The orientation of the transmission axis of the first polarizer relative to the birefringence axes of the birefringent waveguide of the integrated optical circuit at 45 ° is realized by joining the birefringent fiber of the first polarizer and the birefringent waveguide of the integrated optical circuit with the orientation of the birefringence axes at 45 °. The alignment of the transmission axis of the third linear polarizer with the fast axis of the birefringent Y-coupler and with the slow axis of the fiber-optic circuit is realized by splicing the fibers between the Y-coupler and the third linear polarizer with an orientation at 90 °.
Таким образом, заявляемое конструктивное решение, использующее модулятор двулучепреломления, обеспечивает распространение модулируемого излучения в двух осях двулучепреломления одного волновода, что обеспечивает снижение паразитных изменений фазы, вызванных неравномерным распределением зарядов по поверхности двулучепреломляющего кристалла, что уменьшает влияние пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, паразитное изменение фазовой модуляции, а значит, и ошибку в сигнале волоконно-оптического гироскопа, вызванную данным изменением, это обеспечивает повышение точности измерения угловой скорости вращения. Thus, the claimed constructive solution using a birefringent modulator ensures the propagation of modulated radiation in two axes of birefringence of one waveguide, which reduces parasitic phase changes caused by uneven distribution of charges over the surface of the birefringent crystal, which reduces the influence of piezoelectric and pyroelectric effects, parasitic change in phase , and hence the error in the signal of the fiber-optic gyroscope caused by this change, this provides an increase in the accuracy of measuring the angular velocity of rotation.
Кроме того, интегрально-оптическая схема заявляемого гироскопа требует только двух оптических соединений – одно через порт 1 с портом 2 первого поляризатора и одно через порт 2 с портом 1 Y-ответвителя, что обеспечивает упрощение сборки волоконно-оптического гироскопа. In addition, the integrated optical circuit of the inventive gyroscope requires only two optical connections - one through
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109627A RU2762530C1 (en) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | Interferometric fiber-optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109627A RU2762530C1 (en) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | Interferometric fiber-optic gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2762530C1 true RU2762530C1 (en) | 2021-12-21 |
Family
ID=80039215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021109627A RU2762530C1 (en) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | Interferometric fiber-optic gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2762530C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117606461A (en) * | 2024-01-24 | 2024-02-27 | 广东奥斯诺工业有限公司 | Double-ring differential ultra-high rotation speed photon chip optical fiber gyro |
| CN117606461B (en) * | 2024-01-24 | 2024-04-19 | 广东奥斯诺工业有限公司 | Double-ring differential ultra-high rotation speed photon chip optical fiber gyro |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05306939A (en) * | 1992-05-01 | 1993-11-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Optical fiber gyro |
| JP5306939B2 (en) * | 2009-08-07 | 2013-10-02 | 澄男 大河 | Structure for moving aperture in membrane member |
| US20150345950A1 (en) * | 2013-01-10 | 2015-12-03 | Xiaotian Steve Yao | Non-interferometric optical gyroscope based on polarization sensing |
| RU2589450C1 (en) * | 2015-06-05 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fibre-optic gyroscope |
-
2021
- 2021-04-07 RU RU2021109627A patent/RU2762530C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05306939A (en) * | 1992-05-01 | 1993-11-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Optical fiber gyro |
| JP5306939B2 (en) * | 2009-08-07 | 2013-10-02 | 澄男 大河 | Structure for moving aperture in membrane member |
| US20150345950A1 (en) * | 2013-01-10 | 2015-12-03 | Xiaotian Steve Yao | Non-interferometric optical gyroscope based on polarization sensing |
| RU2589450C1 (en) * | 2015-06-05 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fibre-optic gyroscope |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Lefevre H. C. et al., Integrated optics: A practical solution for the fiber-optic gyroscope, Fiber Optic Gyros: 10th Anniversary Conf. - International Society for Optics and Photonics, 11.03.1987, т. 719, с. 101-112. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117606461A (en) * | 2024-01-24 | 2024-02-27 | 广东奥斯诺工业有限公司 | Double-ring differential ultra-high rotation speed photon chip optical fiber gyro |
| CN117606461B (en) * | 2024-01-24 | 2024-04-19 | 广东奥斯诺工业有限公司 | Double-ring differential ultra-high rotation speed photon chip optical fiber gyro |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7746476B2 (en) | Fiber optic gyroscope | |
| US11293757B2 (en) | Non-interferometric optical gyroscope based on polarization sensing and implementations of closed loop control allowing for slow phase modulation | |
| Bergh et al. | An overview of fiber-optic gyroscopes | |
| US4420258A (en) | Dual input gyroscope | |
| EP0749564B1 (en) | Reduction of resonator fiber optic gyroscope kerr effect error | |
| JP2022504196A (en) | Compact fiber optic Sagnac interferometer | |
| CN105137147B (en) | Optical voltage measuring device | |
| US5223911A (en) | Single-polarization, integrated optical components for optical gyroscopes | |
| CA2071882C (en) | Optical interferometric gyro having reduced light to the light source | |
| Porte et al. | An LiNbO/sub 3/integrated coherence modulator | |
| EP0078931B1 (en) | Angular rate sensor | |
| JP2017015576A (en) | Sagnac interference type optical current sensor and method for processing signal of the same | |
| Toda et al. | Integrated-optic heterodyne interferometer for displacement measurement | |
| RU2762530C1 (en) | Interferometric fiber-optic gyroscope | |
| EP0092831A2 (en) | Optical fiber gyro | |
| JPH0447214A (en) | Optical fiber gyroscope | |
| EP0416070B1 (en) | Single-polarization, integrated optical components for optical gyroscopes | |
| RU2160885C1 (en) | Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope | |
| JPH0354283B2 (en) | ||
| JPS59166873A (en) | Optical applied voltage and electric field sensor | |
| RU2539130C1 (en) | Fibre-optic device for measurement of electric field intensity | |
| Minford et al. | Fiber optic gyroscope using an eight-component LiNbO3 integrated optic circuit | |
| RU2117252C1 (en) | Device measuring total vector of angular velocity of moving object | |
| EP3772654A1 (en) | Optical voltage sensing device | |
| JPS622121A (en) | Optical fiber gyroscope |