Основы технологии создания интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с интегрально-оптическим модулятором двулучепреломления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кубланова Ида Леонидовна

• Кубланова Ида Леонидовна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Кубланова Ида Леонидовна

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Физические основы работы интерферометра Саньяка

1.2. Волоконно-оптический гироскоп

1.3. Оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с закрытой петлей обратной связи

1.4. Свойства и характеристики фазовых модуляторов на основе кристалла LiNbO3

1.5. Влияние характеристик многофункциональной интегрально-оптической схемы на показания интерферометрического волоконно-оптического гироскопа

1.6. Выбор направления исследования

Выводы по главе

Глава 2. Волоконно-оптический гироскоп с модулятором двулучепре-

ломления

2.1. Теоретическое обоснование предложенной оптической схемы

2.2. Этапы создания волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломления

2.3. Результаты испытаний работоспособности волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломления

2.4. Исследование влияния модулятора двулучепреломления на показания волоконно-оптического гироскопа в условиях изменения температуры

Выводы по главе

Глава 3. Исследование влияния конструкции разветвителя на показания волоконно-оптического гироскопа

3.1. Теоретическое обоснование предложенной оптической схемы

3.2. Практическая апробация

3.3. Результаты измерений после замены разветвителя

Выводы по главе

Глава 4. Исследование влияния сварных соединений в волоконно-оптическом контуре на показания волоконно-оптического гироскопа

4.1. Теоретическое обоснование предложенной оптической схемы

4.2. Практическая апробация

4.3. Результаты измерений после минимизации количества сварных соединений в волоконно-оптическом контуре

Выводы по главе

Глава 5. Исследование влияния характеристик соединения с ориентацией осей двулучепреломления 45° на показания волоконно-оптического гироскопа

5.1. Теоретическое обоснование предложенной оптической схемы

5.2. Практическая апробация

5.3. Результаты измерений после увеличения длины оптического волокна между вторым поляризатором и модулятором двулучепреломления

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Патент на изобретение

Приложение Б. Тексты публикаций по теме диссертации

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы технологии создания интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с интегрально-оптическим модулятором двулучепреломления»

Актуальность

Современное развитие фотоники связано с возрастающим интересом к сенсорным системам, которые должны обеспечивать высокую чувствительность измерений, а также стабильность и устойчивость сигнала к внешним воздействиям. Среди систем такого рода особое значение имеют интер-ферометрические волоконно-оптические гироскопы (ИВОГ), принцип работы которых основан на эффекте Саньяка. Эти устройства применяются в авиационных, морских, космических и промышленных навигационных и гиростабилизационных комплексах. Их точностные характеристики определяются в первую очередь качеством фазовой модуляции встречных оптических волн. В традиционных структурных схемах ИВОГ используются два фазовых модулятора, интегрированные в многофункциональную оптическую схему (МИОС) на основе ниобата лития. Однако такая модуляция подвержена искажениям вследствие пиро- и пьезоэлектрических эффектов и требует оптимизации.

Одним из перспективных решений является применение модулятора двулучепреломления, который позволяет реализовать фазовую модуляцию в едином волноводе. Такая структурная схема нивелирует некомпенсируе-мый паразитный сдвиг фаз и обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от температуры окружающей среды, что повышает метрологическую устойчивость прибора. Актуальность данной задачи определяется необходимостью снижения погрешности измерений ИВОГ при эксплуатации в условиях измененяющегося состояния окружающей среды и без использования сложного термостатирования.

Помимо интегральной оптики, существенное влияние на точность ИВОГ оказывают конструктивные факторы оптоволоконной части. К числу наиболее значимых относятся температурная нестабильность коэффициента деления и обратные отражения в волоконном разветвителе, формирование паразитных интерферометров Майкельсона на основе сварных соединений, а также возбуждение неконтролируемых поляризационных компонент при сопряжении двулучепреломляющего волокна с волноводом моду-

лятора двулучепреломления. Эти явления создают нелинейные искажения температурного отклика и ограничивают метрологические возможности прибора. Следовательно, устранение данных факторов является обязательным условием для внедрения ИВОГ с модулятором двулучепреломления (ВОГ-МДЛП) в практику.

С инженерной точки зрения ВОГ-МДЛП представляет собой перспективную платформу для гибридных интегрально-волоконных схем, в которых каналный PLC-разветвитель на Si02 совмещён с модулятором двулучепреломления на основе кристалла LiNbO^. Такая конструкция совместима с широкополосными источниками SLD, обеспечивает сокращение числа соединительных узлов, минимизацию паразитных отражений и высокую устойчивость к внешним воздействиям. При этом сохраняется функциональная эквивалентность традиционной интегральной схемы с двумя модуляторами. Уже на уровне экспериментального образца с источником оптического излучения с шириной спектра 24,8 им по уровню - 3 дБ, тремя поляризаторами и гибридной интегрально-оптической схемой, включающей модулятор двулучепреломления и PLC, демонстрируются характеристики среднего класса точности без термостатирования, что подтверждает практическую реализуемость подхода.

Результаты систематических климатических испытаний показывают, что до введения аппаратной компенсации температурная зависимость ВОГ-МДЛП проявляется в виде нелинейных пиков, ограничивающих метрологическую точность. Тем не менее в условиях стабильной температуры окружающей среды уже фиксируется дрейф порядка 0,1 °/ч и вращение Земли, что подтверждает принципиальную работоспособность схемы. Это подчёркивает необходимость дальнейшего поиска конструктивных решений, направленных на устранение паразитной интерференции и нелинейных температурных эффектов. Здесь и даелее под дрейфом будем понимать возникновение фазовой невзаимности, индуцированной внешними нестационарными механическим и/или температурным воздействиями на оптический контур ИВОГ.

Одним из предложенных в работе решений является аппаратная линеаризация температурного отклика за счёт введения дополнительного участка двулучепреломляющего волокна между поляризатором и модулятором

двулучепреломления. Согласно расчётам, выполненным с учётом длины де-когереитиости и деполяризации, такая мера подавляет возможную интерференцию паразитных компонент излучения. Экспериментальные данные подтверждают эффективность подхода: среднеквадратическое отклонение снижается с 0,055 до 0,023 °/ч (усреднение 900 с), а дрейф уменьшается с 0,33 до 0,13 °/ч в диапазоне от 16 до 36 °С. При стабильной температуре помещения (±0,5 °С) значения ещё ниже: СКО уменьшается с 0,010 до °°

ют достижимость метрологической стабильности без термостатирования и подтверждают практическую значимость выбранной структурной схемы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке технологии создания датчика угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа с обратной связью и использующего для фазовой модуляции встречно распространяющихся в оптическом контуре электромагнитных волн интегрально-оптический модулятор двулучепреломления для уменьшения влияния температуры на результаты измерений и расширения диапазона рабочих температур волоконно-оптических гироскопов.

Для реализации поставленной цели в рамках диссертационного исследования были определены и решены следующие задачи:

• изучение принципов и особенностей работы волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломления (ВОГ-МДЛП);

ратурную зависимость ВОГ-МДЛП.

Научная новизна диссертационного исследования отражена в следующих пунктах:

ферометрического волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с модулятором двулучепреломления, позволяющая повысить чувствительность устройства за счёт подавления паразитных оптических эффектов;

• впервые проведён комплексный анализ влияния характеристик модулятора двулучепреломления на фазовый сдвиг и амплитуду интерференционного сигнала в системе с замкнутым контуром обратной связи;

•

структивных элементов — в частности, сварных соединений и оптического разветвителя — на параметры фазовой чувствительности ВОГ, что позволило установить участки сигнала, имеющие нелинейный отклик на изменение температуры, и пути минимизации этого отклика;

бильности и неоднородности характеристик модулятора, повышающий устойчивость к внешним воздействующим факторам;

•

двулучепреломления иод углом 45°, как способа повышения стабильности интерференционного отклика гироскопа с модулятором двулучепреломления.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в возможности снижения влияния температурных флуктуаций на погрешность измерения угловой скорости с использованием волоконно-оптического гироскопа. Реализация может способствовать повышению надёжности и устойчивости навигационных и гиростабилизационных систем в условиях внешних воздействий. Предлагаемая структурная схема с модулятором на основе двулучепреломлякжцего волновода, ранее применявшаяся преимущественно в волоконно-оптических датчиках других физических величин (например, в датчиках тока), до настоящего времени не находила применения в схемах ВОГ, что подчёркивает новизну и перспективность рассматриваемого подхода.

Положения, выносимые на защиту:

П.1 Технология волоконно-оптического гироскопа с замкнутой обратной связью, с использованием модулятора двулучепреломления, представляющего собой канальный волновод, выполненный по технологии диффузии титана в электрооптическом кристалле ^'N£03, функционально эквива-

и

лентный ранее использовавшейся группе элементов в составе многофункциональной интегрально-оптической схемы, содержащей ответвитель и два фазовых модулятора, обеспечивает возможность регулирования величины разности фаз между двумя встречно распространяющимися в волоконно-оптическом контуре цугами электромагнитных волн оптического диапазона в интервале [0, 2п], у которого измеренная угловая скорость вращения зависит от температуры, а не от скорости изменения температуры.

П.2 Технология создания волоконно-оптического гироскопа с замкнутой обратной связью, содержащего суперлюминесцентный источник оптического излучения с шириной спектра более 24,8 им по уровню -3 дБ и центральной длиной волны излучения 1,55 мкм, три волоконных поляризатора, волоконный ответвитель, волоконно-оптический контур на основе двулучепреломляющего оптического волокна длиной не менее 1500 м с применением гибридной интегрально-оптической схемы, состоящей из модулятора двулучепреломления, выполненного в кристалле и канального ответвителя, выполненного на основе 8102, обеспечивает измерение угловой скорости вращения со средней квадратичной погрешностью 0,059 °/ч на периоде наблюдения 100 с и дрейф сигнала не более 0,33°/ч при периодическом оценивании на временных интервалах по 900 с в течение 68 часов

°

°°

реализовать датчик угловой скорости вращения, советующий гироскопическим приборам среднего класса точности.

П.З Аппаратный метод компенсации нелинейной зависимости от температуры значения угловой скорости вращения, измеряемой с помощью волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломления и замкнутой обратной связью, заключающийся в создании дополнительной временной задержки между цугами электромагнитных волн оптического диапазона ортогональных поляризаций, полученной при их прохождении отрезка двулучепреломляющего световода длиной более 11,1 м и с длиной биений не более 3,5 мм, расположенного между поляризатором и модулятором двулучепреломления, обеспечивает линейную зависимость сигнала волоконно-оптического гироскопа от изменения температуры окружающей среды, при уменьшении средней квадратичной погрешности измерения на

°

°

°

ние угловой скорости вращения с точностями, соответствующими приборам навигационного класса точности без использования дополнительных термостатирующих устройств.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов диссертационного исследования подтверждена рядом факторов.

Во-первых, при построении теоретической модели использованы апробированные в научной литературе уравнения волоконно-оптической интерферометрии, учитывающие влияние фазовой модуляции в контурах с замкнутой обратной связью. Математические зависимости, описывающие фазовый сдвиг между встречными волнами, согласованы с физическими законами распространения излучения в двулучепреломляющих структурах и прошли верификацию с помощью аналитических и численных методов.

Во-вторых, проведённые измерения выполнены на сертифицированном оборудовании, с многократным воспроизведением, что подтверждает стабильность наблюдаемых эффектов.

В-третьих, полученные результаты сопоставлены с независимыми данными из литературы и нормативных источников, что дополнительно подтверждает их воспроизводимость и соответствие современному уровню знаний в области фотоники и гироскопии. Практическая апробация конструкции в условиях, приближённых к эксплуатационным, позволила зафиксировать стабильную работу гироскопа и подтвердить эффективность предложенной структурной схемы ИВОГ.

Методы исследования

Методологическая база исследования включает как теоретические, так и экспериментальные подходы. На начальном этапе выполнен теоретический анализ физических основ работы ИВОГ, особое внимание уделено изучению эффекта Саньяка-Лауэ. Особое внимание уделено фазовой модуляции и её влиянию на интерференционный сигнал.

На следующем этапе описана модель распространения оптического поля в катушке оптического волокна, учитывающая влияние двулучепре-

ломления, длины биений, ориентации осей и температурной нестабильности. Для численного моделирования использованы программные средства (в частности, МАТЬАВ), позволившие рассчитать амплитудно-фазовые характеристики сигнала при различных конфигурациях модулятора.

Экспериментальная часть включала сборку и настройку опытного образца ВОГ-МДЛП, проведение испытаний на влияние температуры окружающей среды, оценку дрейфа сигнала. Кроме того, выполнена оптимизация сварных соединений и разветвителя. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных подтвердило эффективность предложенной модели и целесообразность её использования для проектирования высокоточных гироскопов.

Личный вклад автора

Аспирант принимал участие в выполнении диссертационной работы по следующим направлениям:

• проведение теоретического анализа и расчёт параметров, обеспечивающих корректную работу интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломления;

•

боты, параметров модуляции и температурных профилей испытаний; ные испытания, измерение дрейфа;

тельных инструментов, интерпретация полученных результатов;

и соавторами публикаций, подготовка иллюстративного и текстового материала для научных работ.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

гг., г. Санкт-Петербург;

• Конгресс молодых ученых 2022 г., г. Санкт-Петербург;

(Intellectual Optical Sensorics) 2023 г., КНР, Харбин;

ским технологиям ХОЛОЭКСПО 2024 г., г. Казань;

Енисейская фотоника 2024 г., г. Красноярск.

Основные результаты диссертации изложены в 6 публикациях. Из них 2 в изданиях индексируемых в базе цитирования Scopus и/или Web of Science, 2 изданы в журналах, входящих в перечень ВАК, 1 РИД и 1 в ином издании.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 220 страниц. Библиографический список включает 98 наименований. Диссертация содержит 110 рисунка.

Основное содержание диссертации

Во введении диссертационной работы обоснована ее актуальность, связанная с необходимостью повышения чувствительности и устойчивости волоконно-оптических интерферометрических сенсоров, в частности гироскопов, за счёт оптимизации фазовой модуляции. Указано, что применение модуляторов двулучепреломления и коррекция фазовых искажений в конструкции гироскопа является перспективным направлением развития интегральной и волоконной фотоники.

Сформулирована цель исследования и определены основные задачи, включающие анализ параметров модулятора, исследование влияния конструктивных элементов на фазовую чувствительность и разработку технологии построения оптической системы.

Определены объект и предмет исследования: объектом выступает ин-терферометрический волоконно-оптический гироскоп, а предметом — про-

цессы фазовой модуляции и преобразования оптического сигнала в условиях реальных конструктивных ограничений.

Обозначены научная новизна, практическая значимость, методы исследования и положения, выносимые на защиту, что позволяет рассматривать работу как вклад в развитие технологии фазочувствительных волоконно-оптических сенсоров, соответствующей направлению специальности 2.2.7. "Фотоника".

Первая глава посвящена обзору научной литературы и технических решений, связанных с функционированием ИВОГ. Основная задача обзора заключалась в систематизации накопленных данных и выявлении нерешённых вопросов, касающихся способов фазовой модуляции в оптической схеме гироскопа.

В начале главы рассматриваются предпосылки появления ИВОГ как альтернативы механическим и оптоэлектронным гироскопам. Потребность в высокоточных сенсорах, не содержащих подвижных элементов, стимулировала развитие технологий, основанных на эффекте Оиньяки Лиуэ.

Далее приводится анализ физической основы работы ИВОГ. Подробно рассмотрен процесс распространения оптических волн в кольцевом интерферометре: фазовый сдвиг между встречными лучами возникает из-за различия времён пробега в вращающемся контуре. Показано, что эта величина пропорциональна угловой скорости и площади, охватываемой катушкой оптического волокна. Изложены математические соотношения, включая выражения для разности времён и фазового сдвига, что задаёт теоретический фундамент измерений угловой скорости.

Значительное внимание уделено классификации волоконно-оптических гироскопов. Рассмотрены три основных подхода: по способу регистрации сигнала (интерферометрические, резонансные, поляризационные), по режиму функционирования (открытая или замкнутая петля обратной связи) и по методу фазовой модуляции (интегрально-оптическая, эласто-опти-ческая). Центральное место занимает интерферометрический вариант, основанный на регистрации фазового сдвига Саньяка.

В отдельном разделе рассматривается структурная схема ИВОГ с петлёй обратной связи. Подчёркивается, что данный режим позволяет стабилизировать рабочую точку интерферометра, преобразовывать фазовую

информацию в электрический сигнал модуляции и тем самым расширять динамический диапазон. Эта постановка служит основой для сопоставления различных способов фазовой модуляции и выбора оптимальной элементной базы.

Особое внимание уделено электрооптическим модуляторам на основе кристалла ЫИЬОз. Сначала рассматривается традиционная топология, а также топология по схеме Махи Цен дери с одним или двумя модулируемыми плечами. Затем анализируется модулятор двулучепреломления, схема которого основана на поддержке двух ортогональных мод (ТЕ и ТМ) в одном волноводе. Под действием электрического поля показатели преломления изменяются пропорционально электрооптическим коэффициентам по соответствующим кристаллографическим осям, что приводит к управляемому изменению двулучепреломления. Обсуждаются варианты реализации на различных срезах кристалла, а также технологические факторы, влияющие на оптические потери.

В завершение проводится сравнительный анализ двух структурных схем: классической интегрально-оптической схемы с двумя модуляторами и схемы с модулятором двулучепреломления. Показано, что последний вариант позволяет снизить чувствительность к пиро- и пьезоэлектрическим эффектам, сохраняя необходимый диапазон управления фазой. Это обосновывает выбор модулятора двулучепреломления в качестве ключевого элемента исследуемой структурной схемы.

Заключительная часть главы посвящена систематизации основных источников погрешностей ИВОГ: неравномерности фазовой модуляции в двух плечах МИОС, возрастании погрешности при рассогласовании частоты переключения полярности модулятора и большого количества соединений материалов с разным показателем преломления, что приводит к рассогласованию апертур и возрастанию зашумлённости сигнала. На основании обзора формулируется проблематика дальнейшего исследования и обосновывается переход к разработке и экспериментальной проверке структурной схемы ВОГ-МДЛП, что определяет содержание последующих глав диссертации.

Далее сформулированы выводы по первой главе, в которых отмечается, что интерферометрические волоконно-оптические гироскопы, основан-

ыые на эффекте Саньяка-Лауэ, представляют собой высокоточные инерци-альные датчики, обладающие рядом конструктивных и функциональных преимуществ перед механическими гироскопами. Проведённый анализ показал актуальность использования интегрально-оптических модуляторов, в частности на основе ниобата лития, для повышения термостабилыюсти и чувствительности. Обоснована необходимость внедрения новых структурных схем фазовой модуляции, направленных на снижение паразитных эффектов, в том числе пироэлектрических. Сформулирована исследовательская задача по созданию ВОГ с модулятором двулучепреломления как альтернативы традиционной схеме с двумя фазовыми модуляторами.

Вторая глава диссертации посвящена методам создания экспериментального образца ВОГ-МДЛП. В ней представлены оригинальные инженерные решения, опирающиеся на принципы волоконно-оптических технологий, а также приведены результаты первичных испытаний, подтвердивших работоспособность прибора и выявивших направления для дальнейшей оптимизации.

В разделе 2.1 обоснован переход от классической интегралыю-опти-ческой схемы с двумя фазовыми модуляторами к конфигурации с единым модулятором двулучепреломления, реализованным в канальном волноводе на кристалле ЫИЬОз (рисунок ).

Рисунок 1 Оптическая схема ВОГ, описанная Э. Лефевром, и оптическая схема ВОГ с модулятором двулучепреломления [Р1,РЗ,Р5]

Показано, что фазовая модуляция формируется как разность фазовых сдвигов двух ортогонально поляризованных мод (ТЕ/ТМ) за счёт электрооптических коэффициентов пз и Г33. Данный подход снижает чувствительность к паразитным пиро- и пьезоэлектрическим эффектам и при этом сохраняет функциональную эквивалентность по управлению фазой. Приведён принцип работы ВОГ-МДЛП и описана последовательность прохождения излучения через поляризаторы, двулучепреломляющие ответвите ли и модулятор двулучепреломления при вводе в волновод с ориентацией осей под углом 45°.

Раздел 2.2 посвящён поэтапной сборке оптической схемы. Для минимизации паразитных поляризационных преобразований критические соединения выполнялись под контролем сканирующего интерферометра Май-кельсона, что позволило по видности картины интерференции выставлять требуемые ориентации осей (0°, 90° 45°). Для повышения эффективности сканирования использовалась линия задержки. Соединения волокна

с волноводом модулятора двулучепреломления выполнялись в два этапа:

новки, поскольку различие потерь по главным осям кристалла LiNbO^ затрудняло прямую настройку по максимуму видности картины интерференции. Для сварного соединения волокон применялся аппарат Fujikura ARCMaster FSM-100P, обеспечивавший грубую установку (0°/90°) с последующей тонкой доводкой по минимуму или максимуму интерференции. В завершение осуществлялось соединение катушки двулучепреломляющего волокна с эллиптической напрягающей оболочкой и оптической системы; при отсутствии возможности надёжного контроля ориентации осей двулу-чепреломления к катушке сначала были присоединены отрезки волокна типа «Panda», а затем эти отрезки были сварены с волокнами поляризаторов оптической системы в автоматическом режиме. Итогом являлся собранный экспериментальный образец ВОГ-МДЛП, готовый к первичным испытаниям.

В разделе 2.3 представлены результаты проверки работоспособности экспериментального образца в условиях постоянной и изменяющейся температуры окружающей среды. Продемонстрирована корректность функционирования контура обратной связи и режима фазовой модуляции. Зафиксированы измерения скорости вращения Земли на широте Санкт-Петербурга:

для ВОГ-МДЛП время регистрации составило 47 часов, для классического

°

ность измерения угловой скорости для ВОГ-МДЛП достигала 0,1 град/ч, для контрольного ИВОГ 0,01 град/ч, что подтверждает принципиальную работоспособность выбранной структурной схемы. При изменении тем°

также зарегистрирован нелинейный отклик сигнала на изменение температуры (рисунок 2). На основании этих результатов были заданы режимы климатических испытаний для анализа температурной нелинейности.

Рисунок 2 График температурных сигналов модулятора и катушки ВОГ-МДЛП и сигнала вращения ВОГ-МДЛП [РЗ]

Раздел 2.4 посвящен изолированному исследованию вклада модулятора двулучепреломления в зависимость сигнала ВОГ-МДЛП от изменения температуры. Для этого модулятор был извлечён из корпуса и подвергнут циклическому нагреву и охлаждению на элементе Пельтье при термостабилизации остальных узлов. Установлено, что показания ВОГ-МДЛП в этих условиях пропорциональны температуре самого модулятора двулучепреломления и не содержат нелинейных участков, выявленных в полноузловых испытаниях. Сделан вывод, что модулятор двулучепреломления не является источником наблюдаемой температурной нелинейности, что приводит к необходимости дополнительных исследований и поиска внешних факторов стыков, волоконных разветвителей и других узлов оптической системы, рассмотрение которых выносится в последующие главы.

Далее сформулированы выводы по второй главе, в которых указано, что предложенная конструкция ВОГ с модулятором двулучепреломления теоретически обоснована и практически реализуема в форме экспериментального стенда. Разработанная модель функционирования учитывает особенности распространения волн в двулучепреломляющем волноводе и демонстрирует возможность формирования фазового сдвига без необходимости использования двух отдельных модуляторов. Представленные резуль-

таты подтверждают эффективность данной структурной схемы в условиях температурных изменений, что свидетельствует о её применимости для гироскопов среднего класса точности.

Третья глава посвящена исследованию влияния конструктивных особенностей волоконно-оптической схемы на характеристики интерферомет-рического гироскопа. Основное внимание уделено роли волоконно-оптического разветвителя как элемента, определяющего стабильность интерференционного отклика и температурную устойчивость прибора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кубланова Ида Леонидовна, 2025 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Song N., Xu X., Zhang Z., et al. Advanced interfero-metric fiber optic gyroscope for inertial sensing: A review // J. Lightwave Technol. 2023. V. 41. № 13. P. 4023-4034. https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3260839

2. Li A. IFOG based on rhombic optical path difference bias configuration for high-frequency angular vibration measurement // IEEE Sensors J. 2022. V. 22. № 17. P. 16892-16897. https://doi.org/10.1109/ JSEN.2022.3190045

3. Cao Y., Ma X., Chen Y., et al. Interferometric fiber-optic gyroscope based on mode-division multiplexing // Opt. Lett. 2023. V. 48. P. № 11. P. 3067-3070. https:// doi.org/10.1364/OL.494087

4. Драницына Е.В., Егоров Д.А., Унтилов А.А. Современное состояние разработок волоконно-оптических гироскопов и перспективы их развития // Гироско-пия и навигация. 2023. Т. 31. № 4. C. 2-21. Dranitsyna E.V., Egorov D.A. & Untilov A.A. Current state and development prospects of fiber-optic gyroscopes // Gyroscopy and Navigation. 2023. V. 31. № 4. P. 2-21. https://doi.org/10.1134/S2075108724700019

5. Есипенко И.А., Лыков Д.А., Сметанников О.Ю. Применение трансверсально-изотропных характеристик контура для расчета параметров теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 5. С. 36-44. http://doi. org/10.17586/1023-5086-2019-86-05-36-44 Esipenko I.A., Lykov D.A., and Smetannikov O.Y. Using the transversely isotropic characteristics of the coil to calculate the thermal-drift parameters of a fiber-optic gyroscope // J. Opt. Technol. 2019. V. 86. № 5. P. 289. https://doi.org/10.1364/J0T.86.000289

6. Chen Y. Suppression of effects of temperature variation by high-order frequency modulation in large fiberoptic gyroscopes // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 122. № 14. P. 1-6. https://doi.org/10.1063/5.0135848

7. Гонтарь Д.А., Драницына Е.В. Повышение эффективности компенсации температурной чувствитель-

сти сигнала ВОГ-МДЛП от изменения температуры в диапазоне от 16 до 36 °С. Он заключается в создании дополнительной временной задержки между цугами волн с различными значениями параметров поляризации за счет увеличения длины отрезка оптического волокна, расположенного между поляризатором и МДЛП, до значения, соответствующего длине деполяризации. Эффективность способа доказана не только снижением нелинейной зависимости погрешности ВОГ-МДЛП от температуры, но и общим повышением точностных характеристик ВОГ, а именно, снижением СКО сигнала на 0,03 град/час и дрейфа сигнала угловой скорости вращения на 0,2 град/час при осреднении сигнала угловой скорости вращения по 900 с. Полученный результат показывает возможность уменьшения влияния изменения температуры на погрешность ВОГ-МДЛП.

ности волоконно-оптического гироскопа // Тез. докл. XXIX Санкт-Петербургская междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. Санкт-Петербург, Россия. 30 мая — 1 июня 2022. С. 266-268.

Gontar D.A., Dranitsyna E.V. Improving the efficiency of fiber-optic gyro temperature sensitivity compensation // 29th Saint Petersburg Intern. Conf. Integrated Navigation Systems (ICINS). Saint Petersburg, Russia. May 30 — June 01, 2022. P. 1-3. https://doi. org/10.23919/ICINS51784.2022.9815434

8. Chen Y., Zhu L., Wang W., et al. Fiber-optic gyroscopes with enhanced temperature adaptability for geophysical rotational sensing // EGU General Assembly. Vienna, Austria. April 14-19, 2024. EGU24-246, https:// doi.org/10.5194/egusphere-egu24-246

9. Zhao S., Zhou Y., Shu X. Compensation of fiber optic gyroscope vibration error based on VMD and FPA-WT // Measurement Sci. and Technol. 2022. V. 33. № 11. P. 115104. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac7849

10. Cao Y., Ma X., Chen Y., et al. Interferometric fiber-optic gyroscope based on mode-division multiplexing // Opt. Lett. 2023. V. 48. № 11. P. 3067-3070. https://doi. org/10.1364/0L.494087

11. Lefevre H.C. The fiber-optic gyroscope. Artech house, 2022. 479 p.

12. Кубланова И. Л., Куликов А.В. Интерферометриче-ский волоконно-оптический гироскоп с модулятором двулучепреломления // Тез. докл. 66-я Всерос. науч. конф. МФТИ. Москва, Россия. 1-6 апреля 2024. С. 348-349.

Kublanova I.L., Kulikov A.V. Interferometric fiberoptic gyroscope with birefringence modulator [in Russian] // 66 All-Russian Sci. Conf. MIPT (Abstracts of reports). Moscow, Russia. April 1-6, 2024. P. 348-349.

13. Кубланова И.Л., Куликов А.В. Интерферометриче-ский волоконно-оптический гироскоп // Патент РФ № RU2762530C1. 2021. Бюл. № 36.

Kublanova I.L., Kulikov A.V. Interferometric fiber-optic gyroscope // RF Patent № RU2762530C1. 2021. Bull. № 36.

14. Кубланова И.Л., Шулепов В.А., Куликов А.В. Исследование интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулучепреломле-ния // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4. С. 134-142. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0081 Kublanova I.L., Shulepov V.A. & Kulikov A.V. Study of an interferometric fiber-optic gyroscope with a birefringence modulator // Gyroscopy and Navigation. 2021. V. 29. № 4. С. 134-142. https://doi.org/10.1134/ S2075108721040052

15. Мешковский И.К., Стригалев В.Е., Тараканов С.А. Волоконно-оптический датчик тока // Патент РФ № RU2433414C1. 2011. Бюл. № 31.

Meshkovky I.K., Strigalev V.E., Tarakanov S.A. Fiberoptic current sensor // RF Patent № RU2433414C1. 2011. Bull. № 31.

16. Wu J., Wang L. Temperature error compensation method of fiber optic gyroscope based on deep learning // J. Phys.: Conf. Ser. IOP Publ., 2024. V. 2724. № 1. P. 012031. https://doi.org/10.1088/1742-6596/ 2724/1/012031

17. Yan T., Su M., Huang L., et al. Temperature compensation for fiber optic gyroscope based on bayesian optimized relevance vector regression // 2023 3rd Intern. Conf. Electrical Eng. and Mechatronics Tech-nol. (ICEEMT). Nanjing, China. July 21-23, 2023. P. 776-780. https://doi.org/10.1109/ICEEMT59522. 2023.10262994

18. Luo R., Li Y., Deng S., et al. Compensation of thermal strain induced polarization nonreciprocity in dual-polarization fiber optic gyroscope // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 22. P. 26747-26759. https://doi.org/10.1364/ OE.25.026747

авторы

Ида Леонидовна Кубланова — аспирант, инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57205020683; https://orcid.org/0000-0002-6721-5124; [e-mail]

Владимир Андреевич Шулепов — кандидат технических наук, начальник группы, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57191411190; https://orcid. org/0000-0003-2168-8046; [e-mail] Андрей Владимирович Куликов — кандидат технических наук, руководитель лаборатории, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 7103154362; https:// orcid.org/0000-0001-8882-7253; [e-mail] Владимир Евгеньевич Стригалев — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 6603225596; https://orcid.org/0000-0002-7151-9235; [e-mail]

authors

Ida L. Kublanova — PhD Student, Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57205020683; https://orcid.org/0000-0002-6721-5124; [e-mail]

Vladimir A. Shulepov — PhD (Engineering), Team Leader, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57191411190; https://orcid.org/0000-0003-2168-8046; [e-mail]

Andrey V. Kulikov — PhD (Engineering), Head of laboratory, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 7103154362; https://orcid.org/0000-0001-8882-7253; [e-mail]

Vladimir E. Strigalev — PhD (Physics and Mathematics), Senior Researcher, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 6603225596; https://orcid.org/0000-0002-7151-9235; [e-mail]

Статья поступила в редакцию 31.10.2024 Одобрена после рецензирования 05.12.2024 Принята к печати 31.03.2025

The article was submitted to the editorial office 31.10.2024 Approved after review 05.12.2024 Accepted for publication 31.03.2025

УДК 528.526.6

DOI 10.17285/0869-7035.0081

И. Л. КУБЛАНОВА, В. А. ШУЛЕПОВ, А. В. КУЛИКОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С МОДУЛЯТОРОМ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ

В статье описывается интерферометрический волоконно-оптический гироскоп (ИВОГ) новой конфигурации - с модулятором двулучепреломления (ИВОГ-МДЛП). В соответствии с разработанной схемой собран макет прибора, на котором проведены испытания по оценке его дрейфа на неподвижном основании. Определена зависимость дрейфа ИВОГ-МДЛП от температуры. По результатам испытаний погрешность оценки угловой скорости вращения составила 0,05°/ч, однако при этом выявлена повышенная чувствительность прибора к изменению абсолютной температуры.

Ключевые слова: интерферометрический волоконно-оптический гироскоп, модулятор двулучепреломления, диффузия титана, дрейф ИВОГ-МДЛП, температурная чувствительность.

Введение

Гироскопы, способные измерять угловую скорость вращения основания, на котором они размещены, используются для навигации и гиростабилизации. При этом волоконно-оптические гироскопы характеризуются большей надежностью, чем роторные, по причине отсутствия у них движущихся деталей. В ИВОГ угловая скорость вращения определяется на основании фазового сдвига (эффект Саньяка) между волнами [1—7], встречно распространяющимися по волоконно-оптическому контуру гироскопа. Информация о фазовом сдвиге содержится в результирующей картине интерференции и при соответствующих параметрах ИВОГ обеспечивает высокоточное определение угловой скорости. Тем не менее при прохождении излучения по волоконно-оптическому контуру могут возникать паразитные фазовые сдвиги, снижающие точность измерений ИВОГ.

Одним из наиболее вероятных источников возникновения паразитного фазового сдвига является фазовый модулятор. Для обеспечения модуляции посредством наведения электрического поля модулятор выполняется на электрооптическом кристалле, чаще всего на ниобате лития (^КЬ03), где возникают пироэлектрический и пьезоэлектрический эффекты, влияющие на модуляцию и вносящие неизвестный по величине паразитный фазовый сдвиг. Такой фазовый сдвиг суммируется с информационным фазовым сдвигом и вносит погрешность в измерения угловой скорости.

Кубланова Ида Леонидовна. Инженер, Университет ИТМО (С.-Петербург). ORCID 0000-0002-6721-5124. Шулепов Владимир Андреевич. Инженер-исследователь, инженер, Университет ИТМО. ORCID 00000003-2168-8046.

Куликов Андрей Владимирович. Кандидат технических наук, доцент, директор института «Высшая инженерная школа», заместитель директора Научно-исследовательского центра световодной фотоники, Университет ИТМО. ORCID 0000-0001-8882-7253.

В настоящей статье предложен способ, позволяющий устранить влияние указанных факторов на измерение угловой скорости вращения с использованием ИВОГ.

Постановка задачи

Как указывалось ранее, кристаллы ниобата лития подвержены пироэлектрическому и пьезоэлектрическому эффектам. При изменении температуры или при механических воздействиях на поверхности кристалла возникают свободные электрические заряды, что влияет на напряженность электрического поля и, соответственно, изменяет модулирующий фазовый сдвиг.

Свободные электрические заряды распределены по поверхности кристалла неравномерно, а значит, имеют разное воздействие на модулирующее напряжение в зависимости от положения на кристалле.

В наиболее часто применяемой на практике оптической схеме высокоточного ИВОГ [3-9] (рис. 1 [4]) в состав многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) входят два фазовых модулятора.

Рис. 1. Схема ИВОГ с фазовыми модуляторами [4]

Модуляция наводится за счет разности фаз между волнами, распространяющимися по разным волноводам, следовательно, пироэлектрический и пьезоэлектрический эффекты действуют на модулируемые волны в неизвестном соотношении и вызывают неизвестный фазовый сдвиг, который и приводит к погрешности при измерении гироскопом угловой скорости вращения.

Влияние указанного паразитного фазового сдвига можно уменьшить, если попытаться скомпенсировать его для встречных волн. Этого можно добиться, если производить модуляцию двух волн, одновременно распространяющихся по одному волноводу, но по ортогональным осям двулучепреломления с отличающимся электрооптическим коэффициентом. В ниобате лития при напряжении, приложенном вдоль оси 2, электрооптический коэффициент г33 для излучения, поляризованного

вдоль оси г, равен 30,8-10~12 м/В, а электрооптический коэффициент г для излучения, поляризованного вдоль оси х, - 8,6^1012 м/В [10]. Тогда пироэлектрический и пьезоэлектрический эффекты будут влиять на модулируемые волны пропорционально соотношению электрооптических коэффициентов, а значит, их можно будет скомпенсировать. Описанное устройство можно назвать модулятором двулучепре-ломления [11] (рис. 2).

Рис. 2. Схема модулятора двулучепреломления [10]

В настоящей работе предложена оптическая схема и исследован макет ИВОГ-МДЛП (рис. 3).

Рис. 3. Схема макета ИВОГ-МДЛП Описание установки

Предложенная оптическая схема макета ИВОГ-МДЛП отличается от оптической схемы ИВОГ с фазовыми модуляторами тем, что вместо МИОС с двумя фазовыми модуляторами использован модулятор двулучепреломления. Модуляция наводится между волнами, распространяющимися по ортогональным осям двулучепреломле-ния. В волоконно-оптическом контуре ИВОГ-МДЛП по-разному модулированные волны должны распространяться по одной оси двулучепреломления, для чего после

ответвителя располагаются в одном плече интерферометра Саньяка соединение под 90° и по одному линейному поляризатору в каждом его плече.

Модулятор двулучепреломления состоит из волновода, выполненного по технологии диффузии титана [10-14] на кристалле ниобата лития, и двух электродов, закрепленных на X-срезе кристалла [15] слева и справа от волновода. Для того чтобы линейно поляризованное излучение распространялось по двум осям двулучепреломления волновода, он соединен с линейным поляризатором, ориентация осей дву-лучепреломления которого составляет 45°.

Стоит отметить, что в настоящей схеме используется большое количество сварочных соединений, а также стыковка волокна с поддержанием поляризации дву-лучепреломления под 45°, погрешности реализации которых влияют на контраст интерференционной картины. Кроме того, из-за большого количества соединений возрастает риск возникновения паразитных интерференций в связи с обратными отражениями. Тем не менее схема ИВОГ-МДЛП взаимна.

Принцип работы

Макет ИВОГ-МДЛП работает следующим образом. Из широкополосного эрбиевого волоконного источника неполяризованное оптическое излучение попадает в линейный поляризатор, пропускающий излучение по медленной оси двулучепреломления. Здесь и далее излучение распространяется преимущественно по медленной оси двулучепре-ломления. Медленная и быстрая оси двулучепреломления отличаются эффективным показателем преломления, причем медленная ось двулучепреломления в оптическом волокне считается рабочей за счет меньших потерь. При этом альтернативным вариантом построения схемы ИВОГ-МДЛП является использование преимущественно быстрой оси двулучепреломления. Обязательное условие - согласование осей пропускания всех поляризаторов с используемой осью двулучепреломления волокна.

Линейно поляризованное излучение распространяется в ответвителе с сохранением поляризации, где распределяется по интенсивности. Часть излучения попадает на фотоприемник 2, сигнал которого используется для компенсации флуктуаций мощности источника. Другая часть излучения с ориентацией под углом 45° попадает в двулучепреломляющий волновод модулятора. Таким образом, излучение в модуляторе распространяется как по медленной, так и по быстрой оси.

К электродам модулятора прикладывается напряжение, оказывающее влияние на излучение. Происходит фазовый сдвиг, одна часть которого связана с разницей электрооптических коэффициентов, а другая - с разницей показателей преломления вдоль быстрой и медленной осей.

Далее излучение распространяется через второй ответвитель с сохранением поляризации, также разделяющий излучение по интенсивности. Часть излучения распространяется через линейный поляризатор, пропускающий излучение по медленной оси. Линейно поляризованное излучение распространяется по волоконно-оптическому контуру по часовой стрелке (рис. 3). Другая часть излучения с ориентацией под углом 90° - из-за чего волны, распространяющиеся по медленной и быстрой осям, меняются местами - попадает в линейный поляризатор, пропускающий излучение по медленной оси. Линейно поляризованное излучение в этом случае распространяется по волоконно-оптическому контуру против часовой стрелки (рис. 3).

Выходящие из волоконно-оптического контура волны приобретают фазовый сдвиг, пропорциональный угловой скорости вращения.

Излучение, распространявшееся по часовой стрелке (рис. 3), с ориентацией под углом 90° (теперь оно распространяется по быстрой оси) попадает в ответвитель. Излучение, распространявшееся против часовой стрелки (рис. 3), также попадает в от-ветвитель. Из ответвителя излучение, распространяющееся по быстрой и медленной осям, попадает в двулучепреломляющий волновод модулятора. Знак прикладываемого к электродам модулятора напряжения меняется. В модуляторе фазовый сдвиг, связанный с разницей электрооптических коэффициентов, удваивается, а фазовый сдвиг, связанный с постоянной разницей показателей преломления, компенсируется.

После выхода из модулятора излучение с ориентацией под углом 45° попадает в линейный поляризатор. Далее обе волны оказываются с одной поляризацией. Происходит интерференция. Линейно поляризованное излучение попадает в фотоприемник 1, который выдает сигнал, пропорциональный угловой скорости вращения волоконно-оптического контура.

Экспериментальное исследование дрейфа ИВОГ-МДЛП и его температурной зависимости

В соответствии со схемой, представленной на рис. 3, был собран макет ИВОГ-МДЛП (рис. 4), на котором проведен ряд экспериментов для определения его дрейфа и влияния на него температурных изменений элементов новой оптической схемы.

По сигналу «широкой» и «узкой» пилы [5] (рис. 5) на выходе макета ИВОГ-МДЛП видно, что гироскоп функционирует. Экспериментально выяснено, что волновое напряжение макета ИВОГ-МДЛП Ц2п составляет 10,8 В [16].

Рис. 4. Макет ИВОГ-МДЛП

Рис. 5. Выходной сигнал интерференции с несущим сигналом фазовой модуляции макета ИВОГ-МДЛП

Была проведена оценка дрейфа макета ИВОГ-МДЛП во времени на неподвижном основании. В ходе эксперимента для сравнения на неподвижном основании также был размещен ИВОГ с фазовыми модуляторами. Результаты эксперимента (рис. 6) показали, что дрейф макета ИВОГ-МДЛП при постоянной температуре составляет не более 0,05°/ч.

Из рис. 6 видно, что абсолютная температура окружающей среды большее воздействие оказывает на значение угловой скорости вращения, измеряемой с использованием макета ИВОГ-МДЛП, чем с помощью ИВОГ с фазовыми модуляторами.

Температурный сигнал

-Температурный сигнал И-ВОГс фазовыми модуляторами -Температурный сигнал И-ВОГс модулятором двулучепреломления

0 5 10 15 20

Время, Ч

Сигнал гироскопа

Сигнал И-ВОГс фазовыми модуляторами

Время, Ч

Рис. 6. Графики температуры модулятора и сигнала для ИВОГ с фазовыми модуляторами

и для макета ИВОГ-МДЛП

Было проведено термоциклирование макета ИВОГ-МДЛП, в ходе которого макет был помещен в термокамеру в соответствии с представленным термоциклом (рис. 7, а). При этом дополнительное вращение макета вокруг оси чувствительности не осуществлялось и производилось измерение угловой скорости, обусловленной вращением Земли. Целью эксперимента было определить зависимость измеренной с помощью макета ИВОГ-МДЛП угловой скорости вращения от изменения температуры. Результаты эксперимента (рис. 7, в) показывают, что измеренная угловая скорость вращения имеет нелинейные участки в областях температурных изменений.

Запрограммированный термоцикл

Т-1-1-1-Г

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Время, ч

Время, ч

Рис. 7. Графики запрограммированного термоцикла, сигналов термодатчика на модуляторе двулучепреломления, сигнала макета ИВОГ-МДЛП при представленном термоцикле

Обсуждение

Выходной сигнал макета снимался с помощью аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации 1-2 MSPS и разрядностью 18 бит следующим образом. На одной «полке» (отрезке выходного сигнала, соответствующем половине периода модулирующего сигнала (рис. 8 [5])) бралось 8 отсчетов, эта группа осред-нялась до одного значения с частотой следования 120 кГц. Полученный сигнал де-модулировался с целью определения угловой скорости, отсчеты которой также идут на частоте 120 кГц. Далее сигнал осреднялся и децимировался с целью понижения частоты выдачи до 100 Гц.

Рис. 8. Прямоугольная модуляция [5]

Как видно из результатов экспериментов, макет ИВОГ-МДЛП при постоянной температуре показывает дрейф не более 0,05°/ч, что говорит о работоспособности предлагаемой схемы, но сигнал имеет явные нелинейные участки в областях изменения температуры. Для практического применения устройства необходимо выявить источники нелинейности, а также создать систему термокомпенсации.

Одной из причин возникновения нелинейности может быть паразитная интерференция, вызванная обратными отражениями от соединений в волокнах и в других элементах. Наиболее вероятными источниками являются модулятор, второй ответ-витель и волокно между ними.

Нелинейности в модуляторе могут быть вызваны акустическими явлениями в ниобате лития, паразитной фазовой или амплитудной модуляцией, паразитной засветкой при вводе и выводе из кристалла. Перечисленные явления влияют на форму «полки» (рис. 9) сигнала ИВОГ-МДЛП, а поскольку аналого-цифровой преобразователь снимает лишь несколько отсчетов на каждой «полке», ее форма может ощутимо повлиять на получаемые данные.

Волоконный сплавной ответвитель с сохранением поляризации является спектрально зависимым, его коэффициент деления не только отличается для медленной и быстрой осей, но и по-разному изменяется в зависимости от температуры.

В настоящий момент идет работа по исследованию источника нелинейности в выходном сигнале ИВОГ-МДЛП с целью ее минимизации. По результатам этой работы предполагается написание отдельной статьи.

Рис. 9. Сигнал на выходе фотоприемника 1 ИВОГ-МДЛП. Разность высоты «полок» соответствует скорости вращения

Заключение

В настоящей статье вместо двух фазовых модуляторов в схеме ИВОГ предложено использовать модулятор двулучепреломления и исследован макет ИВОГ-МДЛП. При этом дрейф такого ИВОГ не превысил 0,05°/ч, и были выявлены нелинейности в его выходном сигнале на участках изменения температуры. Было определено, что, возможно, потребуется создание системы термокомпенсации.

Неоспоримым преимуществом предложенной схемы ИВОГ-МДЛП является отсутствие сложного МИОС, содержащего линейный поляризатор, двулучепреломля-ющий ответвитель и два фазовых модулятора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sagnac, G., L'éther lumineux démontré par l'effet du vent relatif d'éther dans un interféromètre en rotation uniforme, Comptes rendus de l'Académie des Sciences, 1913, vol. 95, pp. 708-710.

2. Sagnac, G., Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant, Comptes rendus de l'Académie des Sciences, 1913, vol. 95, pp. 1410-1413.

3. Мешковский И.К., Стригалев В.Е., Дейнека Г.Б. и др. Трехосный волоконно-оптический гироскоп. Результаты разработки и предварительных испытаний // Гироскопия и навигация. 2011. №3 (74). С. 67-74.

4. Lin, X. et al., On the Development and Application of FOG, Gyroscopes Principles and Applications, IntechOpen, 2020.

5. Lefevre, H.C., The fiber-optic gyroscope, Artech house, 2014.

6. Korkishko, Y.N. et al., Fiber optic gyro for space applications, Results of R&D and flight tests, IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems, 2016, pp. 37-41.

7. Yang, B. et al., Results and flight tests of high precision photonic crystal fiber optic gyroscope, Optical Fiber Technology, 2020, vol. 60, p. 102365.

8. Wang, Z. et al., Research on Three-Dimensional Magnetic Induced Error Model of Interferometric Fiber Optic Gyro, IEEE Photonics Journal, 2020, vol. 12, no. 5, pp. 1-12.

9. He, J., Song, N., Jin, J., Parameter Optimization for Noise Performance in Time-Division Multiplexing Fiber Optic Gyroscopes, Optik, 2021, p. 168366.

10. Kip, D., Photorefractive waveguides in oxide crystals: fabrication, properties, and applications, Applied Physics B: Lasers & Optics, 1998, vol. 67, no. 2.

11. Noguchi, K., Lithium niobate modulators, Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications, 2011, pp. 151-172.

12. Fang, X. et al., A subnanosecond polarization-independent tunable filter/wavelength router using a Sa-gnac interferometer, IEEE Photonics Technology Letters, 1997, vol. 9, no. 11, pp. 1490-1492.

13. Karavaev, P.M. et al., Polarization separation in titanium-diffused waveguides on lithium niobate substrates, Technical Physics Letters, 2016, vol. 42, no. 5, pp. 513-516.

14. Schmidt, R.V., Kaminow, I.P., Metal-diffused optical waveguides in LiNbO3, Applied Physics Letters, 1974, vol. 25, no. 8, pp. 458-460.

15. Toney, J.E., Lithium Niobate Photonics, Norwood, MA. Artech House, 2015, p. 288.

16. Кубланова И.Л. и др. Исследование модулятора двулучепреломления на основе ниобата лития // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. №.4. С. 613-617.

Kublanova, I.L., Shulepov, V.A., and Kulikov, A.V. (TMO University, St. Petersburg, 196191 Russia) Study of an Interferometric Fiber-Optic Gyroscope with a Birefringence Modulator, Giroskopiya i Navigatsiya, 2021, vol. 29, no. 4 (115), pp. 134-142.

Abstract. The paper describes an interferometric fiber-optic gyroscope (IFOG) of a new configuration, i.e., with a birefringence modulator (IFOG-BRM) is proposed. According to the proposed scheme, a prototype model of the device has been assembled and tested to estimate its drift on a stationary base. Dependence of the IFOG-BRM drift on the temperature has been determined. According to the test results, the error of angular rate estimation is 0.05 deg/h; however, high sensitivity of the device to the absolute temperature variations has been revealed.

Key words: interferometric fiber-optic gyroscope, birefringence modulator, titanium diffusion,

IFOG-BRM drift, temperature sensitivity.

Материал поступил 09.09.2021

ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS

УДК 528.526.6 PACS: 42.81.Pa

EDN: JBSIFV

Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп с модулятором двулучепреломления в составе гибридной интегральной схемы

И. Л. Кубланова, А. В. Куликов

Представлена новая схема интерферометрического волоконно-оптического гироскопа (ИВОГ). Целью разработки настоящего прибора служило нивелирование воздействия поверхностных пиро- и пьезоэлектрических эффектов в кристалле ниобата лития на результирующее значение угловой скорости вращения гироскопа, что становится возможным путем замены двух разнесённых на поверхности кристалла фазовых модуляторов одним модулятором двулучепреломления. Сопутствующие изменения в оптической схеме могут привести к незнакомым эффектам по сравнению с ИВОГ, предложенным Эрве К. Лефевром. В настоящей работе мы рассматриваем возможную причину появления такого эффекта и предлагаем способы избежать его проявления. Исследование температурных зависимостей проводится с использованием разных источников оптического излучения, с изменением конфигурации экспериментальной установки и при различных скоростях изменения температуры. Полученный результат свидетельствует о верности гипотезы и необходимости дальнейшего преобразования оптической схемы.

Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, модулятор двулучепреломления, эрбие-вый суперлюминесцентный источник оптичесчкого излучения, суперлюминесцентный диод, термические испытания.

Э01: 10.51368/1996-0948-2024-5-114-119 Введение

Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп (ИВОГ) используется для измерения скорости вращения и применяется в навигации и гиростабилизации [1, 2]. Принцип действия ИВОГ основан на эффекте Саньяка-Лауэ, согласно которому две опти-

Кубланова Ида Леонидовна, инженер. E-mail: [e-mail] Куликов Андрей Владимирович, доцент, к.т.н. Университет ИТМО.

Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-кт, 49А.

Статья поступила в редакцию 10.07.2024 После доработки 29.07.2024 Принята к публикации 13.08.2024 Шифр научной специальности: 2.2.4

© Кубланова И. Л., Куликов А. В., 2024

ческие волны, распространяющиеся навстречу по оптическому контуру, приобретают фазовый сдвиг, пропорциональный скорости вращения этого контура [3-6]. Таким образом, чувствительным элементом ИВОГ является волоконно-оптическая катушка. Благодаря отсутствию движущихся частей ИВОГ надёжен и имеет длительный срок службы. Будучи ин-терферометрическим датчиком, он обладает высокой чувствительностью, что является одновременно его преимуществом и сложностью. С одной стороны, теоретически точность измерений не ограничена. С другой стороны, высоко влияние факторов окружающей среды на результаты измерений.

Чувствительный элемент является основной частью ИВОГ, однако для точного получения информации о фазовом сдвиге необходимо проводить измерения в квадратурной

точке оптического сигнала. Оптический модулятор осуществляет сдвиг в квадратурную точку, а также обеспечивает обратную связь. В оптической схеме, предложенной Эрве К. Лефевром, модуляция осуществляется с помощью многофункциональной интегральной оптической схемы (МИОС), содержей два фазовых электрооптических модулятора. Между волнами, проходящими через эти модуляторы, индуцируется необходимая разность фаз. Затем волны встречно распространяются по волоконно-оптическому контуру и попадают обратно в МИОС, где снова модулируются.

Подобные электрооптические модуляторы зачастую изготавливаются на основе кристалла ниобата лития благодаря стабильности его оптических свойств и высокому электрооптическому коэффициенту [7-9]. Однако кристалл ниобата лития также обладает рядом других кристаллофизических эффектов: пироэлектрических, пьезоэлектрических, фоторе-фрактивных и других эффектов [10-14]. Эти эффекты приводят к нежелательным явлениям, ограничивающим эффективность электрооптических модуляторов.

В частности, пироэлектрический и пьезоэлектрический поверхностные эффекты, не-

равномерно распределенные по поверхности кристалла, вызывают различающиеся фазовые сдвиги в двух плечах электрооптического модулятора. Из-за этого к результирующему фазовому сдвигу ИВОГ добавляется неизвестное и некомпенсируемое значение, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Преимущества использования модулятора двулучепреломления

Для уменьшения влияния паразитных эффектов в МИОС вместо двух фазовых модуляторов предлагается использовать один модулятор двулучепреломления. Плечи такого модулятора физически расположены в одном волноводе, где распространяются волны двух ортогональных линейных поляризаций. В результате поверхностные пироэлектрический и пьезоэлектрический эффекты действуют на модулированные волны в известном соотношении, а значит, их влияние компенсируемо.

На основе этой гипотезы была спроектирована оптическая схема (рис. 1) и собрана модель интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с модулятором дву-лучепреломления (ИВОГ-МДЛП).

Рис. 1. Оптическая схема ИВОГ-МДЛП

Особенности создания ИВОГ-МДЛП

Замена двух фазовых модуляторов на один модулятор двулучепреломления повлияла на всю оптическую схему.

Для ввода оптического излучения в две оси двулучепреломления волновода модуля-

тора было осуществлено соединение оптического волокна и волновода с ориентацией осей двулучепреломления 45°. Далее необходимо разнести модулированные волны в два плеча интерферометра Саньяка. Чтобы избежать влияния внешних факторов на коэффициент деления, был выбран планарный светодели-

тель (PLC). Чтобы две модулированные волны распространялись вдоль одной оси двулуче-преломления, один конец волокна контура был соединён с PLC с ориентацией осей дву-лучепреломления 90°, а другой - соосно. Далее в обоих плечах интерферометра находятся согласованные линейные поляризаторы. Таким образом, по волоконно-оптическому контуру распространяются модулярованные волны одной поляризации.

Модель собрана и протестирована. Работоспособность доказана [16]. Однако изменение абсолютной температуры ведёт к появлению нелинейных участков в результирующем сигнале, что негативно отражается на применимости устройства.

В настоящей работе мы исследуем природу появляющейся нелинейности и анализируем вероятные причины ее возникновения.

Температурные испытания с эрбиевым источником оптического излучения

Было проведено несколько различных температурных испытаний, чтобы выявить источник нелинейности и попытаться устранить его. Первоначально при испытаниях применялся эрбиевый суперлюминесцентный источник оптического излучения, широко используемым в гироскопии [17-22].

Были проведены тепловые испытания, в ходе которых гироскоп и источник оптического излучения были помещены в камеру тепла-холода и подверглись изменению температуры в пределах от 15 °С до 35 °С. Серия испытаний включала эксперименты с разной скоростью изменения температуры: 3,3 °С/ч, 2,5 °С/ч, 2 °С/ч и 1,6 °С/ч (рис. 2).

о

40

£ 35 ^ 30 а 25 g 20 15

Температура модулятора и волоконно-оптической катушки

н

е б 12,5

& о коя, 12 с и

яа ен 11,5 м 3 оа

1 _ п-v^ 1 ' ^^ 1 1 N. /

10 20 30 в 40 50 60 70 Время, ч

Сигнал ВОГ-МДЛП с осреднением 100 с

1 II II II II 1 II 1 1 1 U4J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III 1 1 1 1 1 1 1 1 и 1 i^iVv^'i'i'Vb/'.........MVN^^vW'IVV'M..........IMWT" .........MI!

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, ч

Рис. 2. Результаты термических испытаний со скоростью изменения температуры 3,3 °С/ч, 2,5 °С/ч, 2 °С/ч, 1,6 °С/ч

Как видно из графика (рис. 2), изменение абсолютной температуры ведёт к появлению нелинейных участков в сигнале угловой скорости вращения. Максимумы и минимумы в этих областях соответствуют одним и тем же значениям температуры даже при разной скорости её изменения, следовательно, сигнал гироскопа зависит от изменения абсолютной температуры. Поскольку показания гироскопа в идеальных условиях не зависят от температуры, вероятно, к ним добавляется сигнал паразитного интерферометра.

Возможно также, что нелинейные участки сигнала вызваны воздействием изменений температуры на эрбиевый источник оптического излучения. Для доказательства этой гипотезы были проведены тепловые испытания

с одинаковым температурным профилем, при которых эрбиевый источник оптического излучения находился внутри и снаружи камеры тепла-холода. Было выявлено, что при нахождении оптического источника вне камеры нелинейности сигнала сохранялись, хотя общая амплитуда несколько уменьшалась. Это говорит о том, что ИВОГ-МДЛП содержит паразитный интерферометр.

Температурные испытания с оптическим источником более широкого спектра излучения

Одним из способов борьбы с паразитным интерферометром является уменьшение

длины декогерентности излучения. Обычно это достигается за счет расширения спектра оптического источника. Как указано выше, первоначально испытания проводились с использованием эрбиевого суперлюминесцентного источника ИРЭ-Полюс ЭСС-30-С. Его спектральная ширина составляет 25 нм. Тепловые испытания было решено провести с использованием суперлюминесцентного диода (СЛД) ЕХБ210069-01 с минимальной спек-

тральная ширина которого составляет 35 нм, а типичная - 45 нм.

Термические испытания с использованием источника СЛД вне камеры тепла-холода со скоростью изменения температуры 3,3 °С/ч показали отсутствие нелинейных участков в результирующем сигнале угловой скорости вращения ИВОГ-МДЛП (рис. 3а). Это подтверждает версию о появлении в макете паразитного интерферометра.

Температура модулятора и волоконно-оптической катушки

Температура модулятора и волоконно-оптической катушки

О

ci 30 & 25

ре

! 20 Т

15

е ?

с

о

13,2 13 12,8 ¡12,6 112,4

£ я1

5 10 15 20

Время, ч

Сигнал ВОГ-МДЛП с осреднением 100 с

13,1 £ у 13,05

0

5 ° 13

6 о

g я 12,95 Я § 12,9

1 Ц 12,85

§ ä 12,8 гв ^ 12,75 12,7

8 10 Время, ч

Сигнал ВОГ-МДЛП с осреднением 100 с

mm

Ллдm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

б)

Рис. 3. Результаты термических испытаний со скоростью изменения температуры 3,3 °С/ч с оптическим ЯЬО источником (а) снаружи и (б) внутри камеры тепла-холода

0

12

ч

Однако, когда источник СЛД был помещен внутрь камеры тепла-холода, изменение абсолютной температуры снова вызвало появление нелинейных участков (рис. 36).

Спектры источников излучения ограничены полосой усиления активных сред, поэтому более целесообразным решением может быть изменение оптической схемы ИВОГ-МДЛП для минимизации паразитной интерференции.

Планируемые преобразования

Одним из способов избавления от паразитного интерферометра является минимизация количества сварочных соединений в волоконно-оптическом контуре.

Теоретически, если оставить в оптическом контуре один линейного поляризатора и одно сварочного соединения, ИВОГ-МДЛП

должен сохранить работоспособность, поскольку через этот линейный поляризатор проходит излучение, распространяющееся по часовой стрелке, и излучение, распространяющееся против часовой стрелки.

Экспериментальные данные показывают, что одно соединение в контуре не способствует появлению паразитного интерферометра.

Заключение

В настоящей статье представлена схема ИВОГ с использованием модулятора двулуче-преломления. Продемонстрировано появление нелинейных участков сигнала угловой скорости вращения при изменении абсолютной температуры. Выявлено, что эта нелинейность вызвана наличием в устройстве паразитного интерферометра. Для минимизации его воздействия была предпринята попытка исполь-

зовать оптический источник СЛД со спектром 45 нм, что шире спектра используемого эрби-евого источника 25 нм. Нелинейные участки исчезли только при использовании СЛД источника вне камеры тепла-холода. При тестировании с СЛД источником внутри камеры тепла-холода нелинейные участки всё равно проявлялись. В связи с этим планируется модификация схемы ИВОГ-МДЛП для избавления от паразитного интерферометра.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).

Авторы выражают благодарность АО «Государственный научный центр Российской Федерации «Концерн ЦНИИ Электроприбор», а именно заместителю руководителя 084 отд. А. А. Унтил-тову за возможность проведения испытаний и инженеру С. Т. Нефоросному за помощь в проведении испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Burns W. K, Moeller R. P., Villarruel C. A., AbebeM. / Optics letters. 1983. Vol. 8. № 10. Р. 540-542.

2. Pavlath G. A. / In Optical Fiber Sensors. Optica Publishing Group. 2006. Vol. 10. P. MA3.

3. Sagnac G. / CR Acad. Sci. 1913. № 157. P. 708-

УЮ.

4. Laue M. / Mûnchener Sitzungsberichte. 1911. № 12. P. 405-412.

5. Vali V., ShorthillR. W. / Applied optics. 1976. Vol. 15. № 5. P. 1099-1100.

6. Lefevre H. C. The fiber-optic gyroscope. - Ar-tech house, 2022.

7. Noguchi K. Lithium niobate modulators. Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications. - Boca Raton: CRC Press, 2012.

8. Su S. D., Wan L. Y, Zhou Y, Sun J. F., Liu L. R. / Acta Optica Sinica. 2010. Vol. 30. № 10. P. 2972-2977.

9. Du W. Y., Zhang Z. B., Xu J. Q., Wong W. H., Yu D. Y., Pun E. Y. B., Zhang D. L. / Optical Materials Express. 2016. Vol. 6. № 8. P. 2593-2599.

10. Pogorelaya D. A., SmolovikM. A., Stri-galev V. E., Aleynik A. S., Deyneka I. G. / Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 735. № 1. P. 012040.

11. Wong K. K. Properties of lithium niobate. -London: INSPEC, 2002.

12. Nagata H. / IEEE Photonics Technology Letters. 2000. Vol. 12. № 11. P. 1477-1479.

13. Nagata H., Honda H., Akizuki K. / Optical Engineering. 2000. Vol. 39. № 4. P. 1103-1105.

14. Sathian J., Jaatinen E. / Optics express. 2013. Vol. 21. № 10. P. 12309-12317.

15. KipD. / Applied Physics B: Lasers Optics. 1998. Vol. 67. № 2. P. 131-151.

16. Kublanova I. L., Shulepov V. A., Kulikov A. V. / Gyroscopy and Navigation. 2021. Vol. 12. № 4. P. 363-369.

17. Liu S., Hu J., Wang Y., Liu Q., Ma H., He Z. / Optics Letters. 2023. Vol. 48. № 10. P. 2639-2642.

18. Hui F., Tianjin M. L., Ma L., Zuo W., Zhang S., Zhang X. M. / 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Saint Petersburg, Russia, 29-31 May 2017. P. 1-4.

19. Zuo W., YanM., Song C., HuX. / AOPC 2022: Optical Sensing, Imaging, and Display Technology. - Beijing, 2022. P. 535-540.

20. Guillaumond D., Meunier J. P. / IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2001. Vol. 7. № 1. P. 17-21.

21. Yu X., Song N., Zhang C., Zhang Z., Song J., Yang H. / IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2023. Vol. 72.

22. Азанова И. С., Шаронова Ю. О., Шевцова А. Д., Поспелова Е. А., Вахрушев А. С., Вохмяни-на О. Л., Волынцев А. Б. / Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2023. № 1. P. 5-20.

PACS: 42.81.Pa

Interferometric fiber-optic gyroscope with birefringence modulator in hybrid integrated circuit

I. L. Kublanova and A. V. Kulikov

ITMO University 49 Kronverkskiy pr., Saint-Petersburg, 197101, Russia

Received 10.07.2024; revised29.07.2024; accepted 13.08.2024

This paper presents a new scheme of interferometric fiber-optic gyroscope (IFOG). It becomes possible to escape the parasitic influence of surface pyro- and piezoelectric effects in a lithium

niobate crystal on the signal providing modulation by replacing two phase modulators spaced on the surface of the crystal with an electro-optic birefringence modulator. Accompanying changes in the optical scheme can lead to unfamiliar effects compared to the IFOG proposed by Herve C. Lefevre. In this work, we consider a possible reason for the appearance of such an effect and suggest ways to escape its manifestations. The study of temperature dependences is carried out using different sources of optical radiation, changing the configuration of the experimental setup and at different rates of temperature change. The obtained result indicates the correctness of the hypothesis and the need for further transformation of the optical design.

Keywords: fiber-optic gyroscope, birefringence modulator, erbium superluminescent source, superluminescent diode, thermal tests.

REFERENCES

1. Burns W. K., Moeller R. P., Villarruel C. A. and Abebe M., Optics letters. 8 (10), 540-542 (1983).

2. Pavlath G. A., In Optical Fiber Sensors. Optica Publishing Group. № 10, MA3 (2006).

3. Sagnac G., CR Acad. Sci., № 157, 708-710 (1913).

4. Laue M., Münchener Sitzungsberichte, № 12, 405-412 (1911).

5. Vali V. and Shorthill R. W., Applied optics, 15 (5), 1099-1100 (1976).

6. Lefevre H. C., The fiber-optic gyroscope, Artech house, 2022.

7. Noguchi K., Lithium niobate modulators. Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications., Boca Raton, CRC Press, 2012.

8. Su S. D., Wan L. Y., Zhou Y., Sun J. F. and Liu L. R., Acta Optica Sinica 30 (10), 2972-2977 (2010).

9. Du W. Y., Zhang Z. B., Xu J. Q., Wong W. H., Yu D. Y., Pun E. Y. B. and Zhang D. L., Optical Materials Express 6 (8), 2593-2599 (2016).

10. Pogorelaya D. A., Smolovik M. A., Strigalev V. E., Aleynik A. S. and Deyneka I. G., Journal of Physics: Conference Series 735 (1), 012040 (2016).

11. Wong K. K., Properties of lithium niobate, London: INSPEC, 2002.

12. Nagata H., IEEE Photonics Technology Letters 12 (11), 1477-1479 (2000).

13. Nagata H., Honda H. and Akizuki K., Optical Engineering 39 (4), 1103-1105 (2000).

14. Sathian J. and Jaatinen E., Optics express 21 (10), 12309-12317 (2013).

15. Kip D., Applied Physics B: Lasers Optics 67 (2), 131-151 (1998).

16. Kublanova I. L., Shulepov V. A. and Kulikov A. V., Gyroscopy and Navigation 12 (4), 363-369 (2021).

17. Liu S., Hu J., Wang Y., Liu Q., Ma H. and He Z., Optics Letters 48 (10), 2639-2642 (2023).

18. Hui F., Tianjin M. L., Ma L., Zuo W., Zhang S. and Zhang X. M., 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Saint Petersburg, 29-31 May 2017, pp. 1-4.

19. Zuo W., Yan M., Song C. and Hu X., AOPC 2022: Optical Sensing, Imaging, and Display Technology. Beijing, 2022, pp. 535-540.

20. Guillaumond D. and Meunier J. P., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 7 (1), 17-21 (2001).

21. Yu X., Song N., Zhang C., Zhang Z., Song J. and Yang H., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, № 72 (2023).

22. Azanova I. S., Sharonova Yu. О., Shevtsova А. D., Pospelova Е. Ä., Vakhrushev А. C, Vokhmyanina О. L. and Volyntsev А. B., Bulletin of Perm University. Physics, № 1, 5-20 (2023) [in Russian].

При удалении от торца волокна на 1 см брэгговская решетка почти не регистрирует повышение температуры (рис. 26). В то же время температура стенки (рис. 3а) зависит только от диаметра вены, причем с увеличением диаметра температура стенки оказывается ниже. На рис. 3б показано отношение температуры ВБР к температуре стенок при разных диаметрах вен и положениях решетки: результаты для удаления на 0,01 см от торца показаны сплошной линией, на 1,01 см — штрихпунктирной линией.

Полученные результаты показывают, что с помощью волоконной брэгговской решетки возможно получить информацию о температуре в месте воздействия излучения, однако восстановление физиологически значимых параметров, таких как температура стенки вены или максимальная температура крови может быть произведено только совместно с численным моделированием.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Литература

1. ArtemovS.A., BelyaevA. N. [et al.] Optimization of endovenous laser coagulation: in vivo experiments. // Lasers Med. Sci. 2022. V. 35. P. 867-875. DOI: 10.1007/s10103-019-02874-6.

2. Malakzadeh A., Mansoursamaei M., Pashaie R. Simultaneous measurement of temperature and strain based on peak power changes and wavelength shift using only one uniform fiber bragg grating. // Opt. Quantum Electron. 2021. V. 53. DOI: 10.1007/s11082-021-02865-4.

3. Poluektova A. A., Malskat W. S. [et al.] Some controversies in endovenous laser ablation of varicose veins addressed by optical-thermal mathematical modeling. // Lasers Med. Sci. 2014. V. 29. P. 441-452. DOI: 10.1007/ s10103-013-1450-y.

4. Mordon S. R., WassmerB., Zemmouri J. Mathematical modeling of endovenous laser treatment (ELT) // Biomed. Eng. Online 2006. V. 5: 26. DOI: 10.1186/1475-925X-5-26

5. KosterM., Amann-Vesti B. R., Husmann, M. [et al.] Non-invasive pressure measurement of the great saphenous vein in healthy controls and patients with venous insufficiency // Clin. Hemorheol. Microcirc. 2013. V. 54. P. 325332. DOI: 10.3233/CH-131737.

УДК 528.526.6

Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп с модулятором

двулучепреломления

И. Л. Кубланова, А. В. Куликов

Университет ИТМО

В настоящий момент одной из основных проблем оптической гироскопии является воздействие на сигнал угловой скорости вращения паразитных эффектов в кристалле ниобата лития, что приводит к снижению точности измерений. Ниобат лития используется как основа модуляторов в интерферометриче-ских волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) благодаря устойчивым оптическим свойствам и высокому электрооптическому коэффициенту [1, 2]. В наиболее распространенной конфигурации ВОГ, предложенной Э. Лефевром [3] и показанной на рис. 1, модуляция оптического излучения осуществляется за счет двух фазовых модуляторов, входящих в состав многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС). Конфигурация волноводов в МИОС предполагает, что излучение распространяется по двум разнесенным в кристалле путям. Таким образом, неравномерно распределенные по поверхности ниобата лития паразитные пироэлектрический и пьезоэлектрический эффекты воздействуют на модулируемые волны в неизвестном, а значит, некомпенсируемом соотношении. Это ведет к неизвестной погрешности полезной разницы фаз и к снижению точности измерения.

В разработанной схеме [4], показанной на рис. 2, вместо двух фазовых модуляторов используется модулятор двулучепреломления, чья морфология предполагает только один волновод. По нему распространяются волны разных поляризаций, а модуляция происходит за счет разницы электрооптических коэффициентов вдоль необыкновенной и обыкновенной осей кристалла ниобата лития.

Настоящее изменение влечет ряд других преобразований в оптической схеме, обусловленных необходимостью сначала ввести линейно поляризованное излучение в две оси двулучепреломления волновода, а потом пропустить излучение исключительно определенной поляризации. Также за пределы нио-бата лития вынесены линейный поляризатор и ответвитель.

В рамках работы рассматривается влияние изменения абсолютной температуры на сигнал угловой скорости вращения интерферометрического волоконно-оптического гироскопа с модулятором двулуче-преломления (ВОГ-МДЛП).

Рис. 1. Оптическая схема ВОГ

Рис. 2. Оптическая схема ВОГ-МДЛП

Температура

Время, ч

Сигнал 80Г-МДЛП

'"I I I I I I I I I I I I I I I I I ГГГГГГГ I II I I I I I I I I I II I I I I ■П-ГГГГГГГГГГГГГГГГГГГГГГПГГ

Время, ч

Рис. 3. Результат температурного эксперимента с указанным температурным профилем (сверху) и сигналом угловой скорости вращения ВОГ-МДЛП (снизу)

Было проведено исследование с температурным профилем, показанным на рис. 3, в ходе которого температура изменялась между значениями 15°С и 35°С со скоростью 3,3°С/ч. Соответствующий сигнал угловой скорости вращения, также показанный на рис. 3, характеризуется, во-первых, зависимостью от температуры, а не от производной температуры, а во-вторых, нелинейными участками при изменении абсолютной температуры, и наконец, в начале и в конце испытаний при одинаковой температуре 25°С, сигнал угловой скорости имеет значение 13,6 град/ч, что свидетельствует о его высокой стабильности во времени.

Обозначенные нелинейные участки предположительно являются следствием наличия в макете паразитного интерферометра. Волоконно-оптический контур макета содержит одно соосное сварочное

соединение, что, исходя из многолетнего опыта коллег, не должно вызывать в сигнале подобный отклик на изменение абсолютной температуры. Из этого можно сделать вывод, что причины настоящей особенности лежат вне волоконно-оптического контура. Следующим этапом настоящей работы является исследование других участков оптической схемы на наличие паразитного интерферометра, а также изучение иных свойств ВОГ-МДЛП.

Литература

1. Noguchi K. Lithium niobate modulators // Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications.

2011. P. 151-172.

2. Du W. Y. [et al.]. Electro-optic property of Ti 4+-doped LiNbO 3 single crystal // Optical Materials Express. 2016.

V. 6(8). P. 2593-2599.

3. Lefevre H. C. The fiber-optic gyroscope. — Boston: Artech house, 2022.

4. Патент №2762530 РФ, МПК G01C 19/64. Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп /

И. Л. Кубланова, А. В. Куликов; № 2021109627, заявитель Университет ИТМО; заявл. 07.04.2021; опубл.

21.12.2021; Бюл. № 36.

УДК 535.8, 535.36

Использование лазерного излучения для исследования малоконтрастных дефектов

в прозрачных материалах

К. Н. Белов1, Н. Д. Кундикова12

1Южно-Уральский государственный университет 2Институт электрофизики УРО РАН

В данной работе предложен метод, позволяющий экспериментально получать контрастные изображения дефектов в прозрачных материалах с помощью пространственной фильтрации Фурье-образа прозрачного объекта. Совокупность пространственных частот (множество всех направлений) излучения, прошедшего через данный объект, представляется Фурье-образом прозрачного объекта. Известно, что положительная линза является объектом, выполняющим пространственное Фурье-преобразование. Фурье-спектр излучения формируется в фокальной плоскости положительной линзы [1]. При внесении в эту плоскость оптического транспаранта, который перекрывает только основную гармонику Фурье-спектра, образуется пространственно-модулированный Фурье-образ прозрачного объекта. Восстановленное изображение объекта по данному Фурье-образу не содержит засветки основного излучения, что позволяет получить контрастное изображение присутствующих дефекты и оптических неоднородностей в прозрачном материале

Рис. 1. Оптическое изображение дефектно прозрачного материала (а) и рассчитанный Фурье-образ изображения дефектного прозрачного материала (б)