Повышение точностных и эксплуатационных характеристик волоконно-оптического гироскопа с помощью управления и радиочастотной модуляции оптического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Востриков Евгений Владимирович

• Востриков Евгений Владимирович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Востриков Евгений Владимирович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Интерферометрический ВОГ

1.1.1 Проблема поляризационной невзаимности

1.1.2 Нелинейный эффект Керра

1.1.3 Когерентность ИОИ

1.1.4 Стабильность МК

1.1.5 Обратное рассеяние

1.1.6 Обратные отражения

1.1.7 Выводы по разделу

1.2 ЭСВИОИ

1.2.1 Принцип работы, схемы накачки

1.2.2 Способы температурной компенсации параметров выходного оптического излучения ЭСВИОИ

1.2.3 Работа ЭСВИОИ с несколькими ВОГ

1.2.4 Выводы по разделу

1.3 МИОС

1.3.1 Устройство МИОС

1.3.2 Паразитные эффекты МИОС

1.3.3 Фазовые и амплитудные искажения оптического сигнала в МИОС

1.3.4 Выводы по разделу

1.4 Радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы

1.4.1 Устройство радиофотонных волоконно-оптических измерительных приборов

1.4.2 Применение радиофотоники в области ВОГ

1.4.3 Выводы по разделу

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2 СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭСВИОИ ДЛЯ ВОГ

2.1 ЭСВИОИ для применения в трехосной навигационной системе

2.2 Оценка эффективности оптической накачки ЛД в широком диапазоне температур

2.3 Оценка температурной стабильности оптических компонентов ЭСВИОИ

2.4 Оценка стабильности схемы токовой накачки ЛД

2.5 Оценка температурной стабильности схемы токовой накачки

2.6 Исследование основных параметров выходного излучения макета ЭСВИОИ

при разных длинах активных волокон выходного каскада

2.6.1 Возникновение нестабильности оптической мощности ЛДН, связанной с переходом из одномодового режима в многомодовый

2.7 Температурные исследования макета ЭСВИОИ

2.8 Влияние стабильности центральной длины волны на сигнал ВОГ

2.9 Применение ЭСВИОИ для термостабилизации МК ВОГ

2.10 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЧ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАЗИТНЫХ ЭФФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ВОГ

3.1 Формирование требований к фазовому модулятору

3.2 Параметры ВЧ-сигнала модуляции

3.3 Исследование влияния ВЧ фазовой модуляции на спектр оптического сигнала

3.4 Зависимость СКО сигнала ВОГ от формы и мощности сигнала модуляции

3.5 Исследование влияния ВЧ шумоподобной модуляции на дрейф нуля выходного сигнала ВОГ для разных типов широкополосных ИОИ

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАМ В LINBO3 ФАЗОВОМ МОДУЛЯТОРЕ НА СИГНАЛ ВОГ

4.1 Подключение МИОС в ВОГ

4.2 Метод уменьшения ПАМ с использованием дополнительной модуляции

4.3 Оценка работоспособности предложенного способа

4.4 Экспериментальные исследования по подавлению ПАМ, оценка влияния предложенного метода на сигнал угловой скорости ВОГ

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

РЕФЕРАТ

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точностных и эксплуатационных характеристик волоконно-оптического гироскопа с помощью управления и радиочастотной модуляции оптического излучения»

Актуальность темы.

Точность современных волоконно-оптических гироскопов превышает 0.0001 0/ч [1, 2]. Для достижения таких точностей используются: эрбиевый широкополосный источник оптического излучения с гауссовой формой спектра, оптические и электронные компоненты с минимальными искажениями, а также алгоритмы компенсации дрейфа нуля сигнала угловой скорости. Для контроля параметров движения в трехмерном пространстве используются три гироскопа в составе трехосной навигационной системы. В таких системах необходимо установить параметры источника оптического излучения (центральная длина волны, ширина спектра, оптическая мощность) для каждого конечного устройства с учетом их спектральных характеристик и оптических потерь. В настоящее время решением данной проблемы является использование нескольких отдельных источников оптического излучения, что приводит к более сложной системе управления, а также увеличению стоимости и габаритных размеров. Использование общего оптического источника не позволяет изменять параметры выходного оптического излучения отдельно для каждого интерферометра, а также осуществлять стабилизацию средневзвешенной длины волны, от которой зависит стабильность масштабного коэффициента гироскопа. Масштабный коэффициент является уникальным параметром для каждого гироскопа ввиду погрешностей используемых компонентов и технологических отклонений в процессе их производства и сборки. На увеличение стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа и улучшение параметров волоконно-оптических датчиков также направлены современные способы с применением сигналов УВЧ и СВЧ диапазонов. Так, например, использование современного способа высокочастотной фазовой модуляции, применимого к выходному излучению оптического источника, позволяет произвести

уширение и нормализацию оптического спектра с уменьшением времени когерентности. Данное направление является перспективным ввиду возможного применения ко многим интерферометрическим датчикам. Также наряду с источником оптического излучения одним из ключевых компонентов волоконно-оптического гироскопа является многофункциональная интегрально-оптическая схема, в состав которой входят поляризатор, разветвитель и фазовый модулятор. Фазовые и амплитудные искажения фазового модулятора являются причиной возникновения ошибки в сигнале угловой скорости. В случае амплитудных искажений возможно использование технологических и алгоритмических способов компенсации. Применение методов радиочастотной модуляции является перспективной задачей. При дополнительной модуляции фазового модулятора многофункциональной интегрально-оптической схемы высокочастотным сигналом с равномерным распределением напряжений вне рабочей полосы частот можно уменьшить влияние паразитных амплитудных искажений на сигнал угловой скорости волоконно-оптического гироскопа. Изучение этого вопроса представляет собой большой интерес для дальнейших исследований.

Цель настоящей работы.

Разработать схему источника оптического излучения с несколькими адаптивными выходами и изучить методы формирования оптического излучения для обеспечения низкого дрейфа нуля, стабильности масштабного коэффициента, уменьшения среднеквадратического отклонения сигнала угловой скорости волоконно-оптического гироскопа.

Для достижения поставленной цели требуется решение ряда задач:

- разработать оптическую схему высокостабильного эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с несколькими адаптивными оптическими выходами;

- провести исследование макета эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с несколькими адаптивными оптическими выходами с разными длинами активных волокон в широком диапазоне температур;

- разработать и исследовать метод уширения и нормализации спектра для снижения дрейфа нуля сигнала угловой скорости волоконно-оптического гироскопа с применением электрооптического модулятора и высокочастотной шумоподобной модуляции в конфигурации с широкополосным оптическим источником;

- разработать и исследовать метод уменьшения влияния паразитных амплитудных искажений электрооптического фазового модулятора на основе кристалла ниобата лития LiNЮз на полезный сигнал с применением РЧ-модуляции.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1) впервые разработан и исследован двухстадийный эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения, обладающий адаптивным вторым каскадом, который позволяет устанавливать температурный коэффициент центральной длины волны и уровень стабилизируемой мощности выходного оптического излучения для стабилизации масштабного коэффициента индивидуально для каждого волоконно-оптического гироскопа в составе инерциальной навигационной системы;

2) впервые предложен и экспериментально апробирован метод, позволяющий уменьшить дрейф нуля сигнала угловой скорости волоконно-оптического гироскопа в составе с широкополосным оптическим источником, выходное излучение которого модулировано по фазе шумоподобным РЧ-сигналом с глубиной модуляции более 1.7-л рад;

3) впервые предложен и экспериментально апробирован метод, позволяющий уменьшить влияние паразитных амплитудных искажений двухплечевого фазового модулятора многофункциональной интегрально-оптической схемы на полезный сигнал волоконно-оптического гироскопа за счет применения дополнительной модуляции дифференциальным треугольным сигналом, частота которого лежит вне полосы рабочих частот.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1) предложенная в работе схема двухстадийного эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с адаптивным вторым каскадом позволяет перестраивать центральную длину волны, ее температурный коэффициент для нескольких конечных устройств с учетом их спектральных характеристик, что позволяет стабилизировать выходную мощность от 0 до 5 мВт, центральную длину волны в области 1.56 мкм при поддержании ширины спектра 10 нм и компенсировать температурные изменения масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа от минус 33 до плюс 18 млн-1/0С;

2) предложенный в работе метод уменьшения времени когерентности широкополосного источника оптического излучения позволил уменьшить вклад паразитных эффектов, возникающих в оптической схеме волоконно-оптического гироскопа, и уменьшить дрейф нуля сигнала угловой скорости с 1.0210-3 до 0.84 10-3 0/ч в составе с эрбиевым суперлюминесцентным волоконным источником оптического излучения;

3) предложенный метод уменьшения влияния паразитных амплитудных искажений фазового модулятора на полезный сигнал, применимый к фазовым модуляторам высокоточных волоконно-оптических датчиков, позволил уменьшить паразитную амплитудную модуляцию фазового модулятора многофункциональной интегральной оптической схемы более чем в 3 раза, что способствует уменьшению ложного сигнала рассогласования во время

обнуления фазы пилообразного сигнала модуляции обратной связи и уменьшению среднеквадратического отклонения сигнала угловой скорости более чем в 3 раза.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) предложенная двухстадийная схема эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с адаптивным вторым каскадом, позволяющая сформировать оптическое излучение гауссовой формы с центральной длиной волны 1.56 мкм, выходной мощностью от 0 до 5 мВт и шириной спектра 10 нм, позволила получить температурный коэффициент центральной длины волны от минус 33 до плюс 18 млн-1/°С в температурном диапазоне от минус 40 до плюс 50оС, что позволяет индивидуально компенсировать температурную зависимость масштабного коэффициента волоконно-оптических гироскопов, входящих в инерциальную навигационную систему;

2) предложенный метод уменьшения времени когерентности оптического излучения, формируемого эрбиевым суперлюминесцентным волоконным источником оптического излучения, заключающийся в высокочастотной фазовой модуляции оптического сигнала шумоподобным сигналом в полосе частот от 50 МГц до 2.5 ГГц с глубиной модуляции 1.78-л рад, позволил уменьшить дрейф нуля сигнала угловой скорости на 17% с 1.0210-3 до 0.84 10-3 7ч;

3) предложенный метод уменьшения влияния паразитных амплитудных искажений двухплечевого фазового модулятора LiNbO3 на сигнал волоконно-оптического гироскопа за счет применения независимой дополнительной фазовой модуляции дифференциальным треугольным сигналом с глубиной модуляции 1.6-я рад позволил уменьшить размах паразитной амплитудной модуляции в 3 раза, что ведет к пропорциональному снижению шумовой составляющей сигнала гироскопа.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII и XI конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, 2019, 2022), на XLVШ и XLIX научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2019, 2020), на международной конференции ФизикА.СПб (Санкт-Петербург, 2020), на XIX международной конференции «Оптика лазеров 2020» (Санкт-Петербург, 2020).

В ходе конкурсного отбора для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в 2020 году был получен грант по теме «Применение радио фотонных технологий для повышения точностных и эксплуатационных характеристик ВОГ».

Достоверность научных положений.

Достоверность подтверждается согласованием с данными, полученными в ходе обзора научно-технической литературы, теоретическими расчетами, экспериментальными данными, представленными в работе, докладами на российских и международных конференциях, публикациями в научных рецензируемых журналах. В ходе проведенной исследовательской работы использовался программный пакет МЛ^ЛВ для моделирования, расчетов и обработки экспериментальны данных, а также наиболее распространенные математические методы обработки сигналов. Использованное в данной работе испытательное и измерительное оборудование (климатическая камера, оптический и электрический спектроанализаторы, оптический измеритель мощности, осциллограф, мультиметры, блоки питания и т.п.) является сертифицированным и поверенным.

Внедрение результатов.

Результаты настоящего исследования используются в институте ВИТШ Университета ИТМО при создании новых приборов в области высокоточной

гироскопии. Имеется акт об использовании результатов научной работы в научно-технических отчетах, а также акт внедрения результатов исследования в производственную деятельность АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 7 публикаций в изданиях, рецензируемых в Web of Science или Scopus, 3 из которых в том числе опубликованы в журналах из перечня ВАК, 1 патент. Также подана 1 патентная заявка, по которой получена справка о приоритете.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 117 рисунков и 10 таблиц, список цитированной литературы представлен 1 21 наименованием.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенного исследования, указана цель и необходимые для её выполнения задачи. Указана новизна и практическая ценность данной работы. Также представлены сформированные научные положения.

В первой главе проведен подробный аналитический обзор, в котором рассматривается принцип действия волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с описанием и анализом его ключевых элементов, а также влиянием их параметров и паразитных эффектов, возникающих в волоконно-оптическом тракте, на сигнал угловой скорости. Представлены традиционные и современные способы решения выявленных проблем.

Принцип работы ВОГ основан на эффекте Саньяка, который заключается в изменении разности фаз кольцевого интерферометра пропорционально его угловой скорости вращения. В большинстве случаев ВОГ работает с замкнутым контуром, в таком случае компенсация фазы

Саньяка осуществляется посредством отрицательной обратной связи. Это позволяет использовать линейный участок интерферометрической функции и увеличить динамический диапазон детектируемых угловых скоростей [1, 2, 3]. Блок-схема ВОГ представлена на рисунке 1.

Эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения (ЭСВИОИ) - один из ключевых элементов ВОГ, который является квази-идеальным источником для применения в области волоконно-оптической гироскопии. В научно-информационных источниках наиболее часто встречаются следующие параметры ЭСВИОИ для применения в высокоточных ВОГ: выходная мощностью порядка 2-5 мВт, центральная длина волны в области 1.56 мкм, стабильность центральной длины волны на уровне нескольких десятков млн-1/оС, ширина спектра порядка 10 нм, гауссова форма спектра, долговременная стабильность выходной оптической мощности на уровне 0.1% [1, 2, 4, 5, 6, 7]. Обеспечение заданных параметров позволяет уменьшить влияние эффекта Керра, обратных отражений и рассеяний, проблему поляризационной невзаимности. Основные принципы построения ЭСВИОИ широко известны и подробно описаны в научно-технической литературе [8, 9, 10]. Наибольший интерес в данной области представляют способы температурной компенсации параметров его выходного оптического излучения. Широкое распространение получили

способы на основе подбора оптимальной конфигурации оптической схемы: оптимальный подбор длин активных волокон, мощностей лазерных диодов накачки, использование ненакачиваемого сегмента эрбиевого волокна, двусторонняя накачка активного волокна с выбором оптимального соотношения мощностей диодов накачки [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18].

Применение ЭСВИОИ в навигационной системе с несколькими ВОГ возможно при использовании одного из двух традиционных способов подключения, представленных на рисунке 2. К основным недостаткам первого

ЭСВИОИ №1 ЛЬ Д Л1( Р! ВОГ №1

ЭСВИОИ №2 Л2, Д Л2, Р2 ВОГ №2

а)

Аь Д Ль Р1 -► ВОГ №1

ЭСВИОИ №1 Ль Д Ль Р1

ВОГ №2

-►

б)

Рисунок 2 - Схемы подключения ЭСВИОИ к ВОГ: для каждого ВОГ отдельный ЭСВИОИ (а); общий ЭСВИОИ для нескольких ВОГ (б)

способа подключения (рис. 2 (а)) можно отнести высокую стоимость, габаритные размеры, более сложную систему управления и стабилизации параметров ЭСВИОИ; во втором случае (рис. 2 (б)) - невозможность изменения параметров выходного излучения отдельно для каждого конечного устройства с учетом их спектральных характеристик, а также невозможность осуществления температурной стабилизации. Данная проблема является актуальной, управление и стабилизация параметров оптического излучения

независимо для каждого ВОГ позволит уменьшить ошибку сигнала угловой скорости в диапазоне рабочих температур, тем самым повысить точность и температурную стабильность инерциальных навигационных систем.

Многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС) наряду с ЭСВИОИ является одним из ключевых компонентов ВОГ, от которого зависит класс точности измерительного прибора. Основными компонентами МИОС являются фазовый модулятор, оптический разветвитель и поляризатор. МИОС изготавливается на кристалле ниобата лития НЛ) и получила

широкое распространение ввиду своих малых размеров, высокой функциональности, монолитного интегрального исполнения, малых потерь, совместимости с оптическими волокнами [1, 19, 20]. Наличие паразитных эффектов кристалла НЛ является причиной возникновения амплитудных и фазовых искажений оптического сигнала в МИОС. Рассмотренные в работе амплитудные искажения или паразитная амплитудная модуляция (ПАМ) проявляются в изменении интенсивности оптического излучения при прохождении через фазовый модулятор, что приводит к возникновению ложного сигнала рассогласования в интерферометре Саньяка, увеличивает среднеквадратическое отклонение (СКО) и вносит ошибку в сигнал угловой скорости [21]. Способы подавления ПАМ основаны на уменьшении отражений в местах стыковки оптических волокон, изготовлении поглощающих канавок для блокировки оптического излучения от нижней грани фазового модулятора, алгоритмических способов компенсации [1, 2]. Другие способы компенсации, в частности, основанные на применении радиочастотной модуляции, являются наименее изученными и поэтому представляют большой интерес для исследования.

В области волоконно-оптического приборостроения радиофотонные технологии используются не только для создания новых измерительных систем с параметрами, недостижимыми обычными электронными устройствами, но и с целью совершенствования существующих

измерительных устройств. Преимущества внедрения радиофотонных технологий являются неоспоримыми и позволяют сочетать достоинства оптических и радиочастотных устройств в рамках единой измерительной системы. Так широкое в последние годы получил способ высокочастотной (ВЧ) фазовой модуляции оптического излучения, направленный на уширение спектра, который может быть использован во многих волоконно-оптических датчиках, в том числе и в высокоточных датчиках угловой скорости [22]. Уширение спектра оптического источника способствует уменьшению времени когерентности, что позволяет уменьшить вклад ошибки, связанной с паразитными эффектами волоконно-оптического тракта ВОГ, тем самым повысить стабильность сигнала угловой скорости [23, 24]. ВЧ фазовая модуляция оптического излучения является перспективным направлением для применения в высокоточных ВОГ с широкополосными оптическими источниками и является актуальной задачей для осуществления научных исследований.

Проведенный обзор научно-технической литературы продемонстрировал актуальность выбранных направлений исследования. В результате проведенного обзора была сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена созданию и исследованию двухстадийного ЭСВИОИ, обладающего адаптивным вторым каскадом, применимого одновременно для трех ВОГ с разными спектральными характеристиками в составе навигационной системы, работоспособной в широком температурном диапазоне минус 40 до плюс 50 оС.

Управление и стабилизация параметров оптического излучения необходимы для обеспечения высокой точности трехосных навигационных систем. Возможным решением данной проблемы является применение источника оптического излучения с несколькими выходами, для каждого из которых можно одновременно задавать параметры выходного оптического

излучения. В ходе исследований был предложен концепт ЭСВИОИ, который заключается в создании оптической схемы с общей частью, в которой формируется основная часть оптического излучения с высокой мощностью и заданной формой спектра, а также с дополнительными частями, в каждой из которых происходит изменение оптического излучения общей части схемы. На рисунке 3 представлена новая схема адаптивного ЭСВИОИ с тремя управляемыми каналами. Основная часть оптической схемы является двухпроходной с сонаправленной накачкой с установленным сегментом ненакачиваемого эрбиевого волокна.

Рисунок 3 - Оптическая схема ЭСВИОИ с тремя управляемыми каналами

Двухпроходные схемы с сонаправленной накачкой обладают большей выходной мощностью и более длинноволновым спектром относительно двухпроходных схем с противоположно направленной накачкой. Сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна необходим для осуществления температурной компенсации центральной длины волны выходного оптического излучения, так как температурные коэффициенты накачиваемого и ненакачиваемого сегментов являются противоположными по знаку. Выходной каскад ЭСВИОИ соединяется с основной частью с использованием

оптического разветвителя и является однопроходной оптической схемой с противоположной накачкой. В таком случае сегмент эрбиевого волокна в выходном каскаде может работать как фильтр, если не будет накачиваться лазерным диодом выходного каскада, либо как усилитель, в случае оптической накачки. Применение оптической схемы с противоположно направленной накачкой позволяет использовать лазерный диода с длиной волны 1490 нм, которые обладают большей квантовой эффективностью по сравнению с лазерным диодом 976 нм.

Оптическая схема адаптивного ЭСВИОИ с тремя каналами была исследована с разными длинами и типами активных волокон выходного каскада. В качестве фильтрующего и усиливающего эрбиевых волокон основной части оптической схемы были установлены волокна 1-25 длиной 6 метров каждый компании <^Легсоге», выбранные по результатам предыдущих работ по данной тематике [25]. В ходе исследования выявлено, что применение эрбиевых волокон выходного каскада с суммарным коэффициентом поглощения на длине волны 1530 нм порядка 70 - 120 дБ позволяет обеспечить выходную мощность 5 мВт, центральную длину волны в области 1.56 мкм и ширину спектра порядка 10 нм.

Оценка температурной стабильности параметров выходного оптического излучения макета ЭСВИОИ проводилась в климатической камере в диапазоне температур от минус 40 до плюс 50 оС. По результатам исследований была выявлена возможность стабилизации центральной длины волны от 1564 до 1566 нм в диапазоне температур от минус 40 оС до плюс 50 оС при стабилизированной выходной мощности 5 мВт и длинах активных волокон 3 м, 3.6 м, 5 м выходного каскада. Установлено, что можно производить изменение диапазонов устанавливаемых температурных коэффициентов центральной длины волны. Так для длин активных волокон выходного каскада 3 м, 3.6 м и 5 м (Ь25, ^^г^ге») диапазоны перестраивания температурных коэффициентов составляют -43 .. +12 млн-1/оС,

-33 .. +18 млн-1/оС, -72 .. 25 млн-1/оС. Одна из зависимостей температурного коэффициента центральной длины волны от коэффициента накачки при длине волокна выходного каскада 3.6 м представлена на рисунке 4.

Полученная зависимость температурного коэффициента может быть использована для компенсации механических изменений волоконно-оптического тракта. Так как стабильность масштабного коэффициента (МК) ВОГ определяется не только стабильностью центральной длины волны, но и стабильностью механических размеров волоконно-оптического контура (ВОК). Наибольший вклад вносит ВОК, размеры которого изменяются в зависимости от внешних условий. Так с повышением температуры

о

20

Зависимость Ю от Кр

Е о. о.

4- 10

О

0 X

* 5 0 о

3 т

И -10

® Б-

о. ф

1 £ -20

ф л Н Ш

пз

е- -30

т ф

^ 0.35

-Модель Р=5мВт{макс. изм. цен.дл.волны во всем темп, диап.) —• -Эксперимент Р=5мВт (макс. изм. цен.дл.волны во всем темп, диап.)

-

II т

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Коэфф. накачки Кр, ед.

0.7

0.75

0.8

Рисунок 4 - Зависимость температурного коэффициента центральной длины волны (К!) от коэфф. накачки (Кр), (фильтр./усил. волокно (Ег3+)

№2 - 125, 3.6 метра)

происходит увеличение длины и диаметра ВОК. Величина изменения размеров ВОК зависит от коэффициентов теплового расширения используемых материалов. Температура влияет и на спектральное пропускание волоконно-оптического тракта. Вклад в стабильность МК вносят используемые оптические компоненты, параметры которых зависят от температуры окружающей среды, а также фотоприемный модуль, спектральная чувствительность которого также сильно зависит от

температуры. Зависимость МК ВОГ от геометрических параметров и от изменения центральной длины волны можно описать формулой:

сСМК = -йЮ - ^¿А, (1)

Ас А2с

где X - центральная длина волны, средневзвешенная по частоте, с - скорость света, Ь - длина ВОК, О - диаметр ВОК. Тем самым даже при фиксированном значении центральной длины волны происходит изменение МК ВОГ ввиду температурных изменений размеров ВОК. На рисунке 5 представлен пример типичной зависимости температурного коэффициента МК ВОГ в зависимости от температурного коэффициента центральной длины волны ЭСВИОИ. Таким

Температурный коэфф. центр. длины волны ЭСВИОИ (К,), млн-1/°С

Рисунок 5 - Пример типичной зависимости температурного коэффициента МК ВОГ в зависимости от температурного коэффициента центральной

длины волны ЭСВИОИ

образом, можно установить температурный коэффициент центральной длины волны ЭСВИОИ такой, чтобы компенсированный температурный коэффициент МК ВОГ был равен нулю.

В составе трехосной навигационной системы для каждого конечного устройства устанавливается собственный температурный коэффициент центральной длины волны На рисунке 6 (а) представлена блок-схема подключения ЭСВИОИ к трем ВОГ с учетом их температурных

коэффициентов, а также пример типичных зависимостей температурного коэффициента центральной длины волны от коэффициента накачки (Кр) для трех выходов ЭСВИОИ (рис. 6 (б)).

Для применения в навигационной системе с тремя ВОГ предлагается следующий алгоритм действий:

1) измерить KtMKi/KtMK2/KtMK3 ВОГ;

2) измерить Kt(Kp) ЭСВИОИ для разных длин Er3+ волокон;

3) выбрать и установить Er3+ волокна G-EDF №1/№2/№3 с соответствующими Kt1/Kt2/Kt3 для компенсации KtMK1/KtMK2/KtMK3;

4) для более точной подстройки установить Kpi/Kp2/Kp3 для каждого выхода ЭСВИОИ при P976 = const.

Рисунок 6 - Подключение ЭСВИОИ к трем ВОГ с учетом их температурных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Востриков Евгений Владимирович, 2022 год

- -

1581.3 1581.4 1581.5 1581.6 1581.7 1581.8 1581.5 1582.0 Wavelength, nm

Figure 2. Optical spectra measured with and without modulation.

International Conference Physic A. SPb/2020_IOP Publishing

JoumalofPhysics:Confcrencc Series 1697 (2020)012171 doi: 10.1 OS8/1742-6596/T691 /012171

Figure 5 shows that the noise floor of the laser-driven FOG output signal can be reduced us:ng ultra high frequency modulation. The noise floor of the FOG spectrum decreases as well as the standard deviation of the FOG output signal.

3. Results and discussions

The dependencies of the parameters of the FOG output signal on the frequency and on (he RF signal power are evaluated in the experiment.

Research shows that ultra high frequency modulation of laser radiation made it possible to increase spectrum width due to redistribution to modulation harmonics of the laser radiation. This approach allows to reduce the standard deviation of the laser-driven FOG signal more than 2,5 times (according to Allan variation in (he region of averaging windows up to 10 seconds) compared to using laser-driven FOG without modulation. Nevertheless, to achieve the noise level of a laser-driven FOG the same as the noise level of a FOG driven by a broadband source, it is necessary to use a broadband noise source with a constant power spectral density and higher output power. In this research, the broadband light source gives better insults, however technique of ultra-high frequency modulation of the laser radiation shows comparable results with other RF signal generators [2, 3]. This technique has a significant advantage that the central wavelength of a laser has better stability comparing with a broadband source [6]. Also, this approach allows to improve scale-factor stability and reduce excess noise, Besides, this method can be very useful to reduce the cost and complexity of the FOG, The application (tf MP is a possible way of improving the FOG accuracy.

The researchers plan to perform additional experiments to study the effect of the ultra high frequency modulation of laser radiation on the FOG scale factor. The results of these studies will be published in the following papers.

Acknowledgments

This work was done at ITMO University and was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under Agreement №075-11-2019-026 of 27.11.2019.

References

[1] Vostrikov E V. Litvinov E V. Volkovskii S A. Aleinik A S and Polte G A 2020 Application of

microwave photonics in fiber optical sensors Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 20 1-23

[2] Chamoun J and Digonnet M J F 2016 Pseudo-random-bit-soquence phase modulation for reduced

errors in a flier optic gyroscope Optics Letters 41 5664-67

[3] Chamoun J and Digonnet M J F 2017 Aircraft-uavigation-grade laser-driven FOG with Gaussian-

noise phase modulation Optics Letters 42 1600-03 |-4] Ciminelli C, Dell1 Olio F and Armenise M N 2016 Photonics in space: Advanced photonic devices and systems (Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte, Ltd.) pp 236

[5] Lefcvrc II C 2013 The fiber-optic gyroscope: challenges to bccoine the ultimate rotation-sensing

technology Opt. Fiber Techno! 19 828-35

[6] Lcfevrc II C 2014 The Fiber-Optic Gyroscope 2nd edition (Norwood: Aitcch ¡louse Pub lis hers)

pp 416

Methods of Stabilization of Central Wavelength of Erbium-Doped Fiber Source for High-Accuracy Fiber

Optic Gyroscope

I. K. Zalcsskaia1, E. V. Vostrikov1, N. E. Kikilich1, A. S. Alcinik1,M. A. Smolovik1, A. V. Vinogradov1,

1 K. Meshkovskii1

Department of Light-dnidod Photonics. IT MO University. Saint-Petersburg. Russia

Л h I met— The с с »I nil isHvclcnglh si и h il in оГ I lit1 trbitmi-li11l-li filler «iure« <ki>i's) is on« ог rile most significant

Til IIIL'Il'1'Ц M prnvidc the ICfUIMIC operitioil of Iligll-lCCUriCy

Hfoer-oplk gyroscope (FOGs), [н ihis paper. the method оГ

stahili/atinu иГ llie К [>!■ S bis a [);ir< al'I lu- KCK ■ is pr г sc ill cd. Ihr main advantage of Ulis method К Ilk- possiliility of quick и mi simple matching of teinperiture-coin pen Kiting spectral IiIIli s by L-liiiiiujiiji iii l1 piun|i ratio »illioul modifications о Г I lie oplieul s с Ii I.'mi.'. Il alkm^ tu nhtaiu lin isorld class stability of Hie rentrai wavtknjth of (he tins as я component оГ spec irai selectivity devices und provides lin.1 conslaul value uNlic optical puiser of Hie о ni pu I light I'h и proposed mclhod mal« it possihk № compensate the spectral characteristics of FO(j. achieving Hie stability оГ output lit;hl central wave кик I II alKiut 0.7 ppm/T. Also,« inrlli»ü оГ r cul-liiiif stabilisation of tili кпЩ] wivdtnglli of I he oui pui light «il.) u ii h constant 0|Hkal power is proposed. The temperature stability of the EDES central ivavelcuglli us a coiiipLinent ofthe FOG was obtained il(l.32 рршГС.

Kcpmrds— ЕгЫяж-doptâ fiber source, FOG, optica! fiber sensor, supcriuniinescettl source, temjmture stability

Supcrlumincscent Ught-tinilhTig diodes (SLED) and erbium-doped fiber sources {EDFS) have characteristics that allow increasing the accuracy of fiber optical gyroscopes (FOGs). The aging degradation of the SLED causes changes in the optical spectrum and the central wavelength offset of the output light (OL). EDFS has higher stability of the central wavelength. I lowvver, it is necessary to increase the temperature stability of the optical parameters of the EDFS to further improve the accu racy of the FOG [ 11.

In th i s article, the E DF S opt ical scheme based on the double -pass bidirectional pumping configuration. The pump ratio of the forward to total pump power is used for the numerical description oftheoptical schcmeofthe F.DFS:

p ,, . ,, - w

y '/omrf +

where Pfomtri is the forward pump powen fW* is the backward pump power. Impendence of the temperature coefficient (TC) of the ccmral wavelength on the pump ratio before and after the FOG fiber-optical path, was received by the method of stabilisation of the EDFS without real-time adjustment of the pump ratio of the laser diodes is presented (kig. 1).

Pump ratio (Kp), units

Kig, I, liqifndcncc of flic "PC of the ccutral wavelength on the pump ratio before and after Lhc FOij fhi.T4ipLitjil puLh.

The minimum TC of the central wavelength of the OL was

Kt - 0.6 ppm/°C With the pump ratio K? =0.135 units. The TC of t he ce ntral wavelengt h i nereased more than six times (A'.. = 3,8 ppWC | after the fibcr-optical path of the FOG at the same pump ratio. Also, the method of'real-time stabilization of the central wavelength of the OL with constant optical power is proposed. The proposed method is based on measured

temperature dependencies of the central wavelength and pump

ratio of EDFS with the constant optical power of the OL. The control system sets the pumping ratio according to the measured dependence and real-time temperature measurements. This method allows to dccrcasc the central wavelength TC to 0.32 ppm/'C.

ш. Conclusion

T his st udy presentsthemet hod of stabi I izat ion of the EDF S, which allows to change the parameters of the OL (the central wavelength, the TC of the central wavelength) at the constant output power by changing the optical powers of the two laser

diodes. The results of the скреп men t show that the method of stabilization without real-time adjustment makes it possible to decrease the TC of the central wavelength down to 0.7 ppm'C. At the same time, the real-time stabilization method allows to decrease the TC of the central wavelength down [o 0.32 рртГС.

References

[i I H.C. Lcfevrc The Kibcr-Optic Gyroscopc, 2nd cd, Norwood: Artcdi Bone RiMehes.20]4tpf}. 4<W,

1, Introduction

ii. expkkimhntal kh5ults

Autiwiiédliiirtiid us* limited to: Si Fitosbmg Nail uni ef info T*th M*thaOptts. Dötfnlaadid onOilöb«01.2022 at 1 й:035É LfTCian IEEE Xpter*. R«lnilii44ä((Jly.

Research Article

Vol. G1, No. 23 /10 Aug ust 2022 / Appted Qa lies fi3S 7

applied optics

Stabilization of the mean wavelength of an erbium-doped fiber source as part of high-accuracy FOG with increased spectrum width

Nikita Kikilich,1 Artem Aleinik,1 Grigorii Pogudin,1 * © Evgenii Vostrikov,1 2 Mikhail Smolovik,3 Andrei Vinogradov,1 Iuliia Zalbsskaia,4® and Evgenii Motorin1

'Department of Ught-GuidedPhotonics, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITIW University), 49 Kronverkslty Prospekt, Saint Petersburg, W 7 tot, Russia 'InnolUim GmbH, 1J Konrad-Adenauer-ADee, Dortmund, dd263, Germany JScantinel Pho tonics GmbH, 4 Hirschs trails, Ulm S90 73, Germany

JOptoelectronics Research Centre, Tampere University, 4 Kalevantie, Tampere 33100, Finland 1Corresponding au ihor: [e-mail]

Received 7 April 2022; revised 19 July 2022; accepted 21 July 2022; posted 22 July 2022;published2 August 2022

'IT)« mean wavelength, spectrum width, and optical power of the output light of an erbium-doped fiber source (EDFS) are key parameters for navigation systems based on navigation-grade and strategic-grade fiber optic gyroscopes (FOGs). We propose a method of simultaneous stabilization for EDFS parameters. The essence of this method is to stabilize the constant values of the mean wavelength and optical power hy real-time adjustment of the two laser diodes' pump ratios during temperature changes using an EDFS double-pass bidirectional optical scheme with the unpumped erbium-doped fiber. The achieved temperature stability of the EDFS mean wavelength as a component of the FOG was 0.32 ppm/°G, and the spectrum width at half-maximum was more than 16.5 nm. ©2022Op lea FuttisHng Qnxip

https://()ol.oig/10.1364/A0.460504

1. INTRODUCTION

Optical emissionsourcei ate widely used as components for various devices such a! imaging devices for medical applications [1| or optical time domain rcflectometiy fot fiber characterization [2], and these sources have specific parameters for each application. The mean wavelength, optical power, .specirum width, and other characteristics of the sources depend on tlie ft mures of doped fibers. Erbium-doped optical emission sou ices arc commonly used in navigation systems. The mean wavelength of i he erbi um -do ped fi ber sour« (E D F S) is r he s am e as i he fi ber optic gyroscope's (FOG s) operating mean wavelength. I he specific parameters of the sources depend on gyro .5 tope grade. The sources tor navigation-gjade (O-Of/h) and strategic-grade (0.00l=/h) FOGs arc supposed to meet certain requirements such as optical power of about 10 mW, un polarized light of

about 1%, and a short coherence length (about 0.1 mm) [3]. EDFSs meet the above requirements and have a high level of stability of mean wavelength during temperature changes. Furthermore, EDFSs are less subject to aging degradation [3]. The broad spectrum ot the output light (OI.) in EDFS allows to rcducc the interference contrast ot parasitic eft eurs appearing in FOG, such as shot noise, backreflections, backscatters, and

Kerr effect [3]. Oil the other hand, the optical ligtit spectrum instahilirydunngicmpcraiurechangps is oncol ihemost important disadvantages ol EDFSs. Spectrum changes might cause tlu* mean wavelength offset, which is the main reason for FOG output signal errors.

EDFS is a component of FOG, and its main features as such are aging degradation resistance and ihe temperature stability of parameters. The mean wavelength stability depends on the instability of the EDFS OL and is included in the scale factor (SF) formula. I he SF is one of three key factors that influence FOG accuracy (the other two arc bias drift and random angle walk). Small fluctuations of the mean wavelength cause SF changes, A decrease in SF fluctuations makes it possible to increase FOG precision. I lie mean wavelength is used in FOG formulas (3], and it can be derived through spatial frequency (inverse of wavelength X) due to EDFS frequency spectrum asymmetry. The FOG optical scheme has spectral selectivity, which depends on temperature. Therefore, the FOG spectral selectivity has to be considered in the mean wavelength stabilization process [4-6].

The stability of the EDFS is increased by using icmperatuncompensating filters [7-9] such as a fiber Bragg grating [10], long-period fiber grating [II], thin-film filteis, or unpumped

1559-12&XJ22/226827-07 Journal © 2022 Optiea Publishing Oroup

MS0 Vol, 61, Ho, 23 / 10 August 2022 / Applied Optics

Research Article

erbium-doped fiber (EDF) [ I 2-14]. Tlie above approaches [7-I4] lend to have disadvantages that could beaddressed by using a unique and .specific .spectral filter and marching rhe optical scheme foreach of them. Matching the optical scheme includes choosing the optimal length of the EDF and optimal pumping power. Also, there are studies that pro pose optical sdiemes without a possibility of changing the mean wavelength, spectrum

width, or OL optical power at a constant mean wavelength temperature coefficient. I he existing methods of wavelength stabilization make the spectrum width decrease, which increases the coherence length and decreases the accuracy of the FOG (4,9-12]. In most studies of tIn- mean EDFS wavdength stabilization, the spectrum width docs not appear to be considered-In [15-17], the spectrum widrh is not reported or does not exceed 12 nm if it is.

Tlte current research has shown tlwt the suggested method of stabilization overcomes the limitations of research [6] by real-time adjustment oi rhe pump ratio. The method allows obtaining rhe lowest mean wavelength temperature coefficient for various devices with an increased spectrum width by using mean wavelength stabilization in any spectral EDF gain region,

2. EXPERIMENTAL SETUP AND METHOD

I he experimental setup of an EDFS is shown in Fig. 1.1 he opt i-cal scheme is based on ilie double-pass bidirectional pumping configuration wiih two laser diodes. This optical scheme allows adjusting the EDFS mean wavdength, mean wavelength temperature coefficient, and spectrum width at a constant optical output power. Pumping at 980 11111 allows to achieve total population inversion of the ground energy level and a metastatic energy level, I'll 111 ping at 14SO nm effectively interacts with Er+3 ion.s and allows achieving higher output power [18]. The Faraday minor reduces the polarization dependence and laser generation [14,19]. Ill IS setup uses wideband wavelength-d¡vision multiplexers (WDMs) with a signal transmission window of1510-1620 nm and a pump transmission window of

14 SO ±5 11m or 980 ± 5nm.

Two laser diodes with center wavelengths ot = 980 tun and Ahao =; 1480 11111 pump the gain EDF by WDM, which causes amplified spontaneous emission (ASE) in the gain EDF that emits light in the range of 1520— 1570 nm in both directions. The ASE propagates from ihegain EDF to the unpumped filter EDF. The un pumped fiber absorbs the ASE (mm rhe gain EDF and transfers it to the longer wavelength range of about

15 SO 11111. Thus, the ASE spectrum moves to the L-band. The resulting form of OL ar the EDFS output port is the sum of ASE tromga::: EDF and filler EDF.

The combined ASE spectrum at the EDFS output, which includes radiation across all wavelengths between 1530 nm and 1620 nm, is presented in Fig. 2.

Fimnhy- WDM

Mui'OL' F ¡hit EDF ufeviiso

HUM «DM

LSJuirtD Gain EDF ndyiijo IKIIMUT

a

u . hi ,.;Hi ^idnp

Fig. 1. EiptrimentjL setup of an EDFS.

Pmup Lflscr urn ,1111

1520 1540 1560 L580 1600 1620 LMO Wii vclcT^lh (Tim)

F i g. 2, Co nib ined AS E spectr u ni at t he EDFS o u tp ut.

The long-wavelength part ol rhe spectrum occurs due to reabsorption of ASE radiation 111 the filter EDF, whereas the short-wavelengrh part ot the spectrum is related to radiation from the gain EDF that is closest to the EDFS scheme output (see Fig. I). The contribution of filter and gain EDF to the combined ASE spectrum wis defined by adjusting rhe pump ratio.

The Kr is the pump ratio of the forward to the total pump power and can be exp ressed as

Kp~ P-m

AH№

[1}

where Aibo is rhe forward pump power, and />]<f8Q is rhe backward pump power.

The II11 OrtO fi her by Co rni ng wii h a cu roffwavelengi h below 970 nm was used in the optical scheme (WDM 1 5507980 nm) to p rovide s ingle- mode opera 1 ion of 1 he E D F S,

Fibercore fibers 1-25 and M-12 were used in the ex peri mental setup with absorptionsof40 dB/m and 20 dB/m at a wavelength 1530 nm, respectively. Oilier properties of the above two fibers arc similar. In fact, tlie approach described in this paper is applicable to any EDF type.

I111 he experiment, rhe L-ngihs of ihegain EDF (M-12 fiber) and filter EDF (1-25 fiber) were tailored to obtain EDFS output power of 10 mW, which was stabilized during tile experiment. The M-12 fiber was sdectod as the gain EDF due to its higher gain at a longer wavelength region compared to 1-25 fiber. The ratio ot the length oi the filter EDF to the gain EDF Ki was selected in the range from 0.2 to 1.5 to obtain the effective reemission of the ASE. This method does not suppose finding the optimum lengths ofEDF.s or optimum pump powers with high accuracy [14,15].

A schematic diagram of t lie experimental setup for measuring EDFS parameters is shown in Fig. 3. 1 he personal computer (PC) sets the Kp and controls the temperature oi the climate chamber. The optical spectrum analyzer (OSA) (Yokogawa AQ6370) measures the OL optical spectrum and forwards the spectrum data to the PC.

This research shows the dependencies of the mean wavelength and spectrum width on EDFS temperature at different pump ratios and a constant OL optical power.

I lie mean wavelength temperature coefficient is given bv the equation

„ (A

10É

^■Wa^ç " ( ill«

^min )

Research Article

V6I.G1,№>. 23/ 10 Augmt 2022/ Applied Optics 6829

( 'Li nu le lIijjiiIh'i

FMni-0|Hii:iil pjjjfa ut llu ] '(Ht Muriii» PS» XHCPuJg . I_MIOC

Ptwlodrlwli* Sigiwil

imrt imiLffiMii^ IUIQI

FOG

L

OSA

PC

- -I I

Fig.3. Sc be nw tit diagram of rhc ex peri mental serup for masuring mon wavelength rem pen cure de pendente.

where A„,nLn is rhc maximum mtan wavelength, ...... Is the

minimum mean wavelength, and Xm4I] is ilte arithmetic mean wavel enj^ h exp lessed as

i^i-1

(3}

where is rhc mean wavelength. The latter was derived through .spatial frcquency (i.e., the inverse of the wavelength dm. = 1/Am), i i.s rhc dement number, and k ¡5 the total dumber of measurements.

n i.s the number of data array rows, which i.s calculated by the equation

AKt

(4)

The number of data array raw! n depends on rhc .step A Km, maximum i^.indminimum Kp.

I lie maximum tempcratuie minimum temperature

7"min, and step A 7" affect i Ik* number ofdaca array columns m:

^mjffl 7rilliri AT '

(5}

The data array of ilw mean wavelength and spectrum width depending on the temperature at the output of the MX! was

measured. The length of the data array is calculated by ihe equation

yy _ (Time ~ ^iiiin) ^ (-^Vnm ~ -^nuij Jgj

AT

AK„

The duration of each .step A^ is minimized and constrained by t he meas u rcmcn r speed of OSA.

The optical spectra were analyzed at the output of the FOG, I he FOG is a research model of a commercially available navigation-grade FOG wiih an accuracy of 0.01 ^/h rated for operating in die temperature range from 0"C to +40"'Ciicord-ing to the datasheet. During the experiment, the temperature of theEDFSand FOG changed from Tm,n = (PC to Tm„ = 40=G with the .step of AT" = lO'C. The pump ratio changed from

K/,......= 0 to K/,^ = 1 with the step of A Kp= 0.01 at each

temperature value. In the course of the experiment, the maximum optical power of rhc 9 SO nin la.scr diode reached 150 inW, and for the 1481) nm laser diode, it reached 100 mW. The calculated value of the pump efficiency vanes in the range from 5% to 1 5% depending oil the pump ratio. The .spectrum of ihe stabilized source is bell shaped.

Figure 4(a) .shows that the tempera!uie in the climate chamber changes from Tm\„ to Tniy with the step AT. Figure 4(b) shows pump ratio changes. Thus, when the temperature is set, the Kp value changes from the minimum A^nlin value to the maximum Kplsml value with a AKf step. 1 hen the temperature increases by A 7", and AT> changes again from ihe minimum ro in a xi inu in value.

I lie s pect rum of t he O L was icco ided for each measu rcmcn t.

The measured dependencies of rhc mean wavelength and spectrum width on the temperature at different pump ratios at the output of the FOG are .shown in Fig. 5 (the colormap is ap pi ied for i m proved v i.su al izat ion).

In Fig. 5(a), the color of ihe surface indicates the mean wavelength changes with the pump ratio and temperature. 'Ilie dark blue .surface of the 3D plot shows ihe mean wavelength close io 1554 dm. The light yellow surface of tlie 3D plot shows the mean wavelength close to 1574 nm. The mean wavelength rises gradually with increasing the pump ratio. In addition, ihe temperature influences the mean wavclcngih, as rhc laner slowly decreases wilt temperature rising. For example, the mean wavelength changes from 1571.58 nm to 1568.11 nm

(a)

Wvwïr

Tm+HT TulQ

№ M

k,

J^+flAE,

i-v-iifc-.

Kc-niA'p

m

z

z

r4l

m

.Vu .Mi .Vu ,Vl, .Vii.V;, Vii HumifaNB JVi

Fig. 4. (a) EDFS temperature and (b) pump ratio changes during the experiment.

Research Article

Vol, S1, No- 23 / 10 August 20 2 2 / Appfïetf Optics 6331

K (LifUU)

10 2(1 M

Temperature (°C)

0,54

O.aS

Mian Wuvck-njilh - JSSM.S nm

K

E

k, = ».s

10 mW

10 20 30

TrmptTmuri" |':,Cj

Fig, 7, (a) Mean wavelength temperature dependence at different pump ratios in die region of maximum spectrum width and (b) calculated temper am re dependence a f the p u m p ra tit) at the let val He o f the mean wavele flgth.

The method allows obtaining higji stability of the mean wavelength with an increased spectrum width at a constant output optical power ot the OL. The measured temperature dependence of the mean wavelength at different pump ratios in the region of the maximum spectrum width for the suggested configuration at the selected output power (10 mW) is shown in Fig. 7, Figure 7(a) shows the mean wavelength dependence ot the EDFS on tem perat ure,

I he background of Fig. 7(a) shows pump ratio changes. J here is ascalcon the right ofthefigute that .shows the telation between the pump ratio and the palette color. The 3D surface colormap is also in approximation surface.

For presentation purposes, black points illustrate pump ratio changes from 0.4 to 0.6 at different temperatures. The spectrum width Ls more than 16 nm at these points (the region of maxim um spectrum width), 'lite red line illustrates the mean wavelength of 1569.5 nm; the pump ratio has to be changed to maintain the constant value of the mean wavelength when the temperature changes. Figure 7(b) shows the calculated temperature dependence of ilk* pump ratio at the constant mean wavelengt h of the ED FS. The dependence of the pump ratio on temperature is calculated from the measured dependence [black points under the red line in Fig. 7(a) and red points in Fig. 7(b)]-These dependencies were obtained during the experiment and make it possible to stabilize the EDFS mean wavelength at a constant optical power.

The experiment showed that the mean wavelength of the EDFS decreases with an increase in temperature. The red line in Hig. 7(a) shows t lie plane at the constant mean wavelength of the EDFS. I lie temperaturedependenceof the pump ratio for the set value of ihe mean wavelength can be found by the graphical merhod.

The points in Fig, 7(b) are solutions of plane intersections of the measured mean wavelength temperature dependence of the EDFS at different pump ratios and the red plane at the constant mean wavelength.

The calculated temperature dependencies of the pump ratio are used by the Control system, which receives data from the

temperature sensor and sets the appropriate pump ratio. For different K?, the mean wavelength and spectrum width of the stabilized EDFS arc different.

3. RESULTS AND DISCUSSION

The results are shown in Fig. 8. It shows the dependencies of the mean wavelength and spectrum width on the lem perat ure of the EDFS at the output of the FOG with and without the met hod of simultaneous stabilization ofiheHDFS mean wavdength.

Thegjaph in Fig. H shows that rhe mean wavelength tempérât uie coefficient decreased from 55 ppm/=C to 0.32 pptW^C, which is a more than 170 times increase, with an increasedspec-trum width (maximum value of spectrum width lor tlie present EDFSconiigurarion)ofmorethan 16.5 nm maintained

A comparison between the proposed method and methods referenced in other publications is given in Table 1. For instance, method no. 5 allows to achieve the largest spectrum width but has poor mean wavelength stability, and method no. 6 shows excellent wavelength stability but very narrow spectrum width.

4. CONCLUSION

A method for the simultaneous stabilization of parametersof the EDFS (mean wavelength, temperature coefficient of ilie mean wavelength, and other characteristics) Ls proposed.

One of the main advantages of this method is the absence of expensive components, for example, precis ion tem perat tire-compensating filters. The proposed merhod requires a precision temperature sensor and the measured temperature dependencies of the EDFS parameters obtained at different pump ratios. An additional advantage of this method is the stabilization of EDFS parameters that takes into consideration rhe spectral selectivity of connected devices such as the FOG, which allows using i lie EDFS as the component of imaging devices for medical ap pi ications (1 ], op lica I ri me do ma i n reflcciomciry fb r fiber characterization [2], and many other modern devices.

ваза Vol. 61, Но. аз Л О August SÜSS IA pptisd Op tics

Research Article

157I

£ I570.S ■ 3 157(1-

£ life^.5 $

S 1569

О I5ÜH.S I S(S 15Й7.5

к,

. - - > ^ 1Д:

C-.

»1- j ■ ^ «■ 11

7

4

4 -e*C"c-iuriil vuivclcngih. чшыи/мтп Ky г-cnL-timc ¡uImisiuh-w. 0 jipm -f -•-Central wiveloifdi. Kp 0.4R5. i SS.ft ppnvT -t-Sfffiinjm v, »Ah, 0.4*5 -«^Spocirum v.Mkh. доЫНдойол b> red-tiitM adjustmctiL

S

10

10

.IS

4П

45

18,5 IB

17.5 I ,7 I 16.5 I

J

и

16 £

15,5

15

21) 25 Temperature (°C)

Fi g. в. Dcpendenc ics о f the mean wavclcn gt b and spcctr um wid rh о f the ED FS on tc mpcraru tc wit b and wltho u t si mu Iranco us s tab I ba rio n of the F.DFS mean wavelength.

Table 1. Comparison between the Proposed Method and Referenced Methods

A., Stability. Spectrum Temperature

рртГС Width Range Main Feature!

Pm posed method 0.32 16.5 nm 0s М+40"С Achievement of the broadest spectrum alongside high stability of the central wavelength was demonstrated

Our previously (J .7 12 nm -40° to -HS0°C Superior stability of the Central wavelength of the F.DF-S as

proposed a co mpo nen t o f var io us devices with 1 pcctral selectivity;

method {6] sctti ng a con 5 tan t va lue of the op tic po we r o f the OL wi thou t mod i fying the op tic scheme

Method no. 1 [1 7] 1.3 10 nm -40" to +60*C Optimum types and lengths of EDFs found

Method no, 2 [16] 0,129 Twopeabiifi nm (I, ^ 1530 nm) 5 nm (X - 1560 Jim) —40" w -HS0°C Superfluorejceni fiber source based on an erhium-d«ped photonic crystal fiber with high mean wavelength stability, Optimum lengths of EDFs and optimum pump powers

Method no. 3 [15] 0.077 6 nm -40" № +70° С with a high degree of accuracy found

Method no. 4 [20] 0.67 15.5 nm —26" to +65'C broadband FBG with carbon fiber composite materials used for temperature-stable passive control

Method no, 5 [21] 1.5 37 68 nm -40J w -H$0°C One-stage hackward erhium-doped fiber super fluoresce« t sou tee con figuration proposed by incorporating «vertical tleaw;d filler tail that acts I ike a Fres «el reflector

Method no. 6 [22] 0.009 2 nm —45° to +70° Nartowoprical filrci used to improw pcrfotmanccof the single-pass backward erbium-doped fiber super fluorescent sou tee con figu ration

The proposed method allowed a 170-fold decrease in the mean wavelength temperature inefficient (Irom 55 pptn/0C to 0.32 ppm/'C) with a constant value of the increased spectrum widt h for a s peci Re con figu rationoftheEDFS.

lb the extent of our knowledge, this is the first work in which the mean wavelength stability of the EDFS is less than 0.32 ppm/^C maintaining the broadband optical spectrum oF more than 16.5 nm. These results weie obtained in the operating range of the FOG prototype (0°C ... + 40"Q. Current research in the field of EDFS allows achieving die mean wavelength temperature coefficient of less than 0.32 ppm/"C. On the other hand, the spectrum width does not exceed 8—12 nm

(15,23-25].

Funding. Ministry of Science arid Higli-er Education of the Russian Federal ion (goszidan ie 2019-0923).

Disc Ids ur&s. The authors dedare no conflicts ofi nterest.

Data ava liability. Data underlying the results presented in this paper are not publidy available at rhis time but may be obtained from the authors upon request.

REFERENCES

1. J.-H, Lee, E.-J. Jung, ardC.-S, Kim, "Optical coherence tomography based on a HnVinuOLis-wave supeiwntiriuuiri seeded By erbium-doped fiber's amplified spontaneojs emission," J. Opt. 5oc. Korea 14,49-54 {2010}.

2. K. Takada, M. Shimizu, M. Yamada, M. Horiguchi, A. Himeno, and K. Yukimatsu, "Ultrahigli-senisitivity low coherence OTDR using Ef5'-doped high-power superfi uorescent fibre souice," Elect non. Lei L. 28. 29-31 (10B2}.

3. H. C. Lefevm, The Fibec-Optlc Gyro sc ewe, 2nd ed, {Artech Ho use, 2014).

4. H, C, Lefevie, "The fiber-optic gyroscope; challenges to become the ultimate rotation-sensing technology," Opt. Fiber Techno I. 19. S2e-B32{20i3},

5. G, A, Pavlath, "Fiberoptic gyios past, present, and futuie," Prot, SPIE 6421,1-10 (2012).

6. E. Vostrlkov, N. Kitulicti, Y. Zalesskaya, A. Aleinlk, M. Smolovik, I, Deyneka, and I. Meshkovskii, "Stabilisation of central wavelength of erbium -doped fiber sou ice as part of high-accuracy FOG," I ET Optoelectror.. 14,218-222(2020).

7. J. L, Wagener, C, W. Hodgson, and D. G, Fancier, "Stable fiber AS E sources incorporating spectral tittering," u.S, patent 5,675,203A (February 23,1999),

0. H, J. Patrick and A, D, Kersey, "Temperature stabilized broadband optical source and method of using same," U.S. patent 6,249,623B1 (June 19,2001].

9. Y. Yang, 3- Vu, Z Zheng, W. Zhang, W. Jin, and X. Jiang, "Erbium-doped Superfluoiescent fiber source for fiber-optic gyioscope," Proc. SPIE 4&20,m-i 14 (2002).

10. POu, B. Cao.C, X, Zhang, Y. Li, and Y, H. Yang, "Er-doped superfluoiescent fiber souice with enhanced mean-wavelength stability using chirped fiber grating," Election. Lett. 44.137-189(2003).

11. H. J. Patrick, A. D. Kersey, W. K. Bums, and R. R Moeller, "An erbium-doped s upeifluo nascent fiber source with long period fiber grating wavelength stabilization," in 12m International Conference on Optical Fiber Sensors, OSA technical digest series (1997), Vol, 16, pp, 136-141.

12. D, Gulllaumond and J, P Meunier, 'Comparison of two flattening techniques on a double-pass erbium-doped superfluoiescent fiber source for fiber-optic gyroscope," IEEE J. Sel. Top. Quantum Election. 7, 17-21(2001).

13. M, Tachibana, R, I, Larning, R R. Morkel, and D. N, Payne, "Erbium-doped fiber am pi if ier w ith t he f lattened gain spect rum, " IE E E P hoton, Techno I. Lett. 3. 110-120(1991).

14. L. Yan, M Jiang, C. X, Zhang, and H. J. Xu, "High stability Er-doped superfluorescent fiber source incoiporating an Er-doped fiber filter and a Faraday rotator minor;" IEEE Photon. Technol. Lett. 25, 731-733 (2013)

15, X.Wu,L, Zhang, C.X, Liu, andS,C. Ruan, "High-stable,double-pass forward superfluoiescent fiber source based on erbium-dcped photonic crystal fiber," A pp I. Phys, B 114,433-436 £014},

16, X. Wu.S. Ruan, C. X Liu, and L. Zhang, "High-stability erbium-doped p hoton ic crystal f iber source," AppI. Opt. 51, 2277-2231 (2012).

1 7. H. Wan. D. Zhang, and X. Sun, "Stabilization of a superfIncrescent fibersourcewithhigh-perf ontianeeerb ium-dopedfibers,"0pt. Fiber TectincMQ, 264-268 (2013).

16, X. W&ng and W. Huang. 'Highefficiency and stability L-tand erbium-doped superfluorescent fiber souice," Pioc. SPIE 5230, 321-224 (2004).

19, D. G- Falquier, M. J. F. Dlgonnet, and H. J. Shaw, "A poarizatlon-g table Er-doped superfluorescent fiber souice including j. Faraday rotator minor," IEEE Photon. Technol. Lett. 12,1465-1467 (2000).

20, H, Wang, Y.-H. Lu, T.-Y Lu, R.-Y. Liu, and S.-K. Liaw, "Superfluorescent fiber source with ultra-low thermal coetficiency operating in the conventional band," in fitft Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rlm(CLEO-PRH2a-\8i, pp. 1-2,

21, E.Zhang, L.Yang, B. Xue, Z. Gao, V. Zhang, and 5. S.-H.Vam, "High t hermal -stab il ity E r-doped s uperf luo resoent fiber sou ice with a vert i-cal cleaved fiber tail, "Opt, Fiber Tech not 58,102262(2020),

22, L. Xie, X, Gong, E. Zhang, X, Fan, and C, Zhang, "Research on temperature-dependent mean wavelength stability of erbium-doped fi ber super f I uo lescent so uice for fiber o pt ic gy loscopes," Froc. 5PIE 10464. 104641L (2017},

23, □. Angand T. L.Spicer, "High stability fiber light so urce," U.S. patent 6,144,738(November 7, 2000).

24, A. Wang, "High stability Er-doped superfluoiescent fiber source improved by incorporating bandpass filter," IEEE Photon Technol, Lett. 23. 227-229 POII),

25, A. Wang, R Ou, L. S. Feng,C.X.Zhang, X. M.Cui, H.D. Liu andZ.Z, Gan, "High-stability Er-doped superfluorescent fiber souce incorporating photonic bandgap fiber," IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 1843-1645(2009).

УДК 528.526.6, 621.376

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ШУМОПОДОБНОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ СДВИГА НУЛЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА ДЛЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ Вистрикив Е.В., Погудим Г.К., Ннкитенки А.Н. Научный руководитель - к.т.н., Алешине A.C.

Университет ИТМО

В данной работе содержатся экспериментальные данные по влиянию высокочастотной модуляции щмоподобньш сигналом в полосе до 2.5 ГГц и мощностью более +20 дБм на уменьшение сдвига нуля выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. В качестве источников оптического излучения использовались: суперлюминесцентный диод, макет эрбиевого оптического источника, серийный образец эрбиевого источника с оптическим фильтром. Б ходе исследования производилась запись сигналов угловой скорости с последующей оценкой методом вариации Аллана, Выявлено, что в конфигурации с экспериментальным макетом эрбиевого оптического источника сдвиг нуля выходного сигнала изменился с ~0.0014 °/ч до -0.0010 °/ч, с суперлюминесцентным источником сдвиг нуля выходного сигнала изменился с 0009 7ч до 0006 °/ч, с серийный образцам эрбиевого источника с оптическим фильтром сдвиг нуля изменился с -0.0014 °/ч до 0.0008 Уч.

Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, радиофотоника, высокочастотная модуляция, орбисвый оптический источник, супсрлюминсспснтный диод.

Введение. Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) широко используются в навигационных системах. В зависимости от точности, данные приборы разделяются на следующие классы: потребительский (> 100 7ч), промышленный (10-100 7ч), тактический (110 7ч), средний (0.01-1 7ч), навигационный (<0,01 7ч), стратегический (<0,001 7ч), При создании ВОГ навигационного и стратегического классов точности необходимо соблюдение ряда требований, предъявляемых к его составным частям. Источник оптического излучения (ИОИ) является одним из главных элементов ВОГ, от которого зависит точность измерения угловой скорости. Эрбиевые ИОИ являются квази-идеальными источниками для применения в ВОГ. Они обладают практически деполяризованным излучением (менее 1%), широким спектром (более нескольких десятков нанометров), что соответствует длине декогеренции менее -200 мкм, выходной мощностью более 5 мВт, центральной длиной волны в области минимальных оптических потерь 1.55 мкм. К недостаткам эрбисвых ИОИ можно отнести температурную нестабильность формы спектра. В научной литературе используются различные способы построения эрбиевых ИОИ. В то же время развитие радиофотоники позволило использовать новый подход к построению ИОИ для применения в ВОГ. Так в работе Chamoun J., Digonnet М., 2017 в качестве источника оптического излучения используется лазер с фазовым модулятором высокочастотным сигналом. В таком случае, сдвиг нуля выходного сигнала ВОГ с лазерным источником уменьшился до уровня менее 0.01 7ч, что соответствует навигационному классу точности и как правило достигается с использованием более широкополосных источников. В то же время высокочастотная модуляция может быть применима и к широкополосным оптическим источникам. Таким образом, целью данной работы является исследование применения высокочастотной шумонодобной модуляции к широкополосным источникам оптического излучения в составе ВОГ.

Основная часть. Для проведения данного исследования была собрана экспериментальная установка, основными элементами которой являются: генератор сигналов, усилительный каскад, фазовый модулятор, источник оптического излучения и серийный ВОГ с замкнутым контуром обратной связи. В качестве генератора сигналов использовалась отладочная плата ReFLEX Atilla ARRIA 10 с высокочастотным цифро-аналоговым преобразователем прямого синтеза AD9164 (16 бит, FA = 5 Гвыб/с, РаЫм = 7 дБм, Fnn = 2.5 ГГц). Усилительный каскад позволяет задавать усиление входного сигнала до 30 дБ с точкой

дсцибсльной компрессии Рць = 29 дБ в полосе до 10 ГГц. Фазовый модулятор (Уя = 5В, Рпп = 12 ГГц, Рвх = 20 дБм) устанавливался в разрыв между оптическим источником и ВОГ. Для каждого оптического источника проводилось два измерения; с использованием модуляции шумоподобным сигналом и без использования модуляции. Оценка влияния шумонодобной модуляции проводилась но сигналу угловой скорости, записанному более 8 часов для каждого эксперимента. Для каждого сигнала угловой скорости была построена вариация Аллана, которая традиционно используется для анализа шумовых составляющих выходного сигнала ВОГ при разном времени осреднения. Вариация Аллана позволяет оценить сдвиг нуля выходного сигнала угловой скорости, тем самым оценить степень изменения сигнала ВОГ при постоянной скорости вращения, обусловленную не только вращением, но и паразитными эффектами, которые также входят в формулу масштабного коэффициента и вносят ошибку в полезный сигнал ВОГ. В качестве источников оптического излучения использовались: серийный образец эрбиевого источника с оптическим фильтром (ЕЯЯ-ЗО) производства «ИРЭ-Полюс» (^Пшпв = --25 нм), сунерлюминесцентый диод ЕХ8210069-01 компании «Еха1оя» (Х,ПШПв= *-45 нм), экспериментальный макет эрбиевого источника

ОПТИЧССКОГО ИЗЛуЧСНИЯ (Хщщп — —10 нм).

Заключение. В настоящей работе представлены экспериментальные данные но применению высокочастотной модуляции шумоподобным сигналом в полосе 2,5 ГГц мощностью более +20 дБм к фазовому модулятору, установленному последовательно после ИОИ в оптической схеме ВОГ, Результаты экспериментальных данных позволяют оценить эффективность данного способа для разных типов широкополосных источников оптического излучения. В конфигурации с экспериментальным макетом эрбиевого ИОИ сдвиг нуля выходного сигнала изменился с ~0.0014 °/ч до 41.0010 7ч, с суперлюминесцентным источником сдвиг нуля выходного сигнала изменился с ЧХ0009 7ч до 41.0006 7ч, с серийный образцом эрбиевого источника с оптическим фильтром (ЕЗЯ-ЗО) сдвиг нуля изменился с 4),0014 7ч до 0.0008 7ч. Так для всех типов широкополосных источников сдвиг нуля выходного сигнала ВОГ уменьшился более чем на 25%. Преимуществом применения данного способа к широкополосным ИОИ является возможность повышения точностных характ еристик ВОГ без существенного изменения его конструкции.