Стабилизация параметров оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника для применения в волоконно-оптическом гироскопе. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Кикилич Никита Евгеньевич

• Кикилич Никита Евгеньевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Кикилич Никита Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Источник оптического излучения для применения в ВОГ

1.1 Волоконно-оптический гироскоп

1.2 Требования и особенности применения ИОИ в ВОГ

1.2.1 Когерентность

1.2.2 Снижение влияния паразитных эффектов в оптической схеме ВОГ с помощью применения широкополосного источника

1.2.2.1 Обратное рассеяние

1.2.2.2 Нелинейный эффект Керра

1.2.2.3 Перекачка поляризационных мод

1.2.3 Зависимость интерферометрического отклика ВОГ от центральной длины волны ИОИ

1.2.4 Оптимальная схема ВОГ

1.2.5 Проблема стабильности МК ВОГ

1.2.6 Широкополосные источники оптического излучения для ВОГ

1.2.6.1 Суперлюминесцентный диод

1.2.6.2 Источники оптического излучения на основе оптических волокон легированных редкоземельными элементами

1.3 ЭСВИОИ

1.3.1 Теоретическая модель усиленной спонтанной эмиссии

1.3.2 Теоретическая модель влияния параметров усиленной спонтанной эмиссии на выходной сигнал ВОГ

1.3.3 Снижение температурного коэффициента центральной длины волны выходного оптического излучения ЭСВИОИ

1.3.4 Устройство ЭСВИОИ

1.3.5 Увеличение ширины спектра генерируемого спонтанного излучения ЭСВИОИ

Выводы по главе

Глава 2. Снижение температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ

2.1 Двухпроходная схема ЭСВИОИ с двусторонней накачкой активного эрбиевого волокна имеющая в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбием волокна

2.2 Моделирование и экспериментальное исследование основных зависимостей двухпроходной схемы ЭСВИОИ с двусторонней накачкой активного волокна

2.3 Экспериментальный образец ЭСВИОИ

2.4 Исследование температурной зависимости параметров ВОИ ЭО ЭСВИОИ при разных значениях коэффициента накачки

2.5 Исследование зависимости температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭО ЭСВИОИ от коэффициента накачки и выходной оптической мощности при разных значениях коэффициента длин активных волокон

2.6 Температурные исследования ЭО ЭСВИОИ совместно с ВОГ

2.7 Стабилизация параметров ВОИ ЭСВИОИ активным методом

2.7.1 Активный метод стабилизации параметров ВОИ ЭО ЭСВИОИ

2.8 Экспериментальные исследования активного метода стабилизации параметров ВОИ ЭО ЭСВИОИ

Вывод по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования ЭО ЭСВИОИ совместно с ВОГ

3. 1 Исследование зависимости полуволнового напряжения от температуры при различных значениях центральной длины волны ВОИ ЭО ЭСВИОИ

3.2 Исследование зависимости масштабного коэффициента ВОГ от центральной длины волны ВОИ ЭО ЭСВИОИ

3.3 Исследование зависимости масштабного коэффициента ВОГ от температурного воздействия на ИОИ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Список литературы

Список работ автора

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабилизация параметров оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника для применения в волоконно-оптическом гироскопе.»

Актуальность темы.

В области волоконной сенсорики существует направление волоконно-оптической гироскопии. Волоконно-оптические гироскопы строятся на базе интерферометра Саньяка для снижения влияния паразитных эффектов в котором, таких как поляризационные невзаимности, дробовой шум, обратные отражения, обратные рассеяния, перекачка поляризационных мод и эффекта Керра, излучение источника оптического излучения должно обладать особыми характеристиками, в частности, мощностью порядка десяти милливатт с низкой степенью остаточной поляризации (порядка одного процента) и малой длиной декогерентности (порядка десятых миллиметра). Оптическое излучение с такими свойствами способны формировать суперлюминесцентные источники, в частности, суперлюминесцентные полупроводниковые диоды и суперлюминесцентные волоконные источники оптического излучения на основе волокон, легированных редкоземельными элементами. Основным сдерживающим фактором для применения полупроводниковых суперлюминесцентных источников оптического излучения в высокоточных волоконно-оптических гироскопах является их подверженность старению, в процессе которого происходит изменение спектра и центральной длины волны выходного оптического излучения (ВОИ). Волоконные же источники на основе редкоземельных элементов обладают более стабильной центральной длиной волны ВОИ чем полупроводниковые, поэтому в современных волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) навигационного класса точности применяются именно суперлюминесцентные волоконные источники оптического излучения (СВИОИ). В таких источниках оптического излучения используются волокна, легированные разными редкоземельными элементами, в зависимости от требуемой спектральной области. В ВОГ навигационного класса точности оптическая схема строится на основе волокон, обладающих минимальными оптическими потерями в области 1,5 мкм, поэтому в таких интерферометрах

используются эрбиевые СВИОИ (ЭСВИОИ), имеющие максимум усиления/излучения на этих длинах волн [1].

Наряду со своими преимуществами при применении в ВОГ, ЭСВИОИ имеют и недостатки, к которым можно отнести долговременную и температурную нестабильность параметров ВОИ. Центральная длина волны ВОИ иосточника оптического излучения (ИОИ) является одним из основных параметров и входит в формулу определения масштабного коэффициента (МК) ВОГ, который является ключевым параметром, характеризующим ВОГ и определяющим точность его показаний [2, 3]. При воздействии больших угловых скоростей незначительные ошибки МК приводят к большой абсолютной погрешности определения угловой скорости вращения.

В настоящее время системы на базе ВОГ заменяют системы, построенные на базе кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ) и механических гироскопов [4], а также активно проводятся работы по повышению стабильности масштабного коэффициента и увеличению точности ВОГ [5, 6, 2]. Большое количество работ посвящено стабильности МК ВОГ, а в особенности вопросам температурной стабильности входящих в него величин. В частности, одной из таких наиболее температурно-нестабильных величин и является центральная длина волны ЭСВИОИ, изменение которой может достигать порядка 100 млн_1/°С [1].

Кафедрой «Световодной Фотоники» Университета ИТМО совместно с АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» уже около десятилетия ведутся работы по разработке, внедрению, а также улучшению технических характеристик высокоточных волоконно-оптических гироскопов.

Данная диссертационная работа посвящена стабилизации параметров ВОИ ЭСВИОИ для применения в ВОГ навигационного класса точности.

С течением времени совершенствуется элементная база для построения ЭСВИОИ в частности разрабатываются и выпускаются лазерные диоды, драйвера лазерных диодов, фотодиоды, активное эрбиевое волокно с повышенными

техническими характеристиками, т.е. компоненты, позволяющие увеличить температурную и долговременную стабильность параметров ВОИ ЭСВИОИ.

Последние несколько десятков лет в научных публикациях большое внимание уделяется проблеме стабилизации параметров ВОИ ЭСВИОИ для применения в ВОГ, а также уменьшению длины декогерентности этого излучения [7, 8, 9, 10, 11, 12]. Основная масса работ направлена именно на снижение температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ посредством применения термокомпенсирующих спектральных фильтров, в качестве которых применяются длиннопериодные волоконные решетки [13, 14, 15], волоконные решетки Брэгга [11, 8, 16], ненакачиваемое эрбиевое волокно [17, 18, 19], фильтры на тонких пленках [11, 8, 20], фотонный полосовой фильтр [21], мультиплексоры с разделением по длине волны [10], другие периодические структуры [22] и полосовые фильтры [23]. Однако в большинстве случаев такой подход к снижению температурного коэффициента центральной длины волны требует изготовления уникальных спектральных фильтров для каждой отдельной схемы источника, а также проведение процесса их согласования. Процесс согласования заключается в подборе оптимальной длины активного эрбиевого волокна и мощности накачки, при этом отсутствует возможность изменять параметры ВОИ ЭСВИОИ (центральная длина волны, мощность и ширина спектра) при сохранении низкого значения температурного коэффициента центральной длины волны.

В связи со всем вышесказанным можно заключить, что существует две основные задачи при применении ЭСВИОИ в ВОГ, являющиеся наиболее актуальными в настоящий момент - снижение температурного коэффициента центральной длины волны и уменьшение длины декогерентности ВОИ.

В рамках данной диссертации рассматривается эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения для применения в интерферометрических волоконно-оптических гироскопах

компенсационного типа с оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде.

Целью настоящей работы является стабилизация параметров оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника для применения в волоконно-оптическом гироскопе.

Для достижения этой цели требуется решение ряда задач:

- провести анализ существующих схем построения ЭСВИОИ и методов стабилизации параметров выходного оптического излучения: центральной длины волны, мощности, ширины спектра;

- проведение численного моделирования и экспериментальных исследований элементов и оптических схем построения ЭСВИОИ;

- создание экспериментального образца (ЭО) ЭСВИОИ для применения в составе ВОГ навигационного класса точности;

- исследование существующих и создание новых методов стабилизации параметров выходного оптического излучения ЭО ЭСВИОИ;

- проведение экспериментальных исследований ЭО ЭСВИОИ совместно с ВОГ навигационного класса точности.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

- предложена двухпроходная схема суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя лазерными диодами и имеющего в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна, позволяющая при постоянной выходной оптической мощности подстраивать центральную длину волны, или ее температурный коэффициент, или ширину спектра выходного оптического излучения путем изменения величины, равной отношению оптической мощности сонаправленного излучения накачки к сумме оптических мощностей сонаправленной и противонаправленной накачки;

- создан и исследован суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна

двумя лазерными диодами и имеющий в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна, в результате чего получены основные зависимости параметров его выходного оптического излучения от температуры и режимов работы;

- предложен метод стабилизации параметров выходного оптического излучения суперлюминесцентного источника совместно с ВОГ, позволяющий стабилизировать несколько параметров одновременно, в частности, центральную длину волны и мощность или ширину спектра и мощность выходного оптического излучения;

- произведено экспериментальное сравнение двух методов стабилизации параметров выходного оптического излучения на одном ЭО ЭСВИОИ, в частности предложенного активного метода стабилизации с методом стабилизации посредством выбора фиксированного значения величины, равной отношению оптической мощности сонаправленного излучения накачки к сумме оптических мощностей сонаправленной и противонаправленной накачки.

Практическое значение работы состоит в следующем:

- предложенная в работе двухпроходная схема суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения позволяет при постоянной выходной оптической мощности перестраивать центральную длину волны, ее температурный коэффициент или ширину спектра выходного оптического излучения;

- предложенный в работе метод стабилизации параметров выходного оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника может быть применен для осуществления стабилизации нескольких параметров выходного оптического излучения с учетом спектральной зависимости конечного устройства;

- предложенный метод активной стабилизации центральной длины волны выходного оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника, позволяет повысить температурную стабильность масштабного коэффициента фазовых интерферометрических волоконно-оптических датчиков таких как ВОГ, волоконно-оптический трансформатор тока и др., было

экспериментально показано, что предложенный метод позволяет получить уровень температурной стабильности центральной длины волны порядка 0,32 млн-1/°С, что привело к повышению температурной стабильности масштабного коэффициента исследовательского ВОГ до уровня менее 10 млн-1 в диапазоне температур от 0 до 40 °С.

Научные положения, выносимые на защиту:

- установлено, что в двухпроходной схеме суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя лазерными диодами и имеющего в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна при постоянной выходной оптической мощности возможна подстройка центральной длины волны или ширины спектра выходного оптического излучения за счет изменения уровней оптических мощностей лазерных диодов накачки;

- экспериментально установлено, что для заданного диапазона температур существует минимум зависимости температурного коэффициента центральной длины волны от величины равной отношению длины накачиваемого сегмента активного волокна к сумме длин накачиваемого и ненакачиваемого сегментов активных волокон, а также от выходной оптической мощности эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя лазерными диодами и имеющего в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна;

- предложен метод стабилизации параметров выходного оптического излучения, таких как центральная длина волны и мощность или ширина спектра и мощность, эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения построенного по двухпроходной схеме, с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна, двумя лазерными диодами с двух сторон, заключающийся в стабилизации параметров путем изменения уровня оптических мощностей лазерных диодов накачки, используя предварительно полученную зависимость параметров: центральной длины волны или ширины спектра при постоянной выходной оптической мощности от температуры и величины, равной

отношению оптической мощности сонаправленного излучения накачки к сумме оптических мощностей сонаправленной и противонаправленной накачки;

- с помощью метода активной стабилизации центральной длины волны выходного оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника, построенного по двухпроходной схеме с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя лазерными диодами накачки и имеющего в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна, в составе ВОГ получена величина температурной стабильности центральной длины волны выходного оптического излучения равная 0,32 млн_1/°С при ширине спектра более 16,5 нм, оптической мощности 10 мВт, центральной длине волны 1569,5 нм, в диапазоне температур от 0 до 40 °C.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV, V, VI и VII Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2015-2018); на XLV, XLVI, XLVI и XLVII научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2015-2018).

Достоверность научных положений. При проведении математического моделирования использовались специализированные программные пакеты Gain master и OptiSystem (trial), а для инженерных расчетов и обработки экспериментальных данных использовался программный пакет MatLab. Достоверность также подтверждается соответствием теоретических расчетов, результатов численного моделирования и экспериментальных данных, представленных в работе, обсуждениями результатов исследований на научных конференциях и публикациями основных результатов работы в рецензируемых научных журналах. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном измерительном и испытательном оборудовании.

Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования применяются при изучении спектральных свойств и стабильности параметров серийных образцов ВОГ в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». На базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» начат ОКР по внедрению в серийную продукцию суперлюминесцентных волоконных источников оптического излучения. Имеется

акт внедрения результатов исследования в производственную деятельность ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Результаты настоящего исследования активно применяются на кафедре Световодной Фотоники Университета ИТМО в процессе создания и исследования экспериментальных образцов эрбиевых суперлюминесцентных волоконных источников оптического излучения.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях в журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ. Полный список публикаций по теме диссертации составляет 16 наименований. По результатам диссертационного исследования оформлен 1 патент, получена справка о приоритете.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 4 таблицы, список цитированной литературы представлен 97 наименованиями.

Глава 1. Источник оптического излучения для применения в ВОГ

1.1 Волоконно-оптический гироскоп

Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп является кольцевым интерферометром, использующим многовитковую волоконную катушку для усиления эффекта Саньяка, вызванного ее вращением относительно инерциального пространства. Вращение катушки вносит разность во время распространения между двумя встречно распространяющимися по ней волнами, пропорциональную скорости вращения и площади катушки (1.1).

4Л • П

Д^= ——, (11)

где Д£д - время распространения; с - скорость света в вакууме; А - площадь катушки; П - скорость вращения волоконного контура.

В ВОГ, разность времени распространения измеряется как разность фаз встречно распространяющихся волн (1.2) - (1.4). Конечная формула же имеет вид

(1.5).

= ю • (1.2)

Дрд = (1.3)

Д^ =-(14)

где - разность фаз; ю - угловая частота; / - временная частота; Я - длина волны света в вакууме.

Д^ =—гП, (15)

с • Я

где L - длина оптического волокна; D - диаметр волоконно-оптического контура. Из формулы также выделяют масштабный коэффициент (МК) ВОГ (1.6).

МК =---(16)

с • Я

При нахождении волоконно-оптического контура в покое, разность фаз между встречно распространяющимися лучами нулевая, поэтому при нтерференции их амплитуды складываются и наблюдается нулевой максимум интерференции. Оптическая мощность интерферирующего сигнала имеет косинусоидальную зависимость от разности фаз (1.7).

Р(ДЫ=у[1 + со%Д^Ь (17)

где Р0 - оптическая мощность интерферирующего излучения.

На входе волоконно-оптического интерферометра, оптическое излучение ИОИ делится, попадая в разные порты интерферометра, а на выходе объединяется для интерференции. Любые внешние невзаимные воздействия на оптическое волокно, а также невзаимности ввода излучения в волокно приводят к появлению в интерференционной картине дополнительных интерференционных полос, поэтому важной задачей является обеспечение взаимности встречно распространяющихся лучей по кольцевому волоконно-оптическому контуру, которая решается применением взаимной конфигурации волоконно-оптического кольцевого интерферометра представленной на рисунке 1.1. Помимо делителя, ответвляющего оптическое излучение ИОИ перед вводом в кольцевой интерферометр, в такой схеме устанавливается второй делитель, перед ИОИ, для отвода части интерферирующего излучения на фотоприемное устройство (ФПУ), таким образом обеспечиваются одинаковые оптические пути для двух встречно распространяющихся волн. В дополнении к этому для обеспечения равного оптического пути для двух встречно распространяющихся волн в такой схеме присутствует модовый фильтр, а высокоточные ВОГ строятся на основе одномодового двулучепреломляющего оптического волокна. Так как пути встречно распространяющихся волн выровнены то разность фаз вносят только непостоянные эффекты, такие как вращение.

, , -у фильтр ( ^

делитель источника

невзаимный порт

ПОП

поляризатор ^=4» /

/ делитель I волоконная ( катушки 1 катушка

-О ФПУ

Рисунок 1.1 - взаимная конфигурация волоконно-оптического кольцевого

Важным фактором для ВОГ является снижение длины когерентности ИОИ, что решается применением широкополосного источника. Снижение длины когерентности разрушает интерференционный контраст, вызванный паразитными эффектами.

1.2 Требования и особенности применения ИОИ в ВОГ

Центральная длина волны ИОИ напрямую входит в формулу определения МК (1.6), поэтому крайне важно обеспечить ее высокую стабильность, однако это не единственное требование, предъявляемое к источнику оптического излучения для применения в ВОГ. Излучение, генерируемое ИОИ должно обладать узкой функцией временной когерентности, что достигается увеличением ширины его спектра и позволяет снизить ошибки ВОГ, вносимые паразитными эффектами, возникающими в оптическом тракте ВОГ к которым относятся: обратные отражения, обратные рассеяния Рэлея, эффект Керра, перекачка поляризационных мод.

1.2.1 Когерентность

В случае идеальной монохроматической волны, в данной точке пространства ее фаза может быть определена с помощью фазы в любой другой точке. Фаза одинакова в любой точке фазового фронта поперечно направлению его

интерферометра [1]

распространения. Такая идеальная поперечная корреляция называется пространственной когерентностью. Фазовая разница между двумя фазовыми фронтами может быть определена с помощью расстояния между ними (1.8). Идеальная продольная корреляция называется временной когерентностью.

2пп( ¡л 0ч

А(р=——, (18)

А

где Д( - разность фаз; А - длина волны света в вакууме; ( - расстояние между двумя фазовыми фронтами.

При обеспечении одномодового режима в поперечном направлении все точки волны имеют идеальную фазовую корреляцию таким образом обеспечивается идеальная пространственная когерентность, поэтому при построении высокоточных ВОГ применяются только одномодовые волокна, а также ИОИ генерирующие излучение непосредственно в одномодовом волокне (ИОИ основанные на легированных редкоземельными элементами волокнах -суперлюминесцентные волоконные источники оптического излучения) или ИОИ осуществляющие ввод генерируемого излучения непосредственно в одномодовое волокно (суперлюминесцентные диоды).

При использовании широкополосного источника в качестве ИОИ для интерферометра, при нулевой разности хода, наблюдается хороший интерференционный контраст, но по мере увеличения разности хода контраст интерференционной картины уменьшается до полного исчезновения (рисунок 1.2). При увеличении разности хода корреляция интерферирующих волн пропадает, а разность их фаз изменяется как функция времени, усредняя член со%Д(д в формуле (1.7).

Расстояние, от которого начинается уменьшение контраста огибающей называется длиной когерентности, а расстояние, на котором этот контраст обращается в нуль называется длиной декогернтности (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Интерференция широкополосного излучения [1]

Для понимания феномена когерентности необходимо разложить широкополосное излучение на отдельные длины волн. Каждая длина волны создает свою интерференционную картину со своим периодом. При нулевой разности путей все интерференционные картины совпадают, однако по мере увеличения разности хода их корреляция теряется, т.к. они имеют разные периоды (рисунок 1.3). С увеличением разности путей общая интенсивность становится постоянной, а контраст интерференционной картины пропадает.

Рисунок 1.3 - Интерференция сигналов с разными длинами волн [1]

Огибающая функции видности называется функцией временной когерентности С(Д1) (рисунок 1.4). Значение длины когерентности при которой наблюдается хорошая видность интерференционной картины составляет 0,8. Длина декогернтности 1*с обратно пропорциональна ширине спектра ДА и может быть определена из следующего соотношения (1.9). При разности путей 1*с функция временной когерентности С(Д1) значительно сокращается. Для спектра Гауссовой формы С(1*с) составляет более 0,03 (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 - Функция временной когерентности [1]

Ас

I — -—

Ь*с ДА'

(1.9)

где Ас - центральная длина волны источника оптического излучения; ДА - полная ширина спектра источника оптического излучения по полувысоте.

р

с(дд

р(а)-

1

о-Н*

о

хс

с

4с

Рисунок 1.5 - Спектра Гауссовой формы и соответствующая ему функция

временной когерентности [1]

1.2.2 Снижение влияния паразитных эффектов в оптической схеме ВОГ с помощью применения широкополосного источника

Одной из первых проблем с которой столкнулись исследователи в области ВОГ были обратные отражения Френеля (порядка 4%) от торцов оптических волокон катушки, создающие паразитный интерферометр Майкельсона. Уровень обратных отражений возможно снизить путем полировки концов волокон с достаточным углом [24], а также нанесением просветляющего покрытия на границы стыкуемых элементов оптической схемы ВОГ.

Отражения от двух торцов катушки с оптическим волокном дают шесть волн на выходе кольцевого интерферометра (рисунок 1.6). На рисунке 1.6 две волны, попадающие в кольцевой интерферометр, А и А' одинаковы по модулю и имеют одинаковую фазу. На границе волоконной катушки и оптической схемы ВОГ, появляются обратно отраженные волны А1 и А1', а также А2 и А2', в свою очередь вызванные обратными отражениями в месте соединения катушки после ее прохождения первичными волнами. Если эти волны являются когерентными, то интерференция на выходе кольцевого интерферометра будет происходить между

(А1 + А1' + А2') и (А2 + А2' + А1') вместо только А1 и А1', таким образом обратными отражениями вносится ошибка разности фаз. Данная ошибка зависит от соотношения амплитуд первичных волн и обратно отраженных. На практике разность оптических путей первичных волн и обратно отраженных является значительной поскольку длинна волоконно-оптического контура составляет порядка нескольких километров, а большинство источников оптического излучения обладают малой длиной когерентности. На практике вместо одного интерферометра Саньяка образуется суперпозиция интерферометров, основного интерферометра Саньяка (А1 и А1') и двух паразитных интерферометров Майкельсона (А1, А1') и (А2, А2'). Сигналы паразитных интерферометров Майкельсона просто добавляются к оптической мощности сигнала интерферометра Саньяка. Для уменьшения этой ошибки до уровня 10_8 радиан, необходимо уменьшить уровень обратных отражений на 160 дБ.

Рисунок 1.6 - Обратные отражения на торцах катушки [1]

При использовании источника оптического излучения с малой длиной когерентности, контраст интерференционной картины паразитных интерферометров Майкельсона можно снизить разбалансировкой его плеч, на длину в несколько раз превышающую длину когерентности источника (рисунок

фазовая ошибка

1.7).

\ интегрально-оптическая схема \--\

| |\ "—^^ I волоконная А V_| I \ катушка I

л у

разбалансировка \______/

Рисунок 1.7 - Разбалансировка плеч паразитных интерферометров Майкельсона

[1]

Приведенный анализ демонстрирует на примере обратных отражений связь длины когерентности источника оптического излучения с уровнем подавления паразитных сигналов в волоконно-оптическом тракте ВОГ, вызванных паразитными эффектами.

1.2.2.1 Обратное рассеяние

Распространение света в волоконно-оптическом контуре ВОГ сопряжено с проблемой обратного рассеяния Рэлея. Обратное рассеяние Рэлея можно представить, как случайные обратные отражения так как обратно отраженные волны имеют ту же частоту что и первичные волны. При использовании источника оптического излучения обладающего большой длиной когерентности, этот эффект может привести к высокой ошибке определения разности фаз. Более того, так как это случайный процесс то вносимая им паразитная разница фаз нестабильна, что в свою очередь создает шум. Для снижения фазового шума, вызванного обратным рассеянием, применяют дополнительную частотную [25] или фазовую модуляцию [26, 27], выводя фазовый шум за пределы полосы пропускания. Однако наиболее эффективным способом является применение источника оптического излучения с малой длиной когерентности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кикилич Никита Евгеньевич, 2018 год

волны источника

излучения

Полуволновое Нв В"1 500

напряжение

Как видно из таблицы 1.1, основной вклад в нестабильность МК вносят нестабильность центральной длины волны источника оптического излучения и нестабильность полуволнового напряжения.

Так как полуволновое напряжение зависит от температуры, то в момент сброса управляющего напряжения появляется ошибка, которая затем приводит к ошибке МК. Данная проблема решается введением второй обратной связи компенсирующей разницу между уровнями детектируемыми фотоприемным устройством во время сброса управляющего напряжения на 2Нв, так называемый метод автоподстройки. Данный метод имеет ряд недостатков, к которым можно отнести невозможность его применения при скоростях вращения на которых время

регулирования второй обратной связи соизмеримо с периодом сброса управляющего напряжения модулятора на 2Нв, а также невозможность применения данного метода на малых скоростях вращения при которых сброс управляющего напряжения на 2 не производится или производится редко [31].

Температурная нестабильность полуволнового напряжения обусловлена изменением оптических свойств среды посредством изменения характеристик кристалла при изменении его температуры. Так, одним из факторов способным внести паразитную разность фаз является электрооптический эффект Поккельса

[32].

Эффект Поккельса используется для осуществления фазовой модуляции в одноосном двулучепреломляющем кристалле LiNbO3, а его электрооптическая эффективность зависит от ориентации управляющего электрического поля и электрооптических/оптических осей кристалла. Наиболее сильным электрооптическим коэффициентом кристалла LiNЪO3 является диагональный г33, это означает что наибольшая эффективность фазовой модуляции достигается когда оба поля параллельны необыкновенной оси В таком случае изменение показателя преломления оси составит (1.22) [1].

Ащ = - ^'Х • Г33 • Еаг , (122)

где Е*х - z составляющая внешнего управляющего электрического поля; пх -показатель преломления оси z; г33 - электрооптический коэффициент кристалла.

Величина полуволнового напряжения при этом составляет (1.23) [31]. Стоит отметить, что электрооптический коэффициент, а также показатель преломления кристалла, зависят от центральной длины волны источника оптического излучения

[33]. Т.к. планарный волновод располагается не непосредственно между электродами, то в формулу определения полуволнового напряжения (1.23) стоит внести коэффициент кр для поправки на расположение электродов, т.е. для поправки на направление линий электрического поля создаваемого приложенным

к двум металлическим электродам потенциалам постоянного напряжения (1.24) [33].

X • (

гзз£

где £ - длинна электродов; d - расстояние между электродами; X длина волны источника оптического излучения.

(1.23) центральная

X • (

ьЗгззЬ Р

(1.24)

На рисунке 1.15 представлена зависимость электрооптического коэффициента гзз для используемой оси от температуры кристалла. Зависимость полуволнового напряжения от температуры также линейна (рисунок 1.16).

Рисунок 1.15 - Зависимость электрооптического коэффициента гзз от

температуры [34]

Рисунок 1.16 - Зависимость полуволнового напряжения от температуры для разных кристаллографических осей [35]

Относительная ошибка (изменение МК) при изменении полуволнового напряжения под воздействием температуры составляет порядка 570 млн_1/°С. Данную ошибку можно существенно снизить методом стабилизации масштабного коэффициента при помощи аппроксимации зависимости ип(Т) линейной функцией (1.25), с последующим вычислением полуволнового напряжения из показаний датчика температуры установленного на электрооптическом модуляторе [31]. Коэффициенты к и Ь вычисляются в процессе калибровки ВОГ при помощи известного метода автоподстройки [6]. Экспериментальные исследования данного метода показали отсутствие сигнала рассогласования в ВОГ во всем рабочем диапазоне температур [31].

ип(Т) = кТ + Ь (1.25)

Даже при идеальном измерении разности фаз в интерферометре Саньяка, с замкнутой схемой обнуления фазы, стабильность МК остается связана со стабильностью волоконной катушки и со стабильностью центральной длины

волны источника. На практике, происходит увеличение длины волокна, связанное с температурным расширением полимерного покрытия. Типичное отклонение длины находится в пределах от 4 до 5 млн-1/°С для оптического волокна с сердцевиной диаметром 80 мкм и оболочкой диаметром 160 мкм. Поэтому для высокоточных применений необходимо создание модели и осуществление компенсации данного эффекта.

Стабильность центральной длины волны источника оптического излучения более трудная задача. К примеру, полупроводниковые источники света, которые являются наиболее популярными для ВОГ средней точности, имеют дрейф центральной длины волны, связанный с температурой, порядка 400 млн-1/°С и 40 млн-1/мА, связанный с управляющим током, даже не принимая в учет дополнительные факторы, такие как влияние обратных отражений на источник оптического излучения. Контроль температуры источника излучения и стабилизация тока являются достаточными для ВОГ средней точности и позволяют получить стабильность на уровне 100 млн-1.

Эрбиевые суперлюминесцентные волоконные источники оптического излучения обладают большей стабильностью центральной длины волны, но для применений в высокоточных приборах необходимо обеспечить прямое управление центральной длины волны или снизить ее температурный коэффициент для достижения дрейфа центральной длины волны менее 1 млн-1/°С.

К примеру, флуктуации центральной длины волны ^Хс источника оптического излучения в ВОГ навигационного класса точности, максимальная детектируемая скорость которого должна составлять порядка Л = 1°/с = 3600°/ ч, с максимально допустимым отклонением 0,01°/ч и 0,001°/ч, составляют 2,7 млн-1 и 0,27 млн-1 соответственно [36].

Методы стабилизации МК ВОГ связанные с проблемой нестабильности центральной длины волны ИОИ условно можно разделить на две группы. Одна группа методов заключается в осуществлении стабилизации центральной длинны

волны ИОИ, другая же заключается в получении зависимости центральной длины волны от температуры ИОИ заранее и последующей компенсацией МК при изменении температуры ИОИ в процессе работы ВОГ [37].

1.2.6 Широкополосные источники оптического излучения для ВОГ

1.2.6.1 Суперлюминесцентный диод

Первые суперлюминесцентные диоды, излучение которых удалось эффективно вводить в одномодовое оптическое волокно, появились в 1970-е годы. В 1980-е годы благодаря активной разработке полупроводниковых диодов для телекоммуникационных применений были получены компактные диоды с низким управляющим напряжением, что позволило расширить спектр их применений. Существует два основных типа суперлюминесцентных диодов: поверхностно излучающие диоды и лазерные диоды. Данные типы диодов построены по Ш-У полупроводниковой группе, AlGaAs-GaAs для излучения в областях 800- и 850-нм и nGaAsP-InP для излучения в области 1300 и 1550-нм. Поверхностно излучающие диоды, основанные на эффекте спонтанной эмиссии, имеют достаточную ширину спектра для применения в ВОГ, однако их излучение не может быть эффективно введено в одномодовое волокно, так как они обладают большой излучающей областью и диаметром порядка 50-100 мкм. В свою очередь излучение, индуцированное лазерными диодами, может быть введено эффективнее за счет его генерации в небольшом резонаторе, с размерами излучающей области порядка нескольких единиц микрометров. Лазерные диоды обладают высокой пространственной когерентностью, однако спектр излучения включает в себя пики, обусловленные модами резонатора, Фабри-Перо. Для увеличения пространственной когерентности и уменьшения временной были разработаны суперлюминесцентные диоды. Впоследствии лазерный эффект был уменьшен посредством уменьшения коэффициента отражения зеркал резонатора [38].

Усиление суперлюминесцентных полупроводниковых диодов очень велико, а выходная оптическая мощность может быть больше чем у лазера. Первые фотоны

спонтанной эмиссии проходя далее по волноводу усиливаются, таким образом, выходное оптическое излучение имеет пространственную когерентность похожую на пространственную когерентность лазерного излучения, так как генерируется в той же области, но уступает в эффективности введения в оптическое одномодовое волокно, при этом пики в спектре оптического излучения обусловленные модами резонатора подавляются, таким образом, суперлюминечцентный диод приобретает характеристику квази-широкополосного источника. В области 850 нм ширина спектра оптического излучения по полувысоте от максимального уровня для данных диодов составляет порядка 20 нм.

Реальные устройства данного типа имеют длину активной области порядка 300-500 мкм герметично упакованную в прочный корпус, имеющий волоконный выход, пристыкованный к торцу излучающей области. Типичная вводимая оптическая мощность в одномодовое волокно составляет порядка нескольких милливатт, а эффективность ввода составляет порядка пары десятков процентов. Анизотропное оптическое волокно может также использоваться для стыковки с суперлюминесцентными диодами с выставлением осей. Выходное оптическое излучение суперлюминесцентных диодов частично поляризовано, порядка 70-80 % мощности имеет горизонтальную поляризацию. Структура суперлюминесцентного диода приведена на рисунке 1.17.

Основным фактором ограничивающим применение суперлюминесцентных полупроводниковых диодов в ВОГ является низкая стабильность параметров выходного оптического излучения, в частности центральная длина волны имеет дрейф порядка 400 млн-1/°С дрейф обусловленный температурой и 40 млн-1/мА током накачки, в максимальном пределе. Применение температурной стабилизации активной области с помощью элемента Пельтье, а также стабильного токового драйвера, позволяют повысить ее стабильность до уровня 100 млн-1/°С, а дальнейшее увеличение стабильности требует прямого управления центральной длиной волны. Также полупроводниковые суперлюминесцентные источники

оптического излучения подвержены старению в процессе которого происходит изменение спектра оптического излучения и центральной длины волны [1].

1.2.6.2 Источники оптического излучения на основе оптических волокон легированных редкоземельными элементами

В связи с высокой нестабильностью суперлюминесцентных диодов в конце прошлого века были начаты работы по разработке альтернативных источников широкополосного излучения для ВОГ - на основе легированных редкоземельными элементами волокон [39]. Легированные редкоземельными элементами источники оптического излучения также, как и суперлюминесцентные диоды имеют большое усиление и генерируемое мощное широкополосное оптическое излучение, которое может быть получено в однопроходной схеме. Такое излучение называется усиленной спонтанной эмиссией, а его источники, источниками усиленной спонтанной эмиссии. Также существуют другие термины для обозначения усиленной спонтанной эмиссии: суперлюминесценция, суперфлуорисценция [40].

Энергетические уровни редкоземельных элементов намного стабильнее полупроводниковых и значительно увеличивают стабильность центральной длины волны и могут быть накачаны компактными высокомощными лазерными диодами.

поглатитель

70-80 %

Рисунок 1.17 - Структура суперлюминесцентного диода [1]

Наибольшей эффективностью обладают два легирующих элемента: неодим (№), с накачкой в области 800 нм и эмиссией 1060 нм, [41], и эрбий (Ег), с накачкой в областях 980 нм и 1480 нм [42, 43], а эмиссией в области 1550 нм. В настоящее время в основном используется эрбий, т.к. он получил большое распространение в производстве эрбиевых оптических усилителей, которые произвели революцию в области телекоммуникаций в 1990-е годы.

К основным особенностям применения ЭСВИОИ в ВОГ можно отнести:

а) низкая степень остаточной поляризации ВОИ ЭСВИОИ снижает влияние поляризационных невзаимностей на выходной сигнал ВОГ;

б) выходная оптическая мощность ЭСВИОИ может достигать сотен милливатт непосредственно в самом одномодовом волокне. Данный фактор снижает дробовой шум, а также позволяет использовать один источник для триады ВОГ;

в) широкий спектр оптического излучения ЭСВИОИ с большой степенью асимметрии требует точного измерения и вычисления центральной длины волны;

г) большая ширина спектра ВОИ, составляющая несколько десятков нанометров, что позволяет снизить длину декогерентности и тем самым снизить интерференционный контраст от паразитных эффектов ВОГ.

1.3 ЭСВИОИ

Источники усиленной спонтанной эмиссии, такие как ЭСВИОИ, работают в единично-пространственном режиме, т.е. обладают высокой пространственной когерентностью, так как широкополосное спонтанное излучение генерируется ионами эрбия в сетке кварцевого стекла непосредственно в одномодовом волокне и распространяется только вдоль волновода, а не во всех свободных направлениях.

До появления ЭСВИОИ в качестве источников оптического излучения в ВОГ использовались суперлюминесцентные диоды и светодиоды с торцевым

излучением. Все эти устройства являются источниками усиленной спонтанной эмиссии и основаны на усилении в полупроводниковых волноводах вместо усиления в легированных редкоземельными элементами оптических волокнах. В научной литературе встречаются термины "суперлюминесценция", "суперизлучение", "суперфлуоресценция", однако они все подразумевают под собой усиленную спонтанную эмиссию. Такие источники усиленной спонтанной эмиссии являются квази-идеальными для применения в ВОГ, так как обладают высокой мощностью, низкой временной когерентностью, однако имеют высокий шум интенсивности.

1.3.1 Теоретическая модель усиленной спонтанной эмиссии

Наиболее наглядно спектр излучения суперлюминесценции можно проанализировать исходя из схемы энергетических уровней эрбия, представленной на рисунке 1.18. На рисунке 1.18 представлена энергетическая диаграмма эрбия при накачке на длинах волн 980 нм и 1480 нм.

Рисунок 1.18 - Схема энергетических уровней эрбия

Данная схема является упрощенной моделью в которой безызлучательные переходы из возбужденного состояния не учитываются. Полагая, что спектр излучения суперлюминесценции разделен на п отдельных областей, каждая из которых обладает своей центральной длиной волны Язс, а также спектральной шириной ДЯ3С, можно предположить, что в каждой из п областей, расположенных в эрбиевом волокне длиной L, определены три излучения: сонаправленное излучение суперлюминесценции Р3+(г,Я31), противонаправленное излучение суперлюминесценции Р3~(г, Язс), излучение накачки Рр(г, Яр), где г - направление распространения излучения, которое параллельно легированному эрбием волокну. При распространении только одной моды излучения накачки в легированном эрбием волокне, уравнения, описывающие излучение суперлюминесценции и накачки вдоль эрбиевого волокна, имеют вид (1.26),(1.27) [44, 45, 46, 47].

-\^- = -ур(г)Рр(г) а.26)

(Рз~^Язл) = ±(Се(г,Я5д) • [Р5±(е,Я5,с) + Р0] - Са(е,Я5д) • Рз±(г,Язд)) , (1.27)

где (г) - коэффициент поглощения излучения накачки как функция от координаты z вдоль оси активного волокна; Рр (г) - мощность накачки активного волокна как функция координаты z вдоль оси активного волокна; Р3±(г, Я3,с) -оптическая мощность излучения суперлюминесценции как функция координаты z вдоль оси активного волокна, и длины волны излучения суперлюминесценции Язс; 53(г,ЯзС) - коэффициент усиления излучения суперлюминесценции; Се(г,ЯзС) -коэффициент усиления излучения суперлюминесценции; Са(г, ЯзС) - коэффициент поглощения излучения суперлюминесценции; Р0 - входная оптическая мощность излучения суперлюминесценции, определяемая двумя поляризационными состояниями (1.28)(1.29).

Ро = 2 ЛДД/ (1.28)

43 с • ДАЬ

= (129)

где ^ - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме.

Применяя условия работы схемы не в режиме насыщения // < Р5аС, где Р5аС мощность насыщения которая определяется выражением (1.30), можно принять коэффициент поглощения накачки у„ постоянным, тогда (1.26) примет вид (1.31).

(130)

(4аь + 4еь)т

где - радиус модового поля; с - скорость света в вакууме; т - время жизни ионов эрбия на метастабильном уровне; 4аь - сечение усиления на длине волны ; ае5 -сечение поглощения на длине волны [47].

(/ (г)

= (131)

где /\£1 - пороговая мощность (1.32).

/у1 = _ , (1.32)

4„Т

где а - радиус сердцевины эрбиевого волокна; - сечение поглощения излучения накачки, /„ - частота излучения накачки.

При условии /„(г) > /\£1, частичного насыщения излучением накачки, (1.26) примет вид (1.33).

¿/„(я) От^/\л:а2 (1 33)

Т

где От - концентрация ионов эрбия в волокне.

Именно последнее условие генерации излучения суперлюминесценции характерно для ЭСВИОИ применяемых в ВОГ [44]. Уравнение (1.33) для

граничного условия Рр(0) > Рсп, где Рсп - начальная мощность накачки на входном конце легированного эрбием волокна, (1.33) может быть переписано как (1.34).

(1.34)

При поставленном ранее условии Р3 < Рза1, коэффициенты усиления и поглощения излучения суперлюминесценции имеют вид (1.35) (1.36), соответственно [48, 47].

(1.35)

(1.36)

где ^ = ехр(—а2 /&>!) - коэффициент перекрытия модового поля и радиуса сердцевины.

При граничных условиях Р3+(г = 0, ЯзС) = 0 и Р3~(г = Ь, ЯзС) = 0, решение для коэффициентов уравнения (1.27) принимает вид (1.37)(1.38) [49].

(1.37)

где Сь = Се — с а [46].

Функции, показывающие зависимость сечения усиления 4а(Яс) и поглощения 4е(Яс) от длины волны, определены во всем рабочем спектральном диапазоне для конкретного типа волокна [47].

Выражения (1.37) и (1.38) могут быть использованы для определения оптимальной длины волокна, необходимого для получения максимальной выходной мощности излучения суперлюминесценции для двух направлений распространения излучения суперлюминесценции: сонаправленного Я5+(е Я5), и противонаправленного ЯГ(г,Я5), где Яь = Яс. На рисунке 1.19 представлена зависимость выходной мощности излучения суперлюминесценции Я/(г, Я5) от длины активного волокна z при сонаправленной накачке, а на рисунке 1.20 при противонаправленной Ят^, Я5). На рисунках 1.19 и 1.20, цифрами от 1 до 9 пронумерованы кривые, каждой из которых соответствует своя мощность накачки , где 1 - 2.5 мВт, 2 - 3 мВт, 3 - 4 мВт, 4 - 5 мВт, 5 - 7 мВт, 6 - 8 мВт, 7 - 10 мВт, 8 - 12 мВт, 9 - 15 мВт соответственно [44].

/>;(гд,), вт

10-ю

10^

1(Н

2 3 4 5 * 7 8

1

Ш-12

о

2

3

Рисунок 1.19 - Зависимость выходной мощности от длины активного волокна при

сонаправленной накачке [44]

р;(2, х) вт

кг*

10^

1СП

10-.0

2 з * 5 б 7

10~и

о

2

г, м

Рисунок 1.20 - Зависимость выходной мощности от длины активного волокна при

противонаправленной накачке [44]

По результатам приведенного анализа, а также полученных зависимостей можно сделать следующие выводы:

а) зависимости выходной оптической мощности излучения суперлюминесценции от длины активного волокна при разных направлениях накачки имеют разный характер;

б) выходная мощность излучения суперлюминесценции в основном зависит от геометрических параметров накачки активного волокна;

в) для режима сонаправленной накачки существует оптимальная длина волокна при которой выходная оптическая мощность излучения суперлюминесценции максимальна;

г) для максимизации выходной оптической мощности излучения суперлюминесценции при любой длине активного волокна предпочтительнее использовать режим противонаправленной накачки.

Выходную оптическую мощность спонтанной эмиссии генерируемой в легированном эрбием волокне определенной длины можно рассчитать с помощью выражений (1.37) и (1.38), где Я/(г, Яь) и Яь) рассчитываются как функции длины волны Яь для каждого значения входной мощности накачки Яср.

Ширина спектра излучения спонтанной эмиссии может быть определена как результат решения уравнений (1.37) и (1.38) для значения равного половине выходной максимальной мощности Я/(г, Яь) и Я5~(г, Яь). На рисунке 1.21 приведена зависимость спектральной ширины спонтанной эмиссии от мощности накачки для двух режимов Я/(2, Яь) соноправленной и Я,Г(2, Яь) противонаправленной накачки.

Рисунок 1.21 - Зависимость ширины спектра спонтанной эмиссии от мощности накачки. 1 - при сонаправленной накачке Я/(2, Яь) , 2 - при противонаправленной

накачке Я5_ (2, Яь) [44]

Полную выходную мощность Я£"Т,£ь и ЯгГ?С5 усиленной спонтанной эмиссии можно получить проинтегрировав выражения (1.37) и (1.38) по длине волны Яь, в пределах спектральной полосы усиления ионов эрбия при переходе 4/13/2 ^ 4 ^15/2, (1 39) (1.40). Численное решение выражений (1.39) (1.40), приведено на рисунке 1.22 [47].

(1.39)

1650

Р~ =

1 1018

1400

(1.40)

Рисунок 1.22 - Зависимость полной выходной мощности Р£А£ь от мощности накачки. 1 - при сонаправленной накачке Р/(£, Л5) , 2 - при противонаправленной

накачке Р5~ (г, Я5) [44]

Анализируя рисунки 1.21 и 1.22, можно сделать вывод о том, что противонаправленный режим накачки обладает большей эффективностью, однако в этом режиме спектр усиленной спонтанной эмиссии по полувысоте обладает меньшей шириной чем при соноправленной накачке, поэтому при выборе схемы накачки необходимо более детально изучить влияние параметров усиленной спонтанной эмиссии на выходной сигнал ВОГ [50].

1.3.2 Теоретическая модель влияния параметров усиленной спонтанной эмиссии на выходной сигнал ВОГ

При условии равного единице соотношения сигнал/шум в выходном сигнале ВОГ, выражение для определения предельной чувствительности ВОГ ограниченной дробовым шумом будет иметь вид (1.41) [51].

hc&f I \sc 7TgksPfots\4TTRlt

П±г=л/—^Нт(1.41)

где ^ - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; Л/ - полоса частот попадающая на фотоприемник ВОГ; х - квантовая эффективность фотоприемника (количество фотоэлектронов на фотон х < 1); Яь - длина волны излучения; Я£А£ь -спектральная плотность мощности излучения попадающего на фотоприемник; Т -радиус волоконно-оптического контура ВОГ; I - длинна волокна в волоконном контуре; М - скорость вращения волоконного контура;

Анализируя выражение (1.41) можно сделать вывод о том, что пороговая чувствительность ВОГ снижается при увеличении мощности накачки легированного эрбием волокна и изменяется по закону приведенному на рисунке 1.23.

Учитывая основные источники шума, среди которых шумы связанные с эффектом Керра, перекачкой поляризационных мод и обратным Рэлеевским рассеянием, а также дробовым шумом, выражение для определения соотношения сигнал/шум принимает вид (1.42) [44].

SNR-

_h_

■■2 л л = (1-42)

V^+'i+^ + 'b.r

где SNR - соотношение сигнал/шум (signal to noise ratio); 8b - мощность полезного электрического сигнала в схеме фотоприемника; ¿bi - мощность дробового шума; - мощность шума вызванного эффектом Керра; ¿| - мощность шума вызванного

обратным Рэлеевским рассеянием; - мощность шума вызванного перекачкой поляризационных мод.

Рисунок 1.23 - Зависимость пороговой чувствительности ВОГ от полной мощности усиленной спонтанной эмиссии с учетом только дробового шума. 1 -при сонаправленной накачке Р/ (г, А3) , 2 - при противонаправленной накачке

РЛгД5) [44]

Переменная составляющая, которая появляется при вращении ВОГ относительно инерциального пространства, может быть записана как (1.43). Это выражение справедливо только для маленьких скоростей вращения, когда Дф5 « 1 [44].

(1.43)

где е - заряд электрона; Х5 - длина волны излучения; Дф5 - фазовый сдвиг, вызванный эффектом Саньяка.

Выражение для оценки мощности фундаментального неустранимого дробового шума в полосе частот сигнала от фотоприемника имеет вид (1.44) [44].

(1.44)

Выражение для оценки мощности шума вызванного эффектом Керра имеет вид (1.45) [52]. Как видно из данной зависимости, мощность шума вызванного эффектом Керра напрямую зависит от общей выходной мощности усиленной спонтанной эмиссии, а также от ее спектральной ширины.

4=

2/1 с

(1.45)

где ДфК(ДД ) - разность фаз вызванная эффектом Саньяка с учетом эффекта Керра, определяемая как (1.46).

(146)

где т = 4щтпк8/X, цт - импеданс среды; пк - показатель преломления среды; €

- коэффициент зависящий от поперечного распределения модового поля в оптическом волокне (составляет порядка единицы); К - коэффициент деления; т0

- групповое время распространение излучения по волоконному контуру; /(£) -интенсивность источника оптического излучения; Ьс - длина волоконного контура определяемая из (1.47).

(1.47)

где (т/(Х - материальная дисперсия на единицу длины световода; ДД -спектральная ширина излучения усиленной спонтанной эмиссии.

Выражение для оценки мощности шума, вызванного эффектом обратного Рэлеевского рассеяния, имеет вид (1.48) [53].

(1.48)

где Афя - разность фаз вызванная эффектом Саньяка с учетом обратных Рэлеевских рассеяний, определяемая как (1.49) [53].

(1.49)

где а0 - потери в оптичсеком волокне вызванные Рэлеевским рассеянием; „я - доля обратно распространяющегося излучения вызванного Рэлеевским рассеянием, определяемым как (1.50) [44].

п] - п?

где п1 и п2 - показатели преломления двух сред.

Выражение для оценки мощности шума, вызванного перекачкой поляризационных мод, определяется как (1.51) [44]. Как видно из выражения мощность шума, вызванного перекачкой поляризационных мод, напрямую зависит от полной выходной мощности усиленной спонтанной эмиссии.

(1.51)

где Афь1г - разность фаз вызванная эффектом Саньяка с учетом влияния эффекта перекачки поляризационных мод, определяется как (1.52).

А<Рыг= ( —] (1.52)

\HKLb/

где Н - 'Ъ" параметр оптического волокна; Ьв - длина биений в двулучепреломляющем одномодовом оптическом волокне [54].

Принимая во внимание влияние всех принципиальных шумов, выражение (1.42) для пороговой чувствительности ВОГ имеет вид (1.53) [44] , при условии SNR

= 1 и, что разность фаз вызванная эффектом Саньяка заменена на

эквивалентное значение угловой скорости .

(1.53)

Принимая во внимание все шумы от которых зависит пороговая чувствительность ВОГ, с помощью зависимостей их описывающих можно привести зависимости пороговой чувствительности ВОГ от параметров усиленной спонтанной эмиссии (рисунок 1.24, рисунок 1.25).

Рисунок 1.24 - Зависимость пороговой чувствительности ВОГ от ширины спектра усиленной спонтанной эмиссии, учитывая все принципиальные источники шума. 1 - при сонаправленной накачке Я/ (2, Яь) , 2 - при противонаправленной накачке

Я"(г,Я5) [44]

О* Л4 0.8 -

О

/

0.6

/

р

/

0.4

х

0.2

10"6 10"5 10"

Рисунок 1.25 - Зависимость пороговой чувствительности ВОГ от полной выходной мощности спонтанной эмиссии, учитывая все принципиальные источники шума. 1 - при сонаправленной накачке Я/(г, Я5) , 2 - при

Анализируя зависимости, приведенные на рисунках 1.24 и 1.25, можно сделать вывод о том, что при выборе режима работы ЭСВИОИ совместно с ВОГ необходимо учитывать все принципиальные источники шума.

Из приведенного анализа можно сделать вывод о том, что увеличение ширины спектра выходного оптического излучения ИОИ, а также выбор оптимальной его оптической мощности, приводит к случайного дрейфа в выходном сигнале ВОГ [55].

1.3.3 Снижение температурного коэффициента центральной длины волны выходного оптического излучения ЭСВИОИ

Температурный коэффициент центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ зависит от нескольких основных факторов, среди которых температурные коэффициенты параметров излучения накачки, в частности центральной длины волны и мощности, а также собственный температурный коэффициент эрбиевого

противонаправленной накачке Рь (г, Я5) [44]

волокна, которые могут быть как положительные, так и отрицательные и зависящие от конфигурации ЭСВИОИ.

Температурный коэффициент легированного эрбием волокна может быть снижен только посредством оптимизации технологии изготовления эрбиевого волокна, а его стандартное значение составляет порядка 10 млн_1/°С. Физически изменение ярко выраженных пиков ВОИ ЭСВИОИ в области длин волн 1530 нм и 1560 нм приводит к изменению центра тяжести спектра даже при стабильности этих пиков по центральной длине волны.

Флуктуации центральной длины волны и мощности излучения накачки, вызванные температурным воздействием, могут быть снижены путем термостабилизации активной области лазерных диодов накачки (ЛДН) посредством размещения ее на элементе Пельтье, а также применением внешнего резонатора на Брэговской решетке. Для увеличения стабильности выходной мощности ЛДН также применяются токовые драйверы с низкими шумами и высокой температурной и долговременной стабильностью. Термостабилизация эрбиевого волокна, а также ЛДН на уровне 0,1 °С, позволяет значительно снизить температурный коэффициент центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ, однако такой подход энергоемкий. В настоящее время промышленностью выпускаются волокна с большой концентрацией эрбия и коэффициентом поглощения более чем 20 Дб/м, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), которые позволяют создавать энергоэффективные ЭСВИОИ с малой длиной активного волокна. Применение таких волокон существенно затрудняет увеличение стабильности параметров ВОИ ЭСВИОИ посредством осуществления термостабилизации, т.к. большая концентрация ионов эрбия в волокне увеличивает внутреннюю неустойчивость легированного волокна и затрудняет регулирование температурой

[9].

Основная причина нестабильности параметров ВОИ ЭСВИОИ, связанной с легированным эрбием волокном, это зависимость коэффициента усиления от температуры [56]. Зависимость коэффициента усиления от температуры

обусловлена изменением плотности населенности на каждом энергетическом уровне, что приводит к изменению усиления в эрбиевом волокне (1.54).

д(Л5Л>М,Т) = [Се(ЛзЛ,Т) + Са(Л5>1,Т)]Ы - Са(Л5>1,Т) - Ь(Л5>1)), (1.54)

где (Хял, Т< - коэффициент усиления; Са&зЛ'Т) - коэффициент поглощения; L -оптические потери в волокне; N - инверсия населенности ионов эрбия.

Для получения значения длины волны, при которой зависимость усиления от температуры принимает минимальное значение необходимо (154) продифференцировать (1.55).

(а(ХиО,Т) ве(ХиТ) Са(ХиТ) (О

= О [О-1]+-[Се Ц„ Т + Са(А1, Т)] (1-55)

Как можно заметить, анализируя выражение (1.55), три параметра имеют зависимость от температуры, в частности коэффициент усиления, коэффициент поглощения и уровень инверсии населенности. Зависимость инверсии населенности в эрбиевом волокне от температуры может быть определена как (1.56) [9].

1Р(А0г>Т)Са(Лс>Т) О=-571-, ^ (156)

1+1

Р(Л1>г,Т)(Са(Л1>Т) + Се(Л1>Т))'

где - частота соответствующая длине волны Ас; £ - отношение линейной плотности ионов эрбия к их времени жизни в метастабильном состоянии.

Для определенной длины волны отношение линейной плотности ионов эрбия к их времени жизни на метастабильном энергетическом уровне связано с двумя основными, зависимыми от температуры, параметрами, в частности с мощностью насыщения и длины волны накачки. Мощность насыщения выражается как (1.57)

[9].

Рьа<(Ас'Т) = Са(Ь,Т) + Се(Ь,Т) (157)

Как можно заметить, анализирую выражение (1.57), мощность насыщения зависит обратно пропорционально от коэффициентов усиления и поглощения.

Эффективным способом снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ является установка в его оптическую схему термокомпенсирующих элементов, т.е. обладающих противоположным температурным коэффициентом центральной длины волны ВОИ. Такими элементами выступают волоконно-оптические фильтры, такие как длиннопериодные волоконные решетки [13, 14, 15], волоконные решетки Брэгга [11, 8, 16], ненакачиваемое легированное эрбием волокно [17, 18, 19], фильтры на тонких пленках [11, 8, 20], фотонный полосовой фильтр [21], мультиплексоры с разделением по длине волны [10], другие периодические структуры [22] и полосовые фильтры [23].

Применение заранее изготовленных фильтров в волоконно-оптическом тракте ЭСВИОИ требует их согласования, т.е. подстройки температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ, посредством подстройки мощности излучения накачки и ее центральной длины волны, а также подбора оптимальной длины активного волокна. При таком подходе невозможно изменять параметры ВОИ, такие как центральная длина волны, ширина спектра и выходная оптическая мощность при сохранении низкого значения температурного коэффициента центральной длины волны, что зачастую является препятствием для широкого практического применения такого подхода [11], но с помощью данного подхода достигнуты низкие значения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ порядка 0,08 млн_1/°С [12].

Рядом исследователей ставились задачи снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ в диапазоне выходных оптических мощностей для возможности подстройки оптической мощности в конечных устройствах, таких как ВОГ при сохранении низкого значения температурного коэффициента центральной длины волны. Для решения данной задачи изменяют конфигурацию ЭСВИОИ, в частности используются

двухсторонние или двухкаскадные схемы накачки активного эрбиевого волокна [57], подбирается оптимальная длина активного эрбиевого волокна [58, 59, 60], в том числе и в конфигурации с дополнительным ненакачиваемым эрбиевым волокном [61]. Данный подход имеет свои преимущества при применении ЭСВИОИ в конечных устройствах, однако в настоящее время получен относительно высокой температурный коэффициент центральной длины волны, порядка 2-8 млн_1/°С [10].

Известен также другой подход к снижению температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ, заключающийся в установке узкого спектрального фильтра на выходе оптической схемы таких источников. Поскольку каждая длина волны генерируемой спонтанной эмиссии имеет независимое поведение, итоговый спектр ВОИ можно представить как произведение спектра спонтанной эмиссии и спектра пропускания фильтра. Полагая что спектральный фильтр обладает высокой стабильностью передаточной характеристики, стабильность итогового спектра улучшится на коэффициент р равный квадрату отношения между шириной исходного спектра и шириной полосы пропускания спектрального фильтра (рисунок 1.26). Так при исходном спектре шириной в 15 нм, а ширине характеристики пропускания спектрального фильтра 5 нм, р = 3, увеличение стабильности центральной длины волны составит более порядка [1].

РИ

стабильный

фильтр

нестабильный

спектр

\

\

/

\

/

ч

ч

ч

о

Рисунок 1.26 - Принцип фильтрации нестабильного широкого спектра, фильтром

с узкой полосой пропускания [1]

При таком подходе уменьшается детектируемая мощность на ФПУ на коэффициент р, что в свою очередь уменьшает соотношение сигнал шум на <р. В случае с ЭСВИОИ этого можно избежать путем замены обычного зеркала в двухпроходной схеме на спектрально селективное [62], к примеру на решетку Брэгга (Рисунок 1.27) [63]. Основная идея заключается в фильтрации обратного излучения в оптической схеме ЭСВИОИ посредством спектрально-селективного зеркала с последующим отражением от него и усилением в активной среде накачанного эрбиевого волокна. Таким образом, спектр ВОИ будет иметь форму спектра отражения спектрально-селективного зеркала. Описанный принцип поясняется на рисунке 1.2 8.

Рисунок 1.27 - Двухпроходная схема ЭСВИОИ с зеркалом, коэффициент отражения которого зависит от длины волны падающего света [63]

Длина волны Длина волны

а б

Рисунок 1.28 - Спектр спонтанного излучения и характеристика полосового фильтра (а); спектр выходного оптического излучения (б) [63]

В работе [63] в качестве такого фильтра применяется решетка Брэгга. Длина волны Брэгга определяется как (1.58), а ее температурный коэффициент

центральной длины волны как (1.59) и составляет порядка 7,3 млн_1/°С [63]. Поэтому применяя решетки Брэгга для снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ таким путем необходимо осуществлять их температурную стабилизацию или вводить термокомпенсацию. Преимуществом данного подхода может являться минимизация компонентов в оптической схеме, т.к. решетка Брэгга прозрачна для излучения накачки, что позволяет исключить из оптической схемы ЭСВИОИ оптические мультиплексоры.

Хв = 2па, (158)

где п - средний показатель преломления, а - шаг периодической структуры

1 dXB 1 dn 1 da

--в =--+----(1.59)

Ав dT ndT adT

К недостаткам данного способа снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ можно отнести существенное уменьшение его ширины спектра.

Существует также техника контроля центральной длины волны ИОИ, заключающаяся в отведении посредством разветвителя части генерируемого излучения на миниатюрный спектрометр основанный на периодической структуре [64], контроль центральной длины волны ВОИ ИОИ также может осуществляться с помощью решетки Брэгга [65].

Применение фотонно-кристаллического волокна легированного ионами эрбия позволяет эффективно стабилизировать центральную длину волны ВОИ ЭСВИОИ [66, 67, 12]. Важным преимуществом фотонно-кристаллического волокна является нечувствительность к возмущениям внешней среды, в частности низкая чувствительность к температуре и к изгибам, а также низкие вносимые потери [66]. Наилучший результат по снижению температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ с применение легированного эрбием фотонно-кристаллического волокна получен в работе [12] и составляет 0,077 млн_1/°С в диапазоне температур от минус 40 °C до +70 °C. Данный результат

достигнут путем экспериментального подбора длины активного фотонно-кристаллического волокна и мощности ЛДН. Однако фотонно-кристаллические волокна наряду со своими преимуществами имеют и недостатки к которым можно отнести сверх сильные нелинейные эффекты [68].

1.3.4 Устройство ЭСВИОИ

Минимальная схема ЭСВИОИ включает в себя лазерный диод накачки и легированное эрбием активное волокно, которое под воздействием излучения накачки генерирует излучение суперлюминесценции в области длин волн 15201560 нм в двух противоположных направлениях. Наибольшая эффективность использования излучения накачки достигается на длинах волн 980 нм и 1480 нм, причем при накачке активного волокна на длине волны 1480 нм можно обеспечить наибольшую энергетическую эффективность (86%), т.к. излучение 1480 нм обладает большей квантовой эффективностью (91%) нежели излучение 980 нм (55% и 86% соответственно). Однако накачка активного волокна излучением с центральной длиной волны в области 980 нм, осуществляющейся по трёхуровневой схеме, теоретически позволяет обеспечить формирование полной инверсии населенности основного и метастабильного энергетических уровней, в то время как излучение с центральной длиной волны в области 1480 нм осуществляет накачку напрямую на метастабильный уровень и само эффективно взаимодействует с ионами эрбия не позволяя добиться полной инверсии населенности основного и метастабильного энергетических уровней [69].

Накачка активного волокна может осуществляться как соноправлено ВОИ ЭСВИОИ (рисунок 1.29 а) в)), так и противонаправлено (рисунок 1.29 б) г)). Существуют однопроходные и двухпроходные схемы накачки активного волокна. В однопроходных часть излучения суперлюминесценции, генерируемой в активном волокне под воздействием излучения накачки, не используется (рисунок 1.29 а) б)), в то время как в двухпроходных схемах для ее использования в одно из плеч ЭСВИОИ устанавливается отражатель (рисунок 1.29 в) г)).

Рисунок 1.29 - Схемы накачки эрбиевого волокна: однопроходная схема с сонаправленной накачкой (а); однопроходная схема с противонаправленной накачкой (б); двухпроходная схема с сонаправленной накачкой (в); двухпроходная схема с противонаправленной накачкой (г); двухпроходная схема

с двусторонней накачкой (д) [70].

Существует оптимальная длина эрбиевого волокна при которой излучение накачки используется наиболее эффективно, т.е. ЭСВИОИ обладает максимальным КПД. При увеличении длины волокна наблюдается уменьшение инверсии населенности на дальних его участках, при этом наблюдается поглощение, а при уменьшении длины активного волокна излучение накачки используется не полностью [69]. Двухпроходные схемы с противонаправленной накачкой обладают КПД порядка 52%, в то время как однопроходные схемы с противонаправленной накачкой порядка 27%, а двухпроходные с соноправленной накачкой имеют КПД порядка 38% [71]. КПД двухпроходных схем с двусторонней накачкой и имеющих

в своем составе ненакачиваемое эрбиевое волокно (для уширения спектра ВОИ) зависит от длины этого волокна и составляет порядка 45-50% [72].

В оптических схемах ЭСВИОИ существует вероятность возникновения узкополосной лазерной генерации из-за обратных отражений от торцов волокон, а также от подключенных к внешнему порту оптических устройств, поэтому концы волокон терминируются, а на выход схемы устанавливается волоконно-оптический изолятор [73, 74].

Большое количество работ посвящено сравнению характеристик ЭСВИОИ в разных конфигурациях. По результатам анализа которых можно сделать вывод о том, что схемы с противонаправленной накачкой обладают меньшими шумами интенсивности и более высокой стабильностью параметров ВОИ [75]. Для применения совместно с ВОГ наилучший результат, т.е. снижение шумов в выходном сигнале ВОГ, имеет двухпроходная схема с противонаправленной накачкой [7].

Схема ВОГ основана на использовании одной поляризационной моды, поэтому для применения совместно с ВОГ излучение ЭСВИОИ должно обладать полностью поляризованным излучением или наоборот быть полностью деполяризовано, в таком случае на входе оптической схемы ВОГ устанавливается поляризатор. Для создания излучения с высокой степенью поляризации в схеме ЭСВИОИ устанавливаются поляризаторы, место их установки подбирается экспериментально [73, 76, 77] или применяются компоненты только с сохранением поляризации [78, 79]. Наоборот, для снижения остаточной поляризации в ЭСВИОИ осуществляется деполяризация излучения ЛДН [79], а на выходе оптической схемы ЭСВИОИ устанавливается деполяризатор Лио [80, 81, 82], также в двухпроходных схемах в качестве зеркала устанавливается зеркало Фарадея [83, 79].

1.3.5 Увеличение ширины спектра генерируемого спонтанного излучения

ЭСВИОИ

При применения ЭСВИОИ в составе ВОГ важным параметром ВОИ является функция временной когерентности, которая зависит от ширины и формы спектра, поэтому большое количество работ [84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91] посвящено увеличению ширины спектра, а также придания ему более плавной формы (в идеальном случае он должен иметь форму распределения Гаусса в частотной области [1]).

Для уширения спектра ВОИ схему ЭСВИОИ видоизменяют для возможности генерации усиленной спонтанной эмиссии в нескольких диапазонах, в обычном диапазоне (С-диапазон, 1525~1565 нм) и длинноволновом диапазоне (Ь-диапазон, 1565~1605 нм) [92]. Обычно спектр усиленной спонтанной эмиссии охватывает С-диапазон, что соответствует переходу 4 113/2 ^ 4 11./2. Однако в 1990-е годы было обнаружено, что инверсия ионов эрбия может поддерживаться на низком уровне путем подстройки длины активного волокна, при этом спектр усиленной спонтанной эмиссии сдвигается в длинноволновую область: Ь-диапазон [93]. Принцип сдвига усиленной спонтанной эмиссии в длинноволновую область проиллюстрирован на рисунке 1.30. Осуществляя накачку легированного эрбиевого волокна с двух сторон в двухпроходной схеме ЭСВИОИ, можно регулировать инверсию ионов эрбия по длине активного волокна путем изменения коэффициента накачки лазерных диодов, равного отношению оптической мощности сонаправленной выходному оптическому излучению накачки к сумме оптических мощностей сонаправленной и противонаправленной накачки, а также изменения длины активного волокна [89, 86], что позволяет создавать источники усиленной спонтанной эмиссии в С-диапазоне, Ь-диапазоне, а также в С+Ь диапазоне [89, 85, 88, 87]. В некоторых работах для получения более широкого спектра ВОИ в С+Ь диапазоне и Ь диапазоне схемы ЭСВИОИ имеют несколько каскадов активных волокон, накачиваемых ЛДН [85, 84].

Рисунок 1.30 - Принцип генерации усиленной спонтанной эмиссии в

длинноволновой области [89]

Двухпроходные схемы ЭСВИОИ с двусторонней накачкой представляют наибольший интерес [94], так как при правильном подборе коэффициента накачки ЛДН, а также правильном выборе длины активного волокна позволяют получить стабильную, почти независимую от мощности накачки, центральную длину волны ВОИ. Схема такой конфигурации ЭСВИОИ представлена на рисунке 1.29 (д), а ее характеристики исследованы в работе [94]. Важной особенностью таких схем является возможность изменения ширины и формы спектра, а также центральной длины волны путем изменения коэффициента накачки рисунок 1.31 и 1.32 соответственно. В таких схемах также можно получить более широкий спектр усиленной спонтанной эмиссии в L-диапазоне путем установки сегмента ненакачиваемого волокна посредством оптимизации длин активных волокон, а также коэффициента накачки [90]. Двухкаскадные схемы также позволяют при постоянной мощности накачки, изменяя коэффициент накачки в каскадах, изменять выходную мощность, сохраняя центральную длину волны [95].

«

а о

о К

1-10

л

н

8 "20

X

н О

■30

1 ! 1 1 1 ' 1 1 ! 1 \ ""Vг- /у----- 1 1 1 1 1 1 1 1

- /Л. // ' / ч /1 / " / У/ У !

{ I 1 1 ! 1 \

/ / / / 1 1 / / / 1 ( 1 / / ✓ I Ир-1 0 ------Пр=0.5 --------Ир=0,2

■ 1 . 1 , ...... .....Ир-0 ........

ж

л

§ "40

&

К

(и

С -50

о 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620

длина волны (нм)

Рисунок 1.31 - Изменение ширины спектра генерируемой усиленной спонтанной эмиссии в двухпроходной схеме СВИОИ с двухсторонней накачкой посредством

изменения коэффициента накачки - Rp [94]

Рисунок 1.32 - Изменение центральной длины волны генерируемой усиленной спонтанной эмиссии в двухпроходной схеме СВИОИ с двухсторонней накачкой посредством изменения коэффициента накачки - Rp [94]

Для сглаживания спектра применяются разнообразные фильтры среди которых: D-фильтры [96], решетки Брэгга [91], длиннопериодные решетки [96] , легированное эрбием ненакачиваемое волокно [17, 18, 19].

Выводы по главе

В данной главе проведен обзор современной научно-технической литературы который показал, что в настоящее время повышение стабильности параметров ВОИ ЭСВИОИ очень актуально, в особенности для повышения стабильности МК ВОГ.

Было выявлено, что для применения в ВОГ навигационного класса точности необходим ИОИ, генерирующий излучение шириной не менее 5-20 нм [8, 45], с формой спектра приближенной к распределению гаусса для минимизации длины декогерентности [1], мощностью 1-20 мВт [8, 45] и высокой долговременной и температурной стабильностью параметров ВОИ, в частности температурный коэффициент центральной длины волны должен составлять не более 0,27 млн_1/°С [36, 45, 56]. Важным также является спектральный диапазон генерируемого излучения, требования к которому определяются спектральным пропусканием оптической схемы ВОГ [1].

На основании проведенного обзора можно заключить, что наиболее оптимальной схемой построения ЭСВИОИ для применения совместно с ВОГ является двухпроходная схема с двухсторонней накачкой легированного эрбием активного волокна, обладающая высоким КПД и возможностью генерации излучения обладающего широким спектром [94]. Двухсторонняя накачка активного эрбиевого волокна позволяет более равномерно распределить излучение накачки по его длине, а при обеспечении преимущественно противонаправленной накачки такая схема способствует снижению шумов в выходном сигнале ВОГ [7, 44].

Снижение температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ возможно посредством установки в его оптическую схему

термокомпенсирующих спектральных фильтров, однако на практике это осложняется процедурой согласования на каждом отдельном устройстве.

Снизить флуктуации параметров ВОИ ЭСВИОИ также возможно путем повышения стабильности излучения накачки посредством применения ЛДН с активной температурной стабилизацией и с внешним волоконным резонатором на решетке Брэгга.

Выявлено два подхода к снижению температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ, в частности снижение только температурного коэффициента центральной длины волны с отсутствием возможности изменять любые другие параметры ВОИ при сохранении низкого значения температурного коэффициента центральной длины волны и снижение температурного коэффициента центральной длины волны с возможностью изменять выходную оптическую мощность при незначительном изменении температурного коэффициента центральной длины волны.

Дальнейший материал посвящен исследованию существующих способов снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ и предложению новых; исследованию влияния параметров ВОИ ЭСВИОИ на масштабный коэффициент ВОГ.

Глава 2. Снижение температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ

В данной главе предлагается двухпроходная схема ЭСВИОИ с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя ЛДН, осуществляется моделирование и экспериментальное исследование основных ее зависимостей, рассматривается метод снижения температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ предложенной схемы путем размещения в оптической схеме термокомпенсирующего фильтра, предлагается новый метод осуществления температурной стабилизации параметров ВОИ ЭСВИОИ построенного по такой схеме.

2.1 Двухпроходная схема ЭСВИОИ с двусторонней накачкой активного эрбиевого волокна имеющая в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбием волокна

На основании результатов проведенного в первой главе обзора схем построения ЭСВИОИ была выбрана двухпроходная схема построения с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна. Двухпроходная схема обладает большим КПД по сравнению с однопроходной, а двухсторонняя накачка позволяет более равномерно распределить излучение накачки по длине активного эрбиевого волокна, что придает ВОИ такого ЭСВИОИ более высокую стабильность.

Предложенная схема ЭСВИОИ представлена на рисунке 2.1. В предложенной схеме для осуществления двухсторонней накачки применены два ЛДН для возможно динамически изменять распределение инверсии населенности по накачиваемому сегменту активного эрбиевого волокна. В оптической схеме установлен ЛДН с центральной длиной волны 980 нм для возможности создания максимальной инверсии населённости основного и метастабильного уровней в накачиваемом сегменте эрбиевого волокна, а также 1480 нм для возможности генерации излучения суперлюминесценции большой мощности. В качестве зеркала в левом плече схемы установлено зеркало Фарадея для снижения уровня

остаточной поляризации ВОИ. Для возможности изменения спектра как следствие возможности осуществления температурной компенсации центральной длины волны или уменьшения длины когерентности ВОИ в плече с зеркалом предусмотрено размещение спектрального фильтра. В качестве такого фильтра был выбран сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна как более простой и доступный, не требующий специальных расчетов и индивидуального изготовления. Для предотвращения попадания остаточного излучения накачки с центральной длиной волны 1480 нм в сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна, в схеме установлен дополнительный мультиплексор, отводящий остаточное излучение накачки. Во избежание возникновения узкополосной лазерной генерации, на выходе оптической схемы установлен изолятор, который имеет окно пропускания в области много более 980 нм и соответственно не допускает попадания в ВОИ остаточного излучения накачки от ЛДН с центральной длиной волны 980 нм.

Предложенная схема представленная на рисунке 2.1 функционирует следующим образом - под воздействием излучения накачки с оптическими мощностями Р980 и Р1480, от двух ЛДН, с центральными длинами волн А980 = 980 нм и А1480 = 1480 нм соответственно, вводимого в активное эрбиевое волокно посредством мультиплексоров, генерируется излучение суперлюминесценции в двух направлениях в спектральной области 1,5-1,6 мкм. Излучение суперлюминесценции, генерируемое сонаправленно излучению накачки с центральной длиной волны А1480, посредством мультиплексора, попадает в сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна в котором частично поглощается с последующим переизлучением в более длинноволновой области (Рисунок 1.30). Отразившись от зеркала и вернувшись обратно в накачиваемый сегмент волокна данное излучение усиливается, попутно складываясь с излучением суперлюминесценции генерируемой противонаправленно излучению накачки А1480. Итоговое излучение суперлюминесценции посредством мультиплексора, попадает на выход оптической схемы ЭСВИОИ.

НенакочиВоемое зрЭиеБое Зеркало Волокно Фараде я

Нокачи&аемое зрЗиеБое болокно

Мультиплексор Мультиплексор /г^г^ Мультиплексор [ ( Л ) ) 1550/1480 нм 1550/980 нм ( ( Г) ) ] 1550/1480 км

^с теап

Оптическии д^ Изолятор

■ ои1

Ч

1 Р:

1480

Р<Э80

/ШН 980 нм

Р1480 /ШН 1480 нм

ВыхоЭное оптическое излучение

Рисунок 2.1 - Двухпроходная схема ЭСВИОИ с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна и двумя ЛДН, имеющая в своем составе сегмент

ненакачиваемого эрбиевого волокна

Для численного описания такой схемы ЭСВИОИ в работе используется коэффициент накачки КР равный отношению оптической мощности накачки сонаправленной ВОИ Р980 к сумме оптических мощностей сонаправленной и противонаправленной мощностей излучения накачки (2.3), а также коэффициент длин активных волокон К" равный отношению длины накачиваемого сегмента волокна La к сумме длин накачиваемого и ненакачиваемого сегментов La + Lf (2.4).

КР =

980

980 + '1480

(2.1)

где КР - коэффициент накачки; Р980 — оптическая мощность излучения накачки сонаправленного ВОИ; Р1480 — оптическая мощность излучения накачки противонаправленного ВОИ.

Кт =

1 + 1*

(2.2)

где К" — коэффициент длин активных волокон; La — длина накачиваемого сегмента волокна; Lf — длина ненакачиваемого сегмента волокна.

2.2 Моделирование и экспериментальное исследование основных зависимостей двухпроходной схемы ЭСВИОИ с двусторонней накачкой активного волокна

Применение эрбиевых волокон с различным спектром поглощения в качестве термокомпенсирующих фильтров позволяет оптимизировать функцию временной когерентности посредством изменения спектра излучения суперлюминесценции.

Например, для того чтобы уменьшить пик усиления в области 1530 нм можно использовать легированное эрбием волокно с избыточными потерями в этом диапазоне длин волн, однако в диапазоне 1560 нм вклад используемого в качестве фильтра волокна лучше минимизировать для уменьшения поглощения в этой области. Таким образом, возможно получить широкополосное излучение в L- области с высоким КПД. Для более подробного изучения влияния длины и типа активного и ненакачиваемого волокон на ширину и форму спектра выходного оптического излучения ЭСВИОИ, а также влияния мощности накачки ЛДН на параметры выходного оптического излучения, было проведено численное моделирование и экспериментальные исследования.

Основной целью численного моделирования являлось изучение зависимостей параметров ВОИ, предложенной в ходе анализа существующих схем ЭСВИОИ, а также методов стабилизации их ВОИ, двухпроходной схемы ЭСВИОИ с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя ЛДН и имеющей в своем составе сегмент ненакачиваемого эрбиевого волокна, от длин эрбиевых волокон, а также от параметров излучения накачки. Моделирование проводилось в программах "OptiSystem (trial)" и "Gain master".

Спектры поглощения и излучения активного волокна обусловлены концентрацией ионов эрбия, а также наличием разнообразных примесей и их концентраций [97]. Спектр ВОИ ЭСВИОИ зависит от распределения инверсии населенности по длине активного эрбиевого волокна. Ввиду этого в процессе моделирования и экспериментальных исследований использовались волокна с

разными концентрациями ионов эрбия, изменялась их длинна и распределение инверсии населенности по их длине путем изменения оптических мощностей ЛДН. Параметры используемых в работе легированных эрбием волокон представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Оптические волокна использованные в ходе работы

№ Наименование и производитель Длина волны отсечки, нм Поглощение на длине волны 1531 нм, дБ/м Числовая апертура

1 I-6, Fibercore 870 - 970 7.2 - 8.4 0,22 - 0,24

2 I-12, Fibercore 900 - 970 14 - 21 0,21 - 0,23

3 I-25, Fibercore 900 - 970 35 - 45 0,23 - 0,26

4 M-12, Fibercore 900 - 970 16 - 20 0,21 - 0,24

В реальных ЭСВИОИ размещение зеркала в левом плече двухпроходной схемы может привести к узкополосной генерации, поэтому важная составляющая таких схем - волоконно-оптический изолятор Фарадея, который является невзаимным оптическим устройством и пропускает свет в одном направлении, однако для упрощения и ускорения процесса построения и расчета численной модели, были использованы идеальные компоненты, без учета влияния обратных отражений. Таким образом, для проведения численного моделирования в "OptiSystem (trial)" была построена схема, представленная на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема ЭСВИОИ построенная в программе моделирования

OptiSystem (trial)

При моделировании в качестве накачиваемого эрбиевого волокна использовалось волокно "1-12" длиной 4,5 метра, а в качестве ненакачиваемого волокна использовалось волокно "М-12" длиной 6 метров. В процессе моделирования изменялись оптические мощности лазерных диодов накачки Р980 и Р1480. В результате была получена зависимость изменения формы и ширины спектра ВОИ ЭСВИОИ от изменения этих мощностей. На рисунке 2.3 приведены спектры ВОИ ЭСВИОИ полученные по результатам проведенного численного моделирования. Анализируя данные приведенные на рисунке 2.3, можно сделать вывод о том, что при увеличении оптической мощности Р980 происходит увеличение оптической мощности излучения суперлюминесценции генерируемого в направлении сонаправленном излучению накачки Р1480, в то время как мощность излучения суперлюминесценции генерируемой противонаправлено Р1480 практически не меняется, результатом чего является сдвиг спектра результирующего излучения в длинноволновую область. Анализируя рисунок 2.3, можно сделать вывод о том, что посредством изменения коэффициента накачки можно осуществлять изменение центральной длины волны и формы спектра ВОИ ЭСВИОИ.

Затем была получена зависимость изменения параметров излучения суперлюминесценции от изменения длины ненакачиваемого участка эрбиевого волокна. Полученные данные представлены на рисунке 2.4. В легенде рисунка 2.4 указан тип и длина ненакачиваемого участка волокна, также в легенде указана соответствующая ширина спектра ВОИ ЭСВИОИ. В качестве активного волокна было установлено легированное эрбием волокно "М-12" длиной 14 метров.

Рисунок 2.3 - Спектры излучения ЭСВИОИ при разных оптических мощностях

накачек Р980 и Р1480

Анализируя данные приведенные на рисунке 2.4, можно заключить, что при увеличении длины или степени легирования ионами эрбия ненакачиваемого сегмента оптического волокна происходит увеличение ширины спектра ВОИ ЭСВИОИ. Увеличение ширины спектра ВОИ происходит за счет увеличения сдвига излучения суперлюминесценции в ненакачиваемом сегменте волокна в более длинноволновую область за счет процесса перепоглощения.

Рисунок 2.4 - Изменение спектра излучения ЭСВИОИ при изменении длины ненакачиваемого волокна и постоянных оптических мощностях Р980 и Р1480.

Для более подробного изучения зависимости параметров ВОИ ЭСВИОИ, построенного по двухпроходной схеме с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя лазерными диодами накачки, от токов ЛДН было проведено моделирование в программе "Gain master". Схема ЭСВИОИ с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна двумя ЛДН, построенная в среде моделирования "Gain master", представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Оптическая схема ЭСВИОИ, в среде моделирования "Gain master"

В результате проведенного моделирования была получена зависимость выходной оптической мощности ЭСВИОИ от токов ЛДН /980 и 114-о (рисунок 2.6). На графике полученной зависимости дополнительно построена секущая плоскость, соответствующая произвольно взятой мощности ВОИ равной 50 мВт. Значения токов накачки в точках пересечения плоскостей соответствуют ВОИ с постоянной мощностью. На рисунке 2.7 приведены значения центральных длин волны ВОИ в точках пересечения плоскостей изображенных на рисунке 2.6.

Анализируя зависимости полученные в ходе моделирования, можно заключить, что в схеме ЭСВИОИ с двухсторонней накачкой активного эрбиевого волокна и двумя ЛДН возможно изменять центральную длину волны при стабильной выходной оптической мощности, посредством изменения коэффициента накачки.

Рисунок 2.6 - Зависимость выходной оптической мощности ЭСВИОИ от

мощностей ЛДН 1980 и 11480

Рисунок 2.7 - Зависимость центральной длины волны выходного оптического излучения ЭСВИОИ от токов ЛДН 1980 и 11480 при постоянной выходной

оптической мощности

Полученные в ходе моделирования зависимости, представленные на рисунках 2.3-2.4, а также 2.6 и 2.7, были экспериментально проверены. Была проведена серия экспериментов в каждом из которых ненакачиваемый сегмент эрбиевого волокна имел разную длину и степень легирования ионами эрбия. В процессе проведения каждого эксперимента изменялись мощности Р980 и Р1480, посредством изменения токов 1980 и 11480 соответственно, с шагом Д1 = 10 мА. Контроль параметров ВОИ производился с помощью спектроанализатора (Yokogawa AQ6370), в частности контролировались ширина спектра, центральная длина волны и мощность генерируемого излучения. Итоги серии экспериментов представлены на рисунках 2.8-2.10. В легенде данных рисунков представлены тип и длина ненакачиваемого сегмента эрбиевого волокна.

60 -5550 -| 45-

Ё 40-х

0 3530 -2520----—

100

Рисунок 2.8 - Зависимость мощности выходного оптического излучения ЭСВИОИ от токов лазерных диодов накачки

Рисунок 2.9 - Зависимость ширины спектра ВОИ ЭСВИОИ от токов ЛДН

Рисунок 2.10 - Графики зависимости центральной длины волны выходного излучения ЭСВИОИ от токов лазерных диодов накачки

Анализируя полученные в ходе численного моделирования и экспериментальных исследований зависимости параметров ВОИ ЭСВИОИ от токов ЛДН, представленные на рисунках 2.8-2.10, можно сделать следующие выводы: