Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Коваленко, Виктор Григорьевич

• Коваленко, Виктор Григорьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Коваленко, Виктор Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.У

Глава 1. ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКАХ обзор литературы).

1.1. Особенности фазовой модуляции в волоконнооптических интерферометрических датчиках различного типа.

1.2. Цельноволоконные датчики угловой скорости.

1.3. Цельноволоконные фазовые модуляторы.

1.4. Технология намотки волоконного световода на фазовый модулятор.

1.5. Измерение параметров фазовой модуляции.

1.6. Общая эффективность фазовой модуляции.

Глава 2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ.

2.1. Модуляторы с пьезопластинкой и тала «кольцо на кольце».

2.2. Численный анализ колебаний кольца.

2.3. Амплитуды движений точек при радиальных колебаниях.

2.4. ВЧ модулятор типа "кольцо в кольце".

2.5. ВЧ модулятор типа "сэндвич" простой и составной.

Глава 3. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ.

3.1. НЧ модулятор типа "С-кольцо".

3.2. НЧ модулятор типа "Камертон".

3.3. Увеличение эффективности низкочастотных модуляторов, получение сверхбольших девиаций фазы.

Глава 4. ПАРАЗИТНЫЕ ТИПЫ МОДУЛЯЦИИ.

4.1. Определения, методы компенсации.

4.2. Метод компенсации двулучепреломления при помощи V-канавки.

4.3. Схема измерения уровня паразитных модуляций.

4.4. Снижение уровня паразитных типов модуляций при укладке волокна в

V-канавку.

4.5. Модуляторы на основе анизотропных волокон.

4.6. Потери на изгибах и переходах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков»

г

Актуальность исследований. В волоконнооптических интерферометрических датчиках различных физических величин, таких, как датчики угловой скорости, гидрофоны, акселерометры и других, как правило, применяется модуляция оптических волн. В таких датчиках используются главным образом одномодовые волоконные световоды (ОВС), что уменьшает составляющие шума и дрейфа выходного сигнала, обусловленные межмодовыми эффектами. Чаще всего применяется модуляция фазы оптических волн, поскольку практически нет ограничений на диапазон перестройки, а также при соответствующей обработке нет потерь оптической мощности, не ухудшается конечное отношение сигнал/шум. С помощью модуляции фазы определяется знак сдвига интерференционной картины, достигается большой динамический диапазон измерений. Кроме того, в ряде случаев модуляция фазы используется в устройствах сдвига частоты, которые необходимы для некоторых компенсационных схем обработки сигнала.

В настоящее время находят применение в основном два вида модуляторов фазы оптического излучения: электрооптические модуляторы на основе интегрально-оптических схем с волоконными выходами и цельноволоконные модуляторы (ВФМ) намоточного типа на основе пьезокерамических возбудителей акустических колебаний. Наиболее широко применяются цельноволоконные модуляторы благодаря простой технологии изготовления, удобству их согласования с волоконнооптическими элементами, низким искажениям оптического сигнала при модуляции, пренебрежимо малому уровню отражённого сигнала, малым потерям и низкой стоимости.

Простым и до сих пор часто используемым является ВФМ на основе пьезоцилиндра или кольца, на боковую поверхность которого намотан с натяжением волоконный световод (его можно назвать модулятором «намоточного типа»). При радиальных колебаниях цилиндра изменяется полный оптический путь (фаза) световой волны главным образом за счет изменения длины намотанной части волокна. Однако такие простые ВФМ имеют ряд существенных недостатков, мешающих их применению в высокоточных датчиках. Им присущи заметные уровни паразитных типов модуляции, которые могут существенно ограничивать точность датчиков. Кроме того, простые ВФМ характеризуются низкой стабильностью параметров из-за большого температурного коэффициента расширения пьезокерамики, что приводит к дрейфу состояния поляризации на его выходе и затрудняет использование модулятора в резонансном режиме работы. На резонансной частоте фазовый модулятор, представляющий собой акустический резонатор, колеблется в режиме одной пространственной акустической моды. Эффективность фазовой модуляции ; при этом резко увеличивается. За счет фильтрации минимизируются искажения! модулируемого оптического сигнала, обусловленные как наличием паразитных гармоник в модулирующем сигнале, так и внешними акустическими воздействиями на волокно модулятора. Рабочие частоты модуляции для большинства типов датчиков находятся в диапазоне от единиц до сотен килогерц. Разработка конструкции и технологии резонансных ВФМ со стабильными параметрами для указанного диапазона представляет большой интерес.

В ряде схем волоконнооптических датчиков используется модуляция оптического излучения на низких частотах порядка единиц килогерц. Обычно в качестве низкочастотного ВФМ применяют ВФМ в нерезонансном режиме на частоте ниже первого радиального резонанса. Однако при этом значительно снижается эффективность фазовой модуляции, а также возбуждается несколько соседних мод акустических колебаний и сложная картина биений может привести к увеличению шума в выходном сигнале датчика. Поэтому разработка резонансных НЧ ВФМ является актуальной задачей.

Для снижения погрешности сигнала ВФМ должен иметь малый уровень паразитных типов модуляции. В модуляторах намоточного типа наибольший вклад в погрешность вносит паразитная поляризационная модуляция (ППМ). Она приводит к сигналу на выходе прибора, не связанному с измеряемой величиной, и серьёзно ограничивает точность датчика.

ППМ подробно изучалась в ряде работ, где рассмотрены ВФМ на основе пьезокерамического модулятора с намотанным на него волокном. Среди предложенных методов подавления ППМ преобладают компенсационные методы с использованием конверсии волоконных поляризационных мод. Однако методы на основе двух идентичных пьезоволоконных модуляторов с конвертором мод между ними имеют невысокую стабильность компенсации и большую трудоёмкость настройки, а более перспективные недостаточно изучены. Поэтому задача снижения уровня ППМ в модуляторах остаётся весьма актуальной.

Наши исследования проводились в, рамках разработок высокоточных волоконнооптических датчиков угловой скорости на основе волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) Саньяка. В этих схемах, как известно, существует определённая частота фазовой модуляции (называемая собственной), при которой не только максимизируется вносимый модулятором динамический сдвиг фаз между встречными волнами, но и уменьшаются (теоретически до нуля) вносимые модулятором ошибки в сигнал датчика. Поэтому настройка резонансной частоты модуляторов на собственную для используемых контуров была ещё одной важной задачей.

Таким образом, проведенные в диссертации экспериментальные исследования резонансных цельноволоконных модуляторов фазы оптического излучения являются актуальными и представляют большой практический интерес. Цели работы.

Основными целями настоящей работы явились разработка конструкций и исследование новых типов цельноволоконных резонансных фазовых модуляторов для высокоточных интерферометрических датчиков, исследование паразитных видов модуляции в модуляторах и методов их снижения, а также повышение моночастотности и увеличение эффективности фазовой модуляции. При этом исследовались модуляторы с использованием как номинально изотропных, так и анизотропных одномодовых волокон. Научная новизна.

На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения.

1. Предложены и разработаны новые типы низкочастотных резонансных волоконных модуляторов намоточного типа, обладающие низким уровнем паразитных типов модуляции, большой девиацией фазы и хорошей моночастотностью. Впервые показано, что а) существует нижний предел резонансной частоты при заданных габаритах и массе модулятора и он определяется свойствами световода, б) существует оптимальное соотношение числа, растягиваемых волоконных участков и упругости пьезометаллической конструкции по критерию «эффективность ФМ / резонансная частота».

2. Для снижения уровня паразитной поляризационной модуляции (ППМ) в модуляторе на изотропном волокне предложена укладка световода при намотке в канавку с определенным углом. В результате уровень ППМ снижен в несколько раз. Уровень модуляции интенсивности во всех модуляторах на два-три порядка ниже уровня ППМ.

3. Для модулятора на анизотропном волокне предложен и экспериментально осуществлён метод компенсации ППМ посредством применения двухобмоточного

ВФМ с промежуточной конверсией волоконных поляризационных мод. Достигнуто снижение уровня ППМ примерно на порядок.

На основе предложенных методов в диссертации разработаны и исследованы ВФМ с низким уровнем ППМ. Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырёх глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Полный объём диссертации составляет 111 страниц, включая 100 страниц основного текста, 45 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 35 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Коваленко, Виктор Григорьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение приведем основные результаты диссертационной работы:

1. Изучены принципы создания высокочастотных волоконных фазовых модуляторов (ВФМ) на основе составного резонатора.

2. Предложены конструкции резонансных высокочастотных ВФМ, отличающиеся следующими достоинствами: a) высокой моночастотностью, b) низким уровнем паразитной поляризационной модуляции, c) высокой эффективностью фазовой модуляции и возможностью получения больших девиаций фазы, d) возможностью подстраивать резонансную частоту к заданному значению, e) низким уровнем изгибных потерь при использовании стандартных пьезоэлементов.

3. Впервые исследованы низкочастотные резонансные ВФМ намоточного типа и разработаны лабораторные конструкции таких модуляторов, обладающие следующими свойствами: a) низким уровнем паразитных типов модуляций, b) большой девиацией фазы и малой потребляемой мощностью, c) хорошей моночастотностью, d) возможностью подстраивать резонансную частоту к заданному значению.

4. Изучено влияние различных факторов на характеристики низкочастотных модуляторов намоточного типа. Показано, что а) существует нижний предел резонансной частоты при заданных габаритах и массе модулятора и он определяется свойствами световода, б) существует оптимальное соотношение числа растягиваемых волоконных участков и упругости пьезометаллической конструкции по критерию «эффективность ФМ / резонансная частота».

5. Изучены паразитные эффекты: поляризационная модуляция (ППМ) и модуляция интенсивности (МИ). Для снижения уровня ППМ в модуляторе на изотропном волокне предложена укладка световода при намотке в канавку с определённым углом при вершине. Теоретический расчёт согласуется с экспериментом. Уровень ППМ снижается при этом в несколько раз. Уровень МИ во всех модуляторах существенно ниже уровня ППМ.

6. Для модулятора на анизотропном волокне предложен и экспериментально осуществлен метод компенсации ППМ посредством применения двухобмоточного ВФМ с промежуточной конверсией волоконных поляризационных мод. Достигнуто снижение уровня ППМ примерно на порядок.

7. Установлена зависимость максимально достижимой амплитуды фазовой модуляции в линейном режиме от высоты профиля показателя преломления сердцевины ОВС, кривизны намотки и длины отрезка волокна, намотанного на модулятор.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Коваленко, Виктор Григорьевич, 2004 год

1. В ohm К., Marten P., Petermann К., Weidel E. Direct Rotation-rate Detection with a Fiber-Optic Gyro by Using Digital Data Processing. Electron. Letts. -1983.- V. 19, pp.997-999.

2. Алексеев Э.И., Базаров E.H., Израелян В.Г., Коваленко В.Г. Устройство для измерения угловой скорости. Авт. свид-во № 803658. -1984.-

3. Kay C.J. Serrodyne Modulator in a Fiber-optic Gyroscope. IEE Proc. -1985,- V. 132, Pt. J., pp. 259-264.

4. Kim B. Y„ Shaw HJ. Gated Phase-modulation Feedback Appoach to Fiber-optic Gyroscope with Linearized Scale Factor. Opt. Letts. -1984,- V.9, P. 375-377.

5. Nosu K, Taylor H.fRashleigh S.C., Wetter. J.f. Acousto-optic Frequency Shifter for Single-mode fibers. 4th Int. Conf. on Int. Optics & Opt. Fib. Commun. 1983,- Tokyo. P.36-37.

6. Nosu K., Taylor H.f., Rashleigh S.C., Wetter. J.f. Acousto-optic Phase Modulator for Single-mode fiber. Electron.Lett. -1983,- V.19,№ 16, P.605-607.

7. Jarzynski J. Frequency Responce of a Single-Mode Fiber Phase Modulator Utilizing a Piezoelectric Plastic Jacket. J. Appl. Phys.-1984.- V.55, № 9, P.3243-3251.

8. Davies D.E., Kingsley S.A. Method of Phasemodulating Signals in Optical Fibres: Application to Optical Telemetry systems. Electron.Lett. -1974.- V.10, № 1, P.21-22.

9. Kingsley S.A. Optical-fibre Phase Modulators. Electron.Lett. -1975 V.l 1, № 19, P.453-454.

10. Martini G. Analysis of a Single-mode Piezoceramic Phase Modulator. Opt. & Quant. Electron. -1987,- V. 19, № 3, P. 179.

11. Коваленко В.Г., Алексеев Э.И., Кухта A.B. Волоконнооптические фазовые модуляторы на основе составного вибратора. Приборы и техника эксперимента. -1990,-№4, С. 193-195.

12. Горбачёв О.В., Горчаков А.П., Жшинский А.П., Котов О.И., Николаев В.М., Филиппов В.Н. Нелинейные эффекты при работе волоконнооптических модуляторов. Письма в ЖТФ. -1989,- Т.15, № 1, С.63 66.

13. Гутин ЛЯ. ЖТФ. -1945,- Т.15, № 12, с.924.

14. Гонткевич B.C. Собственные колебания пластинок и оболочек. Киев, Наукова думка,-1964.

15. Коваленко В.Г., Сазонов А.И. Волоконнооптические фазовые модуляторы на низкие частоты. ЖТФ. -1994.- Т.64, вып. 11. С.69 77.

16. Rashleigh S.C., Ulrich R. High-birefringence in Tension-coiled Single-Mode Fiber. Opt. Letts. -1980.- V.5, № 8, P.354 356.

17. Ulrich R, Rashleigh S.C., Eickhojf W. Bending-induced Birefringence in Single-mode Fibers. Opt. Letts. -1980,- V.5, № 6, P.273 275.

18. Ecke W., Schroter S., Schwotzer G. . Faseroptischer Phasenmodulator. в сб. Wissenschaftliche Berichte des PTI -1990 Nr. 5, P. 159-168.

19. Szafraniec В., Blake J. Polarization Modulation Errors in All-Fiber Depolarized Gyroscopes. J. of Lightwave Technology. -1994,- V.12, № 9, P. 1679 1684.

20. Luke D.G., McBride R., Burnett J.G, Greenaway A.H., Jones J.D.C. Polarization Maintaining Single-Mode Fibre Piezo-electric Phase Modulators. Opt. Communications. -1995.-V.121, P. 115-120.

21. Алексеев Э.И., Базаров E.H. Компенсация паразитной поляризационной модуляции в волоконнооптическом гироскопе. Письма в ЖТФ. -1997.- Т. 23, № 15, С. 90-94.

22. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н., Губин В.П. и др. Компенсация паразитной поляризационной модуляции в волоконном фазовом модуляторе с фарадеевским зеркалом. Радиотехника и электроника. -1999,- Т. 44, № 1. С. 122-128.

23. Chinone К, Ulrich Я Elasto-optic Polarisation Measurements in Optical Fiber. Opt. Letts. -1981,- V.6, №1. P.16-18.

24. Kumar A., Ulrich Я Birefringence of Optical Fiber Pressed into a V groove. Opt. Letts. -1981,- V.6, №12. P.644-646.

25. Тимошенко С.П., ГудьерДж. Теория упругости. М.: Наука. -1979,- С.420.

26. Lagorceix Н., Reynaud F . Birefringent Effect Measurement and Compensation in a Highly Birefringent Fiber Optical Path Modulator. Opt. Commun. -1995.- V.l 18. P. 235240.

27. Губин В.П., Коваленко В.Г., Сазонов А.И., Старостин Н.И. Пьезоволоконный фазовый модулятор с пониженным уровнем поляризационной модуляции. Письма в ЖТФ,- 2002. Т. 28., вып. 7. С. 78 - 83.

28. Ulrich Я, Rashleigh S.C. Beam-to-fiber Coupling with Low Standing Wave Ratio. Appl. Opt. -1980.-V.19, N14. P. 253 256.

29. Снайдер А., ЛавДж. Теория оптических волноводов. М.: "Радио и связь". -1987.