Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Коваленко Виктор Григорьевич

ЦЕЛЬНОВОЛОКОННЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ФАЗОВЫЕ МОДУЛЯТОРЫ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Базаров Е.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бурков В.Д.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Соколовский А.А.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт.

Защита состоится 28 мая 2004 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при Институте радиотехники и электроники по адресу: 125009, г. Москва ГСП-9, ул. Моховая, 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН.

Автореферат разослан апреля 2004 г.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований

В волоконно-оптических интерферометрических датчиках физических величин, таких, как датчики угловой скорости (ДУС), гидрофоны, акселерометры и других, как правило используется фазовая модуляция оптических волн для получения выходного сигнала модуляционным методом. В таких датчиках применяются главным образом одномодовые волоконные световоды (ОВС). С помощью модуляции фазы определяется знак сдвига интерференционной картины, достигается большой динамический диапазон измерений.

В настоящее время находят применение в основном два вида модуляторов фазы: 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 согласования с волоконно-оптическими 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 (модулятор «намоточного типа»). При радиальных колебаниях цилиндра изменяется полный оптический путь (фаза) световой волны главным образом за счет изменения длины волокна. Однако такие простые ВФМ имеют заметный уровень паразитных типов модуляции, которые могут существенно ограничивать точность датчиков. Кроме того, простые ВФМ имеют низкую стабильность параметров из-за большого температурного коэффициента расширения пьезокерамики, что может вести к

дрейфу состояния поляризации на его

СПетсрбург ' РЭ УЛЦлжг^Ю

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 волоконно-оптических 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 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 вносит паразитная поляризационная модуляция (ППМ). Она приводит к сигналу на выходе прибора, не связанному с измеряемой величиной, и серьёзно ограничивает точность датчика.

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 снижение уровня ППМ в модуляторах остаётся весьма актуальным.

Исследования проводились в рамках разработок высокоточных волоконно-оптических 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

Целями настоящей работы явились разработка конструкций п исследование новых типов цельноволоконных резонансных фазовых модуляторов для высокоточных интерферометрнческих датчиков, исследование паразитных видов модуляций в ВФМ и методов их снижения, а также повышение моночастотности и увеличение эффективности фазовой модуляции.

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 определённым углом. В результате уровень ППМ снижен в несколько раз. Уровень МИ во всех модуляторах на два-три порядка ниже уровня ППМ.

3. Для модулятора на анизотропном волокне предложен и реализован 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.

Практическая ценность результатов работы

Исследования проводились в рамках работ, выполнявшихся, по совместным Распоряжениям Правительства и Президиума Академии наук. Разработанные нами фазовые модуляторы предназначены для применения в высокоточных датчиках физических величин, таких, как датчики угловой скорости, гидрофоны, акселерометры, и других. Результаты работы нашли применение в ИРЭ РАН, в Арзамасском объединении АППО, в НИИ технического стекла, Раменском приборостроительном объединении и на предприятиях других ведомств.

Апробация

Результаты работы докладывались на семинарах в ИРЭ РАН и некоторых других организациях. Научно-технические отчёты передавались в указанные организации по договорам.

Публикации, Результаты диссертации опубликованы в 4 печатных работах. Получено 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она содержит 112 страниц, в том числе 101 страницу основного текста, 45 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 35 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели исследования, изложено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлен обзор методов фазовой модуляции в волоконных датчиках. Отмечены преимущества цельноволоконных гармонических резонансных модуляторов намоточного типа. В модуляторе этого типа волоконный световод намотан с натяжением на боковую цилиндрическую поверхность механического резонатора. При радиальных колебаниях резонатора полный оптический путь (фаза) световой волны изменяется на величину

волновое число в вакууме, N - число намотанных витков,.О - диаметр модулятора, - изменение диаметра при колебаниях, - изменение

показателя преломления вследствие упругооптического эффекта. Колебания возбуждаются путем подачи переменного напряжения' на пьезоэлемент, который либо является частью составного резонатора, либо сам является резонатором. Намотка на цилиндр или на кольцо позволяет использовать для модуляции большую длину световода: метры и даже десятки метров, типичный радиус изгиба волокна см не приводит к заметному увеличению потерь

и поляризационной селективности. Достоинствами модулятора намоточного типа являются также простота крепления отрезков волокна любой длины и стабильность натяжения. Текучесть кварцевого стекла - основы световода -ничтожно мала. Поэтому предварительно растянутое волокно будет сохранять состояние растяжения многие годы, что гарантирует постоянство линейности и динамического диапазона модулятора

ФМ на основе чисто пьезокерамических резонаторов обладают относительно невысокой термостабильностью, определяемой свойствами пьезокерамики. Фиксированные размеры, пьезоэлементов затрудняют настройку резонансной частоты ФМ на частоту, собственную для данного волоконного контура. Намотка волокна на гладкую цилиндрическую поверхность приводит к появлению ППМ, которая смещает рабочую точку датчика и увеличивает дрейф сигнала.

Устранить или существенно уменьшить эти недостатки помогает использование составных резонаторов, состоящих из пьезовозбудителя и пассивной части резонатора, изготовляемой обычно из металла Применение металла как основной части резонансного объёма дает ряд преимуществ: (а) снижение уровня поляризационной модуляции благодаря укладке волокна при-намотке в канавку, нарезаемую на внешней поверхности, (б) повышение добротности резонатора, и, как следствие, снижение его толщины и веса, (в) снижение температурного коэффициента резонансной частоты (ТКЧ) модулятора при применении металлов с аномально низким ТКЧ, таких, как элинварные сплавы, (г) свободу выбора диаметра намотки, что позволяет настроить резонансную частоту на собственную для волоконного контура такого датчика, как ДУС, и вследствие этого уменьшить ошибки, вносимые в сигнал модулятором намоточного типа, а также существенно снизить изгибные потери.

Пьезовозбудитель должен составлять небольшую часть объёма резонатора, чтобы меньше сказывались отрицательные свойства пьезокерамики. Кроме этого, для расширения области линейной работы и увеличения эффективности пьезовозбудитель должен быть предварительно статически сжат. Все рассматриваемые нами конструкции обладают этим свойством.

При колебаниях на частоте резонанса напряжение, необходимое для получения требуемой амплитуды оптической модуляции, снижается примерно в Q раз, где Q - добротность резонанса. Это важно как для НЧ-модуляции при значительном отличии её частоты от собственной для волоконного контура, так

и для случаев, когда требуются амплитуды модуляции в сотни и даже тысячи радиан. Вследствие хорошей моночастотности повышается спектральная чистота колебания, что необходимо для применений в системах средней и высокой точности.

Иногда для модуляции применяют растяжение одного или нескольких прямолинейных участков световода. На этом принципе основаны описываемые ниже НЧ-модуляторы.

Очевидные достоинства цельноволоконных схем - малые потери и практическое отсутствие обратного рассеяния от стыков. Все элементы изготавливаются по сходным технологиям. Качество изготовления элементов как на основе обычного волокна, так и анизотропного, примерно одинаково высокое. В большинстве случаев именно цельноволоконные элементы имеют в настоящее время рекордные характеристики.

В качестве применений разработанных нами модуляторов рассмотрены две схемы ДУС с двумя модуляторами, один из которых работает на собственной (высокой - ВЧ) резонансной частоте а другой, низкочастотный (НЧ) - на резонансной частоте удовлетворяющей соотношению Обе

схемы обеспечивают большой динамический диапазон измерений. В первой схеме информация об угловой скорости переводится в измерение длительности временных интервалов, что значительно облегчает цифровую обработку сигнала. Во второй схеме, основанной на двух модуляторах и стробировании сигнала фотоприемника, фазовый сдвиг Саньяка динамически компенсируется в течение части периода НЧ фазовой модуляции. Выходной сигнал в этой схеме монотонно зависит от угловой скорости. Для обеих схем необходимы низкочастотные модуляторы с большими девиациями фазы и стабильными параметрами.

Вторая глава посвящена резонансной модуляции на высоких частотах. При необходимости иметь резонансную частоту фазового модулятора в диапазоне от 30 до 300 кГц применяются фазовые модуляторы с распределённым резонатором в виде кольца, колеблющегося на низших модах

радиальных акустических колебаний. В работе были исследованы собственные резонансы составных тел с цилиндрической внешней поверхностью и на их основе разработаны конструкции модуляторов кольцевого типа, работающие на низших модах радиальных колебаний и имеющие следующие достоинства:

а) высокую моночастотность, как следствие простой геометрии,

б) отсутствие кратности резонансных частот,

в) значительно сниженный уровень паразитной ПМ,

г) низкий уровень изгибных потерь при использовании стандартных пьезоэлементов.

Нами был проведён анализ колебательных характеристик кольца с произвольной толщиной стенки - внешний радиус кольца, а

- внутренний. По нескольким причинам в качестве модели было выбрано однородное тонкое кольцо, колеблющееся на одной из низших мод радиальных колебаний. Во-первых, параметры резонансов весьма близки к расчётным, когда масса пьезовозбудителя мала по сравнению с массой основного резонансного объёма. Во-вторых, в случаях соизмеримости масс пьезовозбудителя и пассивной части резонатора анализ выявляет закономерности и даёт верхние оценки резонансных частот. Движения точек при собственных колебаниях кольца рассматриваются в виде и(х) = AJ[(x) + BNi(x), где А и В - константы, Ji и Ni - функции Бесселя и Неймана 1 рода 1 порядка. Параметр х является фазой радиальной акустической волны и связан с физическим радиусом и резонансной частотой следующим соотношением:

Е - модуль Юнга, р - плотность, а - коэффициент Пуассона (все величины для материала кольца).

(1)

Е

скорость радиальных звуковых волн в тонком кольце,

Из расчёта следует, что

а) самая низшая мода У() существует при любом отношении rint / '"ext и ее частота../}) с ростом этого отношения снижается (рис. 1,а);

б) следующая мода Kj существует в диапазоне rjnt / /ext- от 0,21 до 1, а ее частота f\ растёт и сближается с частотой линейного полуволнового вибратора длиной (/"ext" /"int) (рис. 1,6);

в) частоты колебаний вида У() и не кратны (минимальное отношение частот >2,4),

г) при мода не существует, и в результате при работе на моде

достигается высокая моночастотность.

Мы также вывели уравнение для нахождения точных решений колебаний составного кольца с внутренним пьезокольцом произвольной ширины. Оно содержит бесселевы функции нецелых порядков V и V-1, где v определяется упругооптическими постоянными, различными для разных партий пьезоэлементов. Поэтому для достижения приемлемой точности теоретические

расчёты нужно проводить на основе непосредственно измеренных пьезоконстант.

Для изготовления резонатора типа "кольцо в кольце" была применена термокомпрессия; т.е. металлическое кольцо нагревалось и затем быстро насаживалось на пьезокольцо, плотно охватывая его при остывании. Зазоры в ещё горячем модуляторе заполнялись жидким салолом или стильбеном, которые после кристаллизации создают акустический контакт с малыми потерями, вследствие чего образуется составной резонатор с хорошей добротностью. В образцах модуляторов резонансная мода Уо обычно имеет добротность больше 300 и коэффициент фазовой модуляции Кфм порядка 0,5 рад на 1В и на 1см намотанного световода. Для моды в несколько раз

меньше, но всё равно достаточно высокий. Вследствие высокой эффективности такого модулятора для работы в датчике бывает достаточно одного волоконного витка.

В конструкции ФМ типа "сэндвич" плоский пьезовозбудитель 1 вклеен или впаян между металлическими частями 2 (рис. 2) и возбуждает толщинные колебания центральной части составного резонатора. Но любое колебание объёмного резонатора трёхмерно, поэтому толщинные колебания плоского пьезоэлемента приводят к радиальным колебаниям периферической части модулятора и фазовой модуляции в намотанном волокне. Моночастотность и эффективность фазовой модуляции в модуляторах этого типа близки к моночастотности и эффективности фазовой модуляции в модуляторах типа "кольцо в кольце".

■ дГТТТШ Т ТТПТПЕ?'■ ■ ■ =

■• / ■ /Ч 4- Т , -г.

в

' \ -

■ ■/ - • ^

\Г

Рис. 2. Модулятор на высокие частоты типа «сэндвич». 1 -пьезокольцо, 2 и 3 - металлические части, 4 - волокно, 5 - слой клея или припоя.

В работе были также проведены исследования ещё одной разновидности "сэндвича" с большим внешним радиусом при той же резонансной частоте. При этом с увеличением радиуса уменьшалось наведённое ДЛП.

Третья глава посвящена разработке и исследованию модуляторов, предназначенных для работы на низких частотах с большими девиациями фазы. Для снижения частоты мы перешли к конструкциям на основе изгибных колебаний. ,

Резонансная частота угловых колебаний НЧ-модуляторов намоточного типа описывается следующим выражением:

рез)

2 — К. — К мод + К оке К^ + Ы-К,

(2)

У У 3

где - общая угловая упругость, - угловая упругость пьезометаллической конструкции модулятора, - угловая упругость натянутых волоконных

участков, - угловая» упругость одного натянутого участка, - момент инерции.

В результате квадрат резонансной частоты линейно зависит от числа натянутых волоконных участков

Нами были разработаны две весьма эффективные конструкции НЧ-модуляторов: "С-кольцо" и "камертон" (рис. 3).

В "С-кольце" угловые колебания двух сегментов, стянутых намотанным по периметру волокном, возбуждаются пьезоэлементом, вставленным между

ними. В "камертоне" "пьезоподкова", вклеенная или впаянная внутрь металлической части, образует биморфный пьезоэлемент, растягивающий намотанное волокно при изгибных колебаниях.

В качестве примера на рис. 4, а представлена зависимость квадрата резонансной частоты от числа намотанных витков для модулятора типа камертон".

Число витков N

Рис. 4. Характеристики модулятора типа "камертон".

Видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с линейной зависимостью от числа витков. Из (2) следует, что угловая упругость волоконного световода ограничивает снижение резонансной частоты, так как нельзя растягивать меньше одного волоконного витка Нам удавалось снижать резонансную частоту до

На рис. 4, 6 представлена зависимость общей эффективности фазовой модуляции от числа растягиваемых волоконных участков и пунктиром -удельная эффективность. Если ввести критерий "эффективность / частота", то при малых N он увеличивается, поскольку эффективность быстро растёт. При больших N он падает, поскольку эффективность почти не увеличивается, а резонансная частота растёт и модулятор перестаёт соответствовать своему назначению. Можно сделать вывод, что существует оптимальное соотношение

числа растягиваемых волоконных участков и упругости пьезометаллической конструкции.

НЧ-резонанс обычно имел частоту примерно в 35 раз меньшую, чем собственная частота волоконного контура, что требовалось выбранной схемой обработки сигнала Добротности НЧ-резонансов составляли порядка 50. Удельная эффективность модуляции в обоих типах модуляторов оказалась не меньше, чем у высокочастотных модуляторов.

В четвёртой главе рассмотрены методы снижения уровня паразитных эффектов, возникающих при работе ВФМ, таких как поляризационная модуляция и модуляция интенсивности (МИ),

При создании фазового модулятора намоточного типа в световоде возникают поперечные напряжения, сжимающие сердцевину, и их разность выражается соотношением:

о- <х = (2~ЗУ)Е г Я Охх-Оуу - —дР

(3)

ЛI

где Г И Л - радиусы волокна и модулятора, — - относительное растяжение, Е -

модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона. Она приводит к линейному двулучепреломлению (ДЛП):

о I» / \2-3v г Д1 г АI

^кТ(р'ГР»>(1+у)ТТИТ~яТ>

(4)

где - показатель преломления, - упругооптические постоянные.

ДЛП приводит к разности фаз между двумя поляризационными модами. Её отношение к амплитуде фазовой модуляции характеризует предельно возможный уровень ППМ и определяется формулой

Если возбуждены обе поляризационные моды, что почти всегда имеет место, то это приводит к паразитной модуляции поляризации, или ППМ, которая преобразуется в амплитудную и существенно ограничивает точность

датчика. Предельно возможный уровень ППМ имеет место при равном возбуждении обеих мод.

Среди опубликованных ранее методов снижения уровня ППМ в цельно-волоконных фазовых модуляторах преобладают компенсационные методы. В нескольких работах для компенсации ППМ было предложено использовать два последовательно расположенных одинаковых модулятора с конверсией поляризационных мод между ними. Для полной компенсации ППМ необходимо как равенство задержек (амплитуд модуляции), так и разворот азимута осей анизотропии точно на 90°. Для массового применения этот метод неприемлем, так как приходится уравнивать много параметров, да и стабильность компенсации невысока. По этой же причине этот метод неприменим и к резонансным модуляторам.

В ВФМ на изотропном волокне мы предложили более простой способ уменьшения ДЛП - укладывать волокно при намотке в ^образную канавку с таким углом при вершине, чтобы поперечные напряжения в области сердцевины преобразовались в изотропное сжатие при котором

ДЛП равно нулю. Расчёт показал, что оптимальный угол не зависит от радиуса намотки и силы натяжения и равен для кварцевого волокна примерно 94°. Экспериментально эффект был проверен на нескольких одинаковых ВЧ ФМ с разными углами ^канавки. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Уровень ППМ для ВЧ-модуляторов типа "кольцо в кольце" при разных углах V-канавки.

Тип ВЧ-модулятора Угол V-канавки Отклонение от оптимального угла (94е) Уровень ППМ, не более

"Кольцо в кольце" 180° 86° 3,8-10-5

-II- 109" 15е 2,7-10-5

-II- 86е 8" 1,3-10-5

Из таблицы видно, что по мере приближения угла при вершине V-канавки к оптимальному уровень ППМ существенно снижается.

В приведенных данных по НЧ-модуляторам (таблица 2) видно, что уровень МИ на два-три порядка ниже уровня ППМ.

Таблица 2. Снижение уровней ППМ и МИ для НЧ-модуляторов.

Тип НЧ-модулятора Отклонение угла V- канавки от оптимального (94е) Уровень ППМ, не более Уровень МИ, не более

"камертон" 7° 1,5-10-5 2,25-10-7

"С-кольцо" - 8-10-5 8,9-10-8

Эксперименты по проверке эффекта ^канавки в ВФМ, насколько нам известно, были выполнены впервые.

Отдельного рассмотрения требует случай применения в модуляторах анизотропных волокон. Присущее АОВС внутреннее ДЛП гораздо больше ДЛП, наведённого внешними воздействиями, поэтому с достаточной точностью считают, что поляризационные моды АОВС, намотанного на модулятор, остаются неизменными. Если оптическая схема, начиная с ответвителей, реализована на АОВС, то излучение, вошедшее с поляризацией, совпадающей с одной из поляризационных мод, будет и дальше находиться в этой моде. Однако в обычном цилиндрическом модуляторе на анизотропном ОВС значительно увеличивается максимально возможный уровень ППМ. Он выражается формулой:

фм ~ 0,78 к п

(6)

где - внутреннее ДЛП,

ае

- его производная по растяжению и для

типичных АОВС превышает уровень ППМ, обусловленный намоткой с натяжением, примерно на порядок и более.

Применение V-канавки не даст существенного улучшения, поскольку ориентация осей анизотропии может меняться нерегулярным образом в процессе намотки. Поэтому мы предложили и экспериментально исследовали схему намоточного ВФМ на одиночном цилиндрическом резонаторе с компенсацией ППМ путём использования двух анизотропных волоконных обмоток с конвертором волоконных поляризационных мод между ними.

При работе модулятора ППМ в одной обмотке должна быть скомпенсирована аналогичной противофазной ППМ в другой обмотке, поскольку поляризационные моды меняются местами.

Конвертором мод служила сварка торцов двух анизотропных волокон с разворотом осей анизотропии на 90° друг относительно друга.

Погрешность разворота осей из-за «уходов» волоконных концов при сварке находилась в пределах Получившийся отрезок наматывался на ВФМ типа «кольцо в кольце», образуя две волоконные обмотки длиной L\ И L^. Использовалось АОВС типа PANDA с длиной поляризационных биений 8 мм, имеющее параметр сохранения поляризации

На рис.5 представлено снижение уровня ППМ в зависимости от длины второй волоконной обмотки то есть по мере увеличения компенсации ППМ, создаваемой первой обмоткой. Минимум достигается при то есть,

почти равной

Рис.5. Зависимость уровня ППМ от длины второй волоконной обмотки.

Из рисунка следует, что при оптимальной длине ¿2 уровень ППМ удалось снизить примерно в 10 раз по сравнению с однообмоточным модулятором. Подобные зависимости измерялись также с закруткой волокна второй обмотки на углы в пределах ± (0,5...3)%см. Измерения показали слабую зависимость уровня ППМ от закрутки волокна, что объясняется значительным превышением внутреннего ДЛП над изгибным. Следует отметить высокую стабильность степени снижения ППМ в разработанном ВФМ. Достигнутая степень снижения уровня ППМ ограничена рядом факторов, среди которых, на наш взгляд, преобладает неточность конверсии мод из-за погрешности угла а разворота осей анизотропии волокон при сварке. Оценки дают степень снижения уровня ППМ,.пропорциональную 5ш(2а)~0,1, что согласуется с результатами эксперимента.-

Таким образом экспериментально показана возможность снижения на порядок уровня ППМ в фазовом модуляторе на основе АОВС.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Изучены принципы создания высокочастотных волоконных фазовых модуляторов (ВФМ) на основе составного резонатора. Предложены конструкции типа «кольцо в кольце» и «сэндвич», имеющие высокую моночастотность, низкий уровень паразитной поляризационной модуляции (ППМ), высокую эффективность фазовой модуляции и возможность получения больших девиаций фазы.

2. Впервые исследованы низкочастотные резонансные ВФМ намоточного типа и разработаны лабораторные конструкции таких модуляторов, обладающие низким уровнем паразитных типов модуляции, большой девиацией фазы и малой потребляемой мощностью и хорошей моночастотностью.

3. Изучено влияние различных факторов на характеристики низкочастотных модуляторов намоточного типа. Показано, что существует нижний предел резонансной частоты при заданных габаритах и массе модулятора и он

20 si-rne

определяется свойствами световода. Показано также, что существует оптимальное соотношение числа растягиваемых волоконных участков и упругости пьезометаллической конструкции по критерию «эффективность ФМ / резонансная частота».

4. 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. Уровень ППМ снижается при этом в несколько раз. Уровень МИ во всех модуляторах существенно ниже уровня ППМ.

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

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н., Израелян В.Г., Коваленко ВТ. Устройство для

измерения угловой скорости. Авт. свид-во № 803658. -1984.2. Коваленко ВТ, Алексеев Э.И., Кухта А.В. Волоконно-оптические фазовые модуляторы на основе составного вибратора. Приборы и техника эксперимента. -1990.- № 4, С. 193-195.

3. Коваленко ВТ., Сазонов A.M. Волоконно-оптические фазовые модуляторы на низкие частоты. ЖТФ. -1994.- Т.64, вып. 11. С.69 - 77.

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

Подписано в печать 12 02 2004 г. Формат60х84/16 Объ4м 1,16уел пл Тираж60экз Ротапринт ИРЭ PAR Зак. I

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.

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

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.

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.