Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Схемы волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) с суперфлуоресцентными волоконными источниками на эрбиевом волоконном световоде 10
1.1. Принцип действия ВОГ. 10
1.2. Основные сведения об эрбиевых волоконных источниках 15
1.3. Минимальная схема ВОГ '. 19
1.4. Схемы ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками в двунаправленном режиме 21
1.5. Схема деполяризованного ВОГ с эрбиевым волоконным источником 25
1.6. Резонаторная схема ВОГ с эрбиевым волоконным источником 25
1.7. Мультиплексные схемы ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками 28
Выводы к главе 1 31
Глава 2. Исследования характеристик эрбиевых волоконных источников излучения 33
2.1. Спектральные характеристики эрбиевых волоконных источников 33
2.2. Поляризационные характеристики эрбиевых волоконных источников 40
Выводы к главе 2 46
Глава 3. Исследования дестабилизирующих факторов в ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками 47
3.1. Сдвиги нуля ВОГ из-за дихроизма канала приемника 47
3.2. Паразитная поляризационная модуляция в фазовом модуляторе ВОГ 53
3.3. Сдвиги нуля ВОГ из-за поляризационных эффектов 62
3.4. Чувствительность ВОГ 67
Выводы к главе 3 72
Глава 4. Разработка лабораторных образцов ВОГ сэрбиевыми волоконными источниками 73
4.1. Особенности конструкции и технологии ВОГ сэрбиевыми волоконными источниками 73
4.2. Сборка лабораторных образцов ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками 76
4.3. Схема обработки выходного сигнала ВОГ 80
4.3.1. Описание алгоритма обработки выходного сигнала ВОГ 80
Выводы к главе 4 84
Глава 5. Исследование характеристик ВОГ сэрбиевыми волоконными источниками 85
5.1. Аппаратура для испытаний лабораторного образца ВОГ сэрбиевым волоконным источником 85
5.2. Измерение чувствительности ВОГ 88
5.3. Измерение дрейфа нуля ВОГ 89
5.4. Измерение стабильности масштабного коэффициента и линейности выходной характеристики ВОГ 94
5.5. Анализ результатов испытаний макета ВОГ 96
Выводы к главе 5 99
Заключение 100
Литература
- Основные сведения об эрбиевых волоконных источниках
- Поляризационные характеристики эрбиевых волоконных источников
- Паразитная поляризационная модуляция в фазовом модуляторе ВОГ
- Схема обработки выходного сигнала ВОГ
Введение к работе
Актуальность работы. Целью поисковых исследований последнего десятилетия, основанных на использовании новейших достижений волоконной оптики и оптоэлектроники, является разработка датчиков параметров движения для систем инерциальной навигации, систем ориентации и стабилизации положения объектов, в частности, для долговременных систем космического базирования, систем грубой навигации (автомобили, тракторы, промышленные роботы и т.п.). К числу таких датчиков относится волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), который составляет серьезную конкуренцию традиционным механическим и лазерным кольцевым гироскопам. ВОГ - это полностью твердотельный прибор, не содержащий движущихся частей и вакуумированных полостей. ВОГ имеет большой срок службы (десятки лет) и непрерывной работы (10-15 лет), устойчив к перегрузкам (ударам, вибрациям и др.), имеет малое время включения и готовности к работе (порядка секунды), а также высокое быстродействие. Кроме того, ВОГ имеет низкое энергопотребление (единицы ватт) при низковольтном напряжении питания и имеет малые габариты и вес.
Одним из новых элементов для ВОГ является волоконный источник излучения на легированном эрбием кварцевом волокне с накачкой от лазерного диода. Этот источник имеет следующие главные преимущества в сравнении с другими широкополосными источниками для ВОГ, прежде всего суперлюминесцентными диодами (СЛД).
1. Рабочая длина волны эрбиевого источника расположена в диапазоне 1.55
мкм, для которого разработаны волоконные световоды с повышенной
радиационной стойкостью.
Эрбиевый источник генерирует высокую мощность в одномодовом волокне до 100 мВт и более), что облегчает задачу создания мультиплексного прибора.
Эрбиевый источник обладает потенциально высоким ресурсом (сотни тысяч часов) и надежностью, в частности из-за того, что диод накачки работает в значительно более легких температурных условиях, чем например СЛД.
Помимо указанных выше достоинств эрбиевые волоконные источники имеют высокую температурную стабильность средней длины волны (более чем на порядок чем у СЛД), что важно для стабильности масштабного коэффициента ВОГ, малую степень поляризации излучения, что снижает погрешности из-за поляризационных эффектов, а также позволяют объединение источника и усилителя оптического излучения в одном активном волокне, что дает возможность упростить оптическую схему ВОГ (в частности, исключить некоторые волоконно-оптические элементь снизить требования к электронике фотодетеетрш^кшиоалльнля I
О»
гадш
В связи со сказанным разработка ВОГ на диапазон 1.55 мкм с использованием эрбиевых волоконных источников излучения является актуальной задачей. Другими важными задачами являются исследование характеристик эрбиевых источников, а также дестабилизирующих факторов в ВОГ с эрбиевыми источниками .
Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка ВОГ средней точности на диапазон 1.55 мкм с использованием эрбиевого волоконного источника. В основу разработки положен научно-технический подход, позволяющий использовать в основном отечественную элементную базу. Основная идея подхода заключается в использовании свойств эрбиевого источника оптического излучения, разработанного в России в НТО «ИРЭ-Полюс».
В соответствии с целью работы были определены следующие задачи исследований.
Экспериментальное исследование различных оптических схем ВОГ, в которых используются свойства эрбиевого источника.
Экспериментальное исследование спектральных и поляризационных характеристик эрбиевых источников.
3. Исследование дестабилизирующих факторов в цельноволоконных
ВОГ с эрбиевыми источниками.
4. Разработка и изготовление лабораторных образцов ВОГ с
эрбиевыми источниками.
5. Исследование точностных характеристик лабораторных образцов
ВОГ с эрбиевыми источниками.
Выявлено значительное влияние поляризационного дихроизма приемного канала оптической схемы волоконно-оптического гироскопа на сдвиг нуля при неидеальных поляризационных параметрах других элементов; предложена методика определения предельных значений сдвига нуля из-за поляризационных эффектов.
Установлены зависимости величины сдвига нуля волоконно-оптического гироскопа от параметров, пьезоволоконного фазового модулятора, влияющих на паразитную поляризационную модуляцию излучения; предложена методика оценки предельных значений сдвига нуля из-за паразитной поляризационной модуляции.
Изучены особенности оптической схемы ВОГ, в которой СВИ работает как источник излучения, так и оптический усилитель и которая содержитл Меньшее число элементов и позволяет снизить требования к чувствительности.фотоприемника.
1. Разработаны лабораторные образцы ВОГ средней точности с
эрбиевыми волоконными источниками излучения.
Разработанные образцы ВОГ использованы: (а) в учебном процессе МГУЛ; (б) в ГНЦ ИТЭФ при подготовке фундаментального физического эксперимента.
Разработаны рекомендации и получены соотношения для расчета характеристик ВОГ.
На защиту выносятся следующие положения:
Суперфлуоресцентные волоконные источники излучения (СВИ), изготовленные из кварцевых волокон, легированных ионами эрбия и иттербия, по совокупности параметров (высокая мощность в волокне, стабильность спектральных характеристик, долговечность, малая величина остаточной поляризации) являются наиболее подходящими источниками излучения для ВОГ высокой и средней точности. Рабочая длина волны СВИ 1.55 мкм позволяет использовать в оптической схеме ВОГ имеющиеся на этот спектральный диапазон радиационно-устойчивые волокна.
При исследовании влияния неидеальностей оптического приемного тракта ВОГ на выходные характеристики датчика установлено, что при неидеальном поляризационном модовом фильтре и наличии поляризационной асимметрии контура дихроизм приемной части вызывает дополнительный сдвиг нуля ВОГ. Наблюдаемый сдвиг определяется степенью поляризационной селективности оптических элементов, входящих в приемный тракт и может достигать значительной величины.
Паразитная поляризационная модуляция (ППМ), возникающая при использовании в схеме ВОГ пьезоволоконного фазового модулятора на анизотропном волокне приводит к появлению на выходе гироскопа сигнала, не отличимого от полезного. Установлено, что ППМ обусловлена двумя механизмами - модуляцией двулучепреломления и модуляцией связи мод. Величина ППМ, зависит от внешних воздействий (тепловых, механических, акустических) и может приводить к ухудшению выходных характеристик. Деполяризация излучения в волоконных концах является эффективным механизмом снижения величины ППМ в пьезоволоконном фазовом модуляторе.
Изучена новая схема ВОГ, в которой излучатель используется в режиме источник входного излучения - усилитель выходного оптического сигнала ВОГ. Схема позволяет при незначительном уменьшении сигнала
к шуму для выходного сигнала существенно снизить требования к электронной схеме обработки и упростить оптическую схему ВОГ.
Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на Всероссийском симпозиуме по проблемам навигации и чувствительных элементов, Москва, Институт проблем механики РАН, 2002г.; на семинарах ИРЭ РАН и научно-технических конференциях МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ в 1994-2004гг.
Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах. Личным вкладом автора в совместных работах являются экспериментальные исследования. Им разработаны установки, описанные в диссертации, и лабораторные образцы ВОГ, проведены их испытания, выполнена обработка результатов измерений.
Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, основаны на результатах многочисленных экспериментальных исследований, на согласии теоретических расчетов с экспериментом и подтверждаются экспериментальной оценкой точностных характеристик разработанных лабораторных образцов.
Основные научные результаты и разработанные лабораторные образцы получили практическую реализацию в ГНЦ Института Теоретической и Экспериментальной Физики в процессе проектирования и разработки экспериментальной установки для проведения фундаментальных экспериментов в части контроля и стабилизации скорости вращения массивного стола, не имеющего механических контактов с окружающей средой; внедрены в учебный процесс на кафедре "Проектирование и технология производства приборов" МГУЛ; использованы в ИРЭ РАН при проектировании экспериментальных установок для выполнения плановых и договорных НИР в период с 1993 по 2004гг.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Основные сведения об эрбиевых волоконных источниках
Упрощенные схемы эрбиевых суперфлуоресцентных волоконных источников излучения (СВИ) с одним активным волокном приведены на рис.1.1.
Генерация света в СВИ происходит благодаря квантовому переходу между уровнями 2- 1 (рис. 1.2). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого волокна (эффект Штарка).
Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень 3), которое является короткоживущим (время жизни Тз =1 мкс) и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2, тг =10 мс).
По комплексу параметров, необходимых для использования в ВОГ, эрбиевые СВИ превосходят другие типы источников, включая полупроводниковые суперлюминесцентные светодиоды (СЛД).
Во-первых, спектр генерации эрбиевых СВИ совпадает с областью минимальных потерь кварцевого оптического волокна.
Во-вторых, такие источники, будучи волоконными элементами, наилучшим образом (посредством сварки волокон) стыкуются с оптическим трактом ВОГ, что делает последний свободным от юстируемых стыков.
В-третьих, такие источники могут работать одновременно и в режиме оптического усилителя, что открывает возможности реализации новых вариантов оптических схем ВОГ. Кроме того, эрбиевые СВИ имеют низкую временную когерентность и малую ( 1%) остаточную степень поляризации выходного излучения (для сравнения заметим, что у СЛД эта величина достигает 70%), высокую (примерно в 50 раз лучше, чем у СЛД) температурную стабильность средней длины волны излучения, большую выходную мощность (до 100 милливатт и более в одномодовом режиме), потенциально большой срок службы (для накачки используются многомодовые лазеры, работающие в значительно более легком режиме), работают в области длин волн 1.55 мкм, для которой разработаны волокна с повышенной радиационной стойкостью. Однако, есть и недостатки. Прежде всего, это более высокое, чем у СЛД энергопотребление, поскольку, во-первых, энергия кванта рабочего излучения меньше кванта накачки, и, во-вторых, квантовый выход меньше единицы (не все кванты накачки поглощаются активной средой). На практике рабочий ток СВИ примерно в 3-4 раза больше чем у СЛД (отметим, что t4 мощность СВИ при этом более высокая).
Минимальная схема ВОГ с СВИ.
При выборе оптической схемы ВОГ необходимо учитывать множество разнородных факторов, включая назначение ВОГ, состояние волоконно-оптической и интегрально-оптической элементной базы и тенденции их развития, технологические возможности разработчика и др. В этих условиях рассматриваемая проблема вообще вряд ли имеет однозначное решение. Следует также иметь в виду, что только опыт практического использования ВОГ может подтвердить или опровергнуть правильность того или иного решения.
Основные соображения, которыми мы будем руководствоваться,, выбирая оптическую схему ВОГ, сводятся к следующему: -по потенциальным возможностям выбираемая схема должна в. максимальной степени соответствовать точностным и эксплутационным параметрам, указанным в техническом задании на работу; -элементная база, необходимая для ее реализации, должна соответствовать техническим и технологическим возможностяМ7"имеющимся как у разработчика, так и у его соискателей; -схема и требующиеся для нее элементы должны при необходимости допускать переход от исходной конфигурации к другим.
Волоконно-оптические гироскопы подразделяются на резонаторные и интерферометрические. По достигнутым к настоящему времени точностным характеристикам - чувствительности и дрейфу - резонаторные ВОГ уступают интерферометрическим. Следует, однако, отметить, что в последнее время наблюдается активизация интереса к резонаторным ВОГ, что объясняется существенным прогрессом в разработке лазеров с узкой и стабильной линией излучения, а также высококачественных волоконно-оптических резонаторов.
Из возможных схем интерферометрических ВОГ наиболее перспективной является так называемая минимальная схема, рис. 1.3. Именно она положена в основу большинства разрабатываемых за рубежом приборных вариантов ВОГ. Заметим также, что рекордные на сегодня точностные характеристики (чувствительность и дрейф нуля) были получены в ВОГ, собранных по минимальной схеме. Ее недостатком является нелинейность выходной характеристики, сложность получения большого динамического диапазона, а также аналоговая форма выходного сигнала. В последнее время, однако, удалось значительно продвинуться в направлении преодоления этих трудностей .
Как уже отмечалось, СВИ может работать и как источник и как. усилитель. На рис Л .4 представлена схема ВОГ с СВИ в режиме источник-усилитель. Оптический тракт этой схемы содержит меньшее число элементов чем стандартная минимальная схема ВОГ и имеет следующие особенности: -оптическая схема, включающая в себя волоконный направленный ответвитель, волоконный фазовый модулятор и волоконный контур, выполнена из обычного изотропного одномодового волокна по безразрывной технологии (без стыков или сварок волокон, благодаря чему снимается проблема согласования оптических осей направленного ответвителя и волоконного контура; -фотоприемник установлен на одном из выходов волоконно-оптического усилителя, работающего в качестве СВИ, благодаря чему симметрия устройства ввода-вывода достигается без использования дополнительного направленного ответвителя, а также снижаются требования к чувствительности фотоприемника;
Поляризационные характеристики эрбиевых волоконных источников
В принципе, излучение СВИ должно быть неполяризованным. Однако на практике оно содержит небольшую примесь поляризованной компоненты р, состояние поляризации которой может быть, вообще говоря, произвольным эллиптическим. В настоящей работе впервые выполнены прямые измерения величин р, в и є (в — азимут, — угол эллиптичности поляризационного эллипса) для СВИ на волокне, легированном ионами эрбия (Ег-СВИ), а также зависимости р от тока инжекции источника накачки и внешних воздействий на активированное волокно.
Исследуемый Ег-СВИ был разработан в НТО "ИРЭ-ПОЛЮС" и использовался ранее в работе [12]. Он был изготовлен из нескольких метров активированного волокна (АВ), уложенного в кольцевую бухточку с радиусом г = 15 мм. Одномодовая сердцевина АВ легировалась ионами Ег34 и имела величину An = 1.5 10" и длину волны отсечки 1.3 мкм. На одном из концов отрезка АВ был изготовлен направленный ответвитель-мультиплексор, с помощью которого в АВ вводится более 90% излучения накачки от многомодового лазерного диода с длиной волны Хр » 980 мкм. В сердцевине АВ возникает усиленное спонтанное излучение в диапазоне 1.54 мкм, которое через отрезки пассивного одномодового волокна, приваренные к АВ, поступает на выходы СВИ.
Схема установки для измерения поляризационных характеристик Ег-СВИ (рис.2.5) включает в себя вращаемые поляризатор и четвертьволновую фазовую пластинку, установленные в коллимированном световом пучке. Пучок с радиусом перетяжки w » 0.3 мм формируется линзой, далее излучение попадает на фотоприемник. Волоконный выход Ег-СВИ юстируется микропозиционером.
Напряжение с выхода фотоприемника поступает на персональный компьютер через аналогово-цифровой преобразователь АЦП.
Вследствие ожидаемого малого значения р ( 1%) измерительная установка должна иметь погрешность измерений не хуже 0.1%. Поэтому при ее проектировании предпринимались меры по снижению искажений светового пучка при вращении оптических элементов: а) апертуры всех элементов выбраны много большими размеров светового пучка; б) ось пучка тщательно выставлена по оптической оси линзы и оси вращения поляризатора; в) расстояние между поляризатором и линзой выбрано минимальным для уменьшения влияния смещений пучка при вращении поляризатора; г) выходные торцы волокна изготавливались в максимальной степени перпендикулярными его оси.
Кроме того, для снижения требований к механическим узлам установки определение р, в и є осуществлялось при непрерывном вращении поляризатора посредством поворотов поляризатора равными дискретными шагами дв « 360 в пределах одного оборота с последующим Фурье- анализом зависимости тока фотоприемника /(0Р) от угла поворота поляризатора 9Р при различных значениях угла ориентации быстрой оси фазовой пластинки 9f. Вычисления показывают, что в идеальном случае і = 1/2 {1 + р [1 - cos2 2є sin2(29 - 29f)]ш cos(29p - a)} , (2.3) где I — полная интенсивность излучения. Таким образом, в идеальном случае і содержит только постоянную составляющую IQ и вторую гармонику угла поворота поляризатора вр, амплитуда которой 12 пропорциональна р. Начальная фаза а-не зависит отр, однако зависит от 0, 0f и є.. Из (2.3) следует, что а) остаточная степень поляризации р при любом ее типе определяется как максимальное значение hmsJ /о относительной амплитуды второй гармоники на множестве {Of} возможных значений угла 0 б) азимут поляризационного эллипса совпадает с углом 9f, соответствующим максимуму 1г\ в) угол эллиптичности є определяется отношением минимального и максимального значений h на множестве {Gf} = (l/2)arcsin(/2min//2max) (2.4) При Фурье-анализе экспериментальной зависимости тока фотоприемника определялись относительные амплитуды первых четырех гармоник угла 0р. Вторая гармоника содержит информацию о степени поляризации излучения и ее типе, а другие характеризуют погрешность измерений.
На рис.2.6 приведена зависимость I-Jh от 0f. Сплошная кривая соответствует теоретической зависимости с параметрами р = 0.24%, 0 = 45 ие=19.
На рис.2.7 (а) показана зависимость остаточной степени поляризации р Ег-СВИ от тока инжекции лазера накачки /р при изменении последнего в широком диапазоне значений (выходная мощность источника изменялась при этом от 20 до 120 мкВт). С точностью до погрешностей измерений величину р можно считать не зависящей от /р (от величины оптического усиления). Усредненное по данным рис.2.7 (а) значение р равно (0.35 ±0.06)%.
Рис.2.7 (б) иллюстрирует изменение величины р при механических (изгибных) воздействиях на активированное волокно при токе инжекции /р = 350 мА. Кольцевая бухточка ЛВ сжималась в овал, причем в качестве параметра, характеризующего степень деформации, использовалось значение минимального радиуса кривизны овала. Увеличение остаточной степени поляризации может быть связано с ростом наведенного деформацией дихроизма оптического тракта Ег-СВИ.
Паразитная поляризационная модуляция в фазовом модуляторе ВОГ
Интерпретация результатов. Можно предложить два физических механизма, вызывающих сопутствующую модуляцию интенсивности света в исследуемом фазовом модуляторе. Один из них - это СПМ ДЛП, обусловленная различной величиной девиации оптической фазы фт и ф, в поляризационных модах волокна или/и вызванная фазовым сдвигом ф огибающих модуляции в этих модах. Другой механизм обусловлен СИМ связи поляризационных мод в анизотропном волокне вследствие модуляции радиальных сжимающих напряжений в волокне.
Механизм СПМ ДЛП. Считая, что поля х и у мод в волокне модулятора являются когерентными, можно получить соотношения для модулированной компоненты интенсивности на ФП в схемах рис.3.4 (а) и 3.4 (б): /„ U0/4)sin(20Jsin(202){cos)Ap)[l-(A /2)cos2(2я/)]--sm(A p)[A pm cos(2 ,0 ф рщ %m(27fj)\} Ірь =(/o/8)[l-cos(4 l)][cos(Ap + ApJcos(2#Mr + 0)] (3.3) ЗдеСЬ Аф = фх - фу! фх, фу - Начальные фаЗЫ ПОЛеЙ X И у МОД, Дфт = фтх - фту фтх й Фту w Фт, / г средняя интенсивность света. При выводе (3.2) также предполагалось, что Дфт «1 и ф «1.
Из (3.2) следует, что паразитная модуляция максимальна при вводе в модулятор линейно поляризованного излучения под углом 45 к осям ДЛП волокна. Такая зависимость наблюдалась в эксперименте для квадратурной компоненты (рис.3.5, кривая 2). Отмеченная выше чувствительность к воздействиям на волокно объясняется зависимостью !#, от разности фаз Дф, .сильно подверженной внешним воздействиям. Из (3.3) следует осциллирующая зависимость Ipt с частотой 40ь которая частично согласуется с экспериментом (рис,3.6, кривая 2). 6. Механизм модуляции связи мод. В отличие от механизма, рассмотренного в п. я, модуляция имеет место и при некогерентных полях х и у мод. Связь мод вследствие сжатия волокна характеризуется коэффициентом экстинкции г(/) = Цо + % COS(2T$/); TJQ, Т « 1. С его учетом интенсивность излучения в модах при возбуждении линейно поляризованным светом с интенсивностью / имеет вид /, = /{sinV,) + tfcos2 (,)- sin2 (0,)]} (3.5) Тогда при X\Q » г\т интенсивность Ie паразитной модуляции на ФП в схемах рис.3.4 (а) и 3.4 (6) равна 1т = -1т]т cos(2 ,0cos(2 )cos(2 ) (3.6) /,, = -(//2) соз(2лГя0[1 + cosW] (3.7)
Из выражения (3.6) следует, что при данном механизме паразитная модуляция представлена синфазной компонентой, зависящей от ориентации входной поляризации по закону cos(20i). Этот результат хорошо согласуется с экспериментом (рис.3.6, кривая 1). Вьфажение (3.7) частично соответствует эксперименту (рис.3.7, кривая /), показывая осцилляции с частотой 49]. Отметим, что в наших экспериментах СПМ из-за механизма (б) согласно оценкам в 2-3 раза больше, чем из-за механизма (а). Эксперимент также показывает, что квадратурная компонента СПМ наблюдается только для механизма (а). В работе также изучалась зависимость СПМ от длины волоконных концов пьезоволоконного элемента фазового модулятора. Согласно выше приведенным соображениям величина СПМ зависит от величины поляризованной компоненты излучения при условии, что она возбуждена в обеих поляризационных модах волокна модулятора. Такая компонента появляется в модуляторе из анизотропного волокна, если недостаточно мал коэффициент поляризационной экстинкции ответвителя, расположенного перед модулятором. Другой причиной появления указанной компоненты является рассогласование осей ДЛП волокна на сварочных стыках перед модулятором. Однако эту компоненту можно значительно снизить, используя длинные волоконные концы пьезоволоконного элемента модулятора, выбирая их значительно больше длины деполяризации излучения широкополосного источника в данном анизотропном волокне (т.е. пьезоволоконный элемент изготавливается из одного отрезка волокна большой длины). На рис. 3.7 в качестве иллюстрации представлен ряд зависимостей максимального значения СПМ , (60 при различной длине волоконных концов пьезоволоконного элемента в схеме с отражающим зеркалом. В данном эксперименте к волокну модулятора прикладывалась поперечная сжимающая сила для увеличения величины СПМ до получения ее максимального значения. Параллельная ориентация осей ДЛП соответствует углам 0( » 0 и 180 (с погрешностью около 3). Отметим, что некоторая нестыковка граничных точек при 8i = 0 и 180 может быть обусловлена несовершенством торцев волокон. На рис.3.7 можно выделить области возбуждения одной волоконной поляризационной моды (вблизи 6i» 0 и 90е) и обеих мод (при 6] » 45 и 135). Из рисунка следует, что при длинных волоконных концах величина СПМ снижается в 3 раза в первом случае (возбуждена одна мода) и более чем в 5 раз во втором случае (две моды). Таким образом экспериментально показана роль деполяризации излучения как эффективного механизма снижения величины СПМ в пьезоволоконном фазовом модуляторе.
Схема обработки выходного сигнала ВОГ
Измерения проводились в обычных лабораторный условиях после прогрева установки в течение одного часа. Температура окружающей среды при проведении испытаний составляла около 16С, ее случайные медленные изменения за время измерений находились в пределах 1-2 С,
Блок-схема измерительной установки представлена на рис.5.1. Макет ВОГ устанавливался на вращаемом столе ВС с помощью которого можно было обеспечить заданную угловую скорость Q в обоих направлениях. Этот режим использовался для измерения линейности выходной характеристики и калибровки масштабного коэффициента ВОГ. Для питания электронных схем макета применялись стандартные источники питания БП1, БП2, БПЗ. Выходной сигнал ВОГ (постоянное напряжение U\, пропорциональное П) поступал на АЦП, сопряженный с персональным компьютером ПК, Был предусмотрен контроль режимных параметров макета ВОГ — размаха интерференционной картины С/?(0 и напряжения С/о, пропорционального средней мощности оптического излучения на фотоприемнике оптического блока ВОГ. Картина t/2(0 регистрировалась на электронном осциллографе ЭО, величина Щ измерялась цифровым вольтметром ЦВ. Размах интерференционной картины от пика до пика ІІ2 являлся, наряду с UQ , режимным параметром макета. Режимные параметры С/г и UQ можно изменять путем регулировки тока накачки і с помощью потенциометра в макете ВОГ. Кроме того, были предусмотрены два режима усреднения выходного сигнала ВОГ: в первом режиме время усреднения составляло т -0.17 с (соответствующее полосе пропускания AF = І Гц измерительного канала), во втором режиме т = 4с.
Результаты измерений выходного сигнала U\ ВОГ регистрировались на экране дисплея ПК в виде функции времени. Программа обработки сигнала позволяла находить среднее значение U\ среднеквадратичное отклонение (СКО) a(t/i) и линейный уход ДСЛ за время измерений Г. Измерения осуществляются путем дискретных выборок с интервалом 5 Т, так что Т m 5Г, от - число выборок. Значения m и &Т вводились в программу. В данной работе для регистрации и обработки сигнала использовалась программа Unkekscope. Для калибровки масштабного кооффициента ко, зависящего в основном от тока накачки источника /р , использовалось вращение с постоянной скоростью П = ± 100 град/час в течение Т 50 с при m = 1024. Погрешность калибровки была менее 1 %.
Аппаратура для проведения испытаний. Источники постоянного напряжения для рабочего макета: - Источник питания типа Б5-44А с напряжением +7.5 В, током до 1 А для волоконного источника ВОГ. - Источник питания типа В5-44А с напряжением +12 В, током до 0.5 А для электронного блока обработки сигнала ВОГ. - Источник питания типа В5-44А с напряжением -12В, током до 0.5 А для электронного блока обработки сигнала ВОГ. - Вращаемый стол типа МПУ1, обеспечивающий заданную угловую скорость 1 в обоих направлениях в диапазоне 50...50000 град/час. - Цифровой вольтметр типа В7-40. - Осциллограф типа С1-117. - Персональный компьютер РС-ХТ в комплекте с АЦП типа PCL=714 на 14 разрядов и программой обработки Unkelscope. Методика калибровки масштабного коэффициента ВОГ применяется на различных этапах измерений точностных характеристик и состоит в следующем. 1. Установить рабочие параметры программы Unkelscope: Г = 50 с, m = 1024, 57/ = 50 мс. 2. Включить fi(+) =+100 град/час, включить программу Unkelscope. 3. Зарегистрировать величину //+) в мВ. 4. Включить П =-100 град/час, включить программу Unkelscope. 5. Зарегистрировать величину C/i( } в мВ. 6. Рассчитать масштабный коэффициент в град/час-мВ по ф-ле: = (1 1 + 1 1)/(1 1 + 1 1) Методика измерения пороговой чувствительности ВОГ. Измеренная пороговая чувствительность ВОГ определяется по ф-ле ПщЦІа, В) = a (Ui) I ко, величина о (Д) измеряется с использованием программы Unkelscope при х = 0.17 с, Г« 50 с и т = 1024 в отсутствие вращения (Q = 0). Полоса пропускания измерительной установки при указанном времени усреднения равна В — 1/2ят = 1 Гц. Величина масштабного коэффициента ко определяется путем калибровки (см. выше) при 1 = ± 100 град/час и неизменных остальных параметрах. Измерение чувствительности. Условия измерений: 1/2 = 250 мВ, Щ = 3.5 В, т = 0.17 с, П = 0, 7/ 50 с, т = 1024. Результаты измерений: U\ = 9.5 мВ, о (C/i) = 1.8 мВ, калибровка масштабного коэффициента ко = 0.9 мВ/(град/час). Чувствительность составила 2 ( la, В) = о (U\) I к0 = 2 град/час при полосе 5=1 Гц.
Методика измерения дрейфа нуля ВОГ. С использованием программы Unkelscope производится запись U\(t) при Л = 0их = 4св течение Т & 8000 с (m = 4096) с сохранением файла данных. Затем по программе определяются среднее значение U\ и среднеквадратичное отклонение (СКО) a (U\). Проводится определение масштабного коэффициента ко и рассчитывается среднее значение сдвига нуля Qo = U\ I ко , а также погрешность измерения этого сдвига ДО = о (t/t) І к0.
Измерение дрейфа нуля. Условия измерений: Ui = 50 мВ, Т= 8192 с, т -4 с, m = 4096, Q = 0. Результаты измерений: U\ = 12 мВ, сг (U{) =1.6 мВ, калибровка масштабного коэффициента ко = 1.1 мВ/(град/час). Среднее значение сдвига нуля составило Q0 = U\ І к$ = 10.9 град/час, погрешность измерения этого сдвига Ml =1.4 град/час. Фрагмент записи сдвига нуля CXf) в зависимости от времени (дрейф нуля ВОГ) представлен на рис. 5.2. Верхняя кривая измерена при постоянной температуре, нижняя - при повышении температуры со скоростью 2.5 /час Аналогичная запись при большом времени усреднения показана на рис,5.3. Погрешность измерительной установки составляла менее 1мВ и ограничена дискретностью АЦП, имеющего 14 двоичных разрядов.
