Введение к работе
Актуальность темы исследования.
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 (ИОИ) 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 (СВИОИ) на основе волокон, легированных редкоземельными элементами. Основным сдерживающим фактором для применения полупроводниковых суперлюминесцентных источников оптического излучения в высокоточных ВОГ 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 ВОГ навигационного класса точности применяются именно 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. ЭСВИОИ имеют и недостатки, к которым можно отнести долговременную и температурную нестабильность параметров ВОИ. Центральная длина волны ВОИ ИОИ является одним из основных параметров и входит в формулу определения масштабного коэффициента (МК), который является ключевым параметром, характеризующим ВОГ и определяющим его точность показаний. Даже небольшие нестабильности МК приводят к ошибкам в выходном сигнале гироскопов, поэтому огромное количество работ посвящено этой проблеме, в особенности вопросам температурной стабильности входящих в МК величин. В частности, одной из таких наиболее температурно-нестабильных величин и является центральная длина волны ЭСВИОИ, изменение которой может достигать порядка 100 млн_1/C.
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. Основная масса работ направлена именно на снижение
температурного коэффициента центральной длины волны ВОИ ЭСВИОИ посредством применения термокомпенсирующих спектральных фильтров. 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.
Целью настоящей работы является стабилизация параметров оптического излучения суперлюминесцентного волоконного источника для применения в волоконно-оптическом гироскопе.
Задачи работы:
– 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/C, что привело к повышению температурной стабильности масштабного коэффициента исследовательского ВОГ до уровня менее 10 млн-1 в диапазоне температур от 0 до 40 C.
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/C 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.