Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков

• Автор: Коваленко, Виктор Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с.

' Содержание

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 типа «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 У-канавки
4.3. Схема измерения уровня паразитных модуляций
4.4. Снижение уровня паразитных типов модуляций при укладке волокна в
У-канавку
4.5. Модуляторы на основе анизотропных волокон
4.6. Потери на изгибах и переходах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

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 интегральнооптических схем с волоконными выходами и цельноволоконные модуляторы (ВФМ) намоточного типа на основе пьезокерамических возбудителей акустических колебаний. Наиболее широко применяются целъноволоконные 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

На практике сначала считают всё кольцо металлическим и пользуются уравнением (2.2-11). Результаты оказываются тем ближе к точному решению на основе уравнения (8), чем меньшую долю составляет пьезочасть от объема резонатора. Резонансная частота изготовленного по этим расчётам модулятора оказывается заниженной, так как скорость звука в пьезокерамике ниже, чем в металлах. Затем внешний диаметр понемногу уменьшают (стачивают), подводя резонанс в требуемый интервал частот. На последнем этапе, если волокно изотропное, нарезается канавка (см. далее гл. 4).
Главной задачей при изготовлении является обеспечение хорошего акустического контакта между металлом и пьезокерамикой. Вклейка одного кольца в другое дала плохие результаты. Гораздо лучшие результаты были получены методом термокомпрессии с заполнением зазоров акустическим проводником. Металлическое кольцо нагревалось и затем быстро насаживалось на пьезокольцо, плотно его охватывая при остывании. Поскольку температура Кюри используемой пьезокерамики была порядка 290 + 320°С, то металлическое кольцо нагревалось не выше 250°С, чтобы не деполяризовать пьезоэлемент. При этом зазоры и натяги весьма малы, порядка 0,01 -г 0,02 мм и требуют повышенной точности изготовления сопрягаемых диаметров. Стандартные пьезокольца шлифуются при заводском изготовлении и отклонения от окружности для использованных пьезоколец диаметром 10, 12 и 18 мм по нашим измерениям не превышали ±0,01-ь 0,02 мм. Это требовало точности изготовления внутренних отверстий металлических заготовок не меньше, чем по восьмому классу.
После посадки в ещё горячем модуляторе зазоры заполнялись жидким салолом (Тцд — 42°С) или стильбеном (Тпл = 124°’С), которые после кристаллизации дают надёжный акустический контакт с малыми потерями. Предпочтительнее стильбен, поскольку акустический контакт на его основе более долговечен.
В качестве примера приведём характеристики одного из первых модуляторов типа "кольцо в кольце”, представляющего собой стальное кольцо 032,5 х 010 х 5 мм, внутрь которого вставлено пьезокольцо 010 х 04 х 5 мм [17]. Было намотано 16 витков волокна. Максимум фазовой модуляции при колебании вида Го пришёлся на 91,25 кГц, удельная эффективность на 1 см длины световода Кфмл составила 0,15 рад/(см -В).