Оптимальные конфигурации «Y-ответвление» или «Y-соединение»
Интегрированная оптика, особенно на подложке из ниобата лития (LiNbО3) (см. приложение 3), была признана на раннем этапе очень перспективной технологией для волоконно-оптического гироскопа [24], потому что одна многофункциональная цепь может быть использованы как инструмент, выполняющий все функции, необходимые для работы устройства. Таким образом, податливость очень простой многопроводниковой конфигурации с направленной волоконной катушкой подключено к интегральной оптической цепи. Однако решающим преимуществом интегральной оптики над многоволоконным подходам является фазовая модуляция с плоским откликом при большой пропускной способности, которая позволяет использование эффективных методов обработки сигналов, дает высокую производительность во всем потенциальном динамическом диапазоне волоконного гироскопа.
Это позволяет использовать многоволоконный подход и ограничивать использование интегральной оптики для фазовой модуляции в прямых волноводах, но эта технология обеспечивает полезное преимущество при интегрировании нескольких различных функций в одной цепи, что повышает компактности и уменьшает количество соединений. Однако стремление к максимальной интеграции, возможно, является технологической проблемой, но это не самоцель, и оптимальный гибридный компромисс пришлось найти, воспользовавшись этой возможностью интеграции без снижения производительности.
Как мы уже видели, объединенный разветвитель интерферометра может быть осуществлен очень просто с Y-соединением, и было предложено использование двух разветвлений, соединенных с основной линией [17]. Тем не менее, эта так называемая двойная Y-конфигурация (Рисунок 3.24) привело к
| Рисунок 3.24. Конфигурация "двойной-Y"
|
неоправдавшей ожидания производителности в связи с ограниченным отказом общего основного волновода действовать как пространственный фильтр для обеспечения взаимности [25]. Фактически введение света разбивается на первом «источниковом» соединении, и половину мощности остается в основной ветви для разбиения снова во втором «катушечном» соединении. Остальная часть входной мощности образует антисимметричную моду, которая излучается на первом соединении, поскольку оно выше спрямления; но она частично компенсируется во втором соединении, которое выступает в качестве «приемной антенны», поскольку оно может снова направить эту антисимметричную расходящуюся волну (Рисунок 3.25). Эта компенсация очень мала, но паразитные волны, выходящие и складывающиеся из двух выходных каналов «катушечного» соединения, отличаются по фазе на π (или 180 град), в связи с антисимметрией расходящихся волн. Итоговая амплитуда волны от каждого ответвления получается сложением основных амплитуд Аm и паразитных амплитуд Аs, приходящих от ложных компенсаций. Принимая во внимание фазовую диаграмму (Рисунок 3.25) можно видеть, что по фазе общие амплитуды At или At' в каждом ответвлении отличаются, и это дает паразитную разность фаз 
между обоми ответвлениями, несмотря на то, что она должна быть нулевой при идеальном отбраковывании. Максимальная фазовая ошибка пропорциональна отношению амплитуд
| Расходящаяся антисимметричная мода
|
| Подгоняемый резервуар «антенна»
|
| Расстояние Lbb между
двумя соединениями
|
| Рисунок 3.25.Ограничение одномодового отклонения
в двойном Y-соединении
|
(3.22)
Чтобы ограничить эту ошибку ниже 10– 7 рад, отклонение должен быть лучше, чем 146 дБ! На практике отклонение общей базовой ветви от 10 до 20 мм дает ограничение около 60-70 дБ, и поэтому смещение фазы так же высоко, как 10–4 рад [25]. Как мы уже видели, смещение не является, строго говоря, вредным, но на практике это восприимчивость к дрейфу. В этом случае фактическая фазовая ошибка зависит от разности фаз 
между основной амплитудой Аm, которая должна быть постоянной, и паразитной составляющей Аs, которая свободно распространяются между обоими соединениями:
(3.23)
(Это максимум для 
, где As перпендикулярно к Am, и это ноль для 
или 
, где As как параллельно Аm) Разность фаз 
связана с геометрической разностью хода 
, где разницу в относительном показателе преломления 
можно оценить как половину ступенчатого профиля показателя преломления волновода (т.е. несколько 10–3). С 10 мм длиной общей основной ветви Lbb эта разность пути несколько десятков микрометров (т.е. несколько десятков длин волн), и она изменяется с температурой, которая побуждает дрейф.
Эта «двойной Y» конфигурация первоначально представляется как очень заманчивое решение, но на самом деле показывает, что поиск по максимальной интеграции может привести к резкому ограничению производительности. На данном этапе можно выбрать для улучшения технологии реализацию фильтрующего устройства около центрального общего базового волновода или с помощью мгновенно-полевого устройства связи, что позволяет избежать излучений четвертого порта из Y-соединения; но это резко увеличивает сложность процесса и его контроль.
Оптимальный компромисс между интеграцией и производительностью достигается с так называемой конфигурацией Y-ответвления или Y-сопряжения [25,26,27], в которой катушка разделителя это интегральное оптическое Y-соединение и источник разделителя многоволоконный 3 дБ сопряжение (Рисунок 3.26). Пространственные фильтрации, необходимые для взаимности,
получаются просто с применением волокна, подключенного к основному волноводу Y-соединения, и 3 дБ сопряжение используется для извлечения 50% возвращающейся мощности с низкой дополнительной потерей и отправлением ее на детектор. Фазовые модуляторы изготовлены на обе ветви Y-соединения.
Это позволяет использовать один модулятор для соответстующей модуляции, а другой для модуляции обратной связи с замкнутого цикла обработки, но желательно подключение обоих модуляторов в двухтактной конфигурации (тяни-толкай). Напряжение прикладывается между центральным электродом и двумя внешними электродами, которые автоматически управляет двумя модуляторами с противоположной полярностью (Рисунок 3.27).
| Рисунок 3.26. Y-ответвление (или Y-устройство) конфигурации
с 3-дБ как источник разделителя
|
Это удваивает эффективность, но, прежде всего, это исключает нелинейность второго порядка в отклике каждого модулятора, что очень полезно для получения хорошего линейного масштабного фактора в схемах замкнутого цикла.
Обратите внимание, что если одномодовое 3 дБ сопряжение обычно используется для функции ответвления, то это не обязательно. Свет, возвращающийся через входное волокно и направляющийся на Y-соединение, уже вмешался, и сигнал переносится при интенсивной модуляции. Таким образом, соединитель может быть заменен 3 дБ сопряжением, которое имеет одномодовый выходной порт и может быть легче изготовлено, чем соединитель [27].
Эта конфигурация Y-ответвления (или Y-сопряжения) в настоящее время широко признана [28] как оптимальный технологический компромисс для высокоскоростных волоконных гироскопов, использование встроенных оптических фазовых модуляторов в которых дает хорошую точность в схемах замкнутого цикла обработки.
Предпочтительной технологией интегральной оптики является использование LiNbО3 (см. приложение 3), которое дает очень эффективную фазовую модуляцию. Волноводы обычно изготовляются с прямой диффузией титана и поляризатор может быть осуществлен с металлическим покрытием, которое поглощает ТМ моду. Обмен протонами – это еще одна очень интересная альтернатива [29], поскольку она дает одну направляющую поляризацию, обеспечивающую очень высокое отклонение поляризации. Этот момент очень важен, как мы увидим, для получения хорошей стабильности наклона.
Оптимальная многофункциональная цепь гироскопа (Рисунок 3.28) имеет типичные размеры 1 мм толщины, несколько миллиметров в ширину и 20-35 мм в длину. Она состоит из Y-соединения с разрывами от 200 до 300 мкм
| Рисунок 3.27.
Двухтактное соединение двух фазовых модуляторов интегральной оптики: (а) x-сечение и y-направление распространения в цепи LiNbO3; (b) z-сечение и y-направление распространения в цепи LiNbO3
|
| Рисунок 3.28.
Многофункциональная «гиросхема»
|
между двумя ветвями, которые подключаются к концам двух волокон катушки. Двухтактная фазовая модуляция производится в ветвях и покрытые металлом поляризаторы размещаются на основном волноводе и отклонение поляризации получается пропорциональным обмену протонов. Наконец, как будет показано далее, схема гироскопа имеет форму параллелограмма во избежание обратного отражения в устройствах обмена между цепью и волокном [27].
Воспользуйтесь поиском по сайту:
