Редкоземельное легирование волоконных источников

Для преодоления проблемы стабильности длин волн ССД, в последние годы работа была посвящена развитию альтернативных широкополосных источников на основе редкоземельных легированных волокон [8]. Как и в случае с ССД, редкоземельные присадки предоставляют очень значительный рост усиления, и высокомощное широкополосное излучение может быть получено за один проход с усилителем спонтанного излучения (УСИ) без необходимости резонатора обратной связи. Эти широкополосные волоконные источники зачастую называют суперлюминесцентными волоконными источниками (различие между суперрадиоактивными, суперлюминесцентными, суперфлюоресцентными и УСИ не всегда очень четко обозначено в литературе. Для получения дополнительной информации см. Auzel и др. [9]). Их энергетические уровни гораздо более стабильны, чем у полупроводниковых и должны улучшить стабилность длин волн. Они могут накачиваться с компактными мощными лазерными диодами. Две присадки особенно эффективны: неодим (Nd), с излучением около 1060 нм и накачкой около 800 нм [8,10] и эрбиум (Er), с излучением около 1550 нм и накачкой 980 нм или 1480 нм [11,12].

Эти источники являются весьма перспективными для высокопроизводительных навигационных волоконных гироскопов; однако предметом не является простым и получение очень хорошей стабильности длине волны зависит от различных параметров, особенно накачки длин волн, мощности накачки и обратная связь по свету [13].

Следует отметить несколько особенностей этих источников: испускаемый свет неполяризован, что очень выгодно для уменьшения поляризационной необратимости (см. раздел 3.4.4). Выходная мощность может быть очень высокой и естественно соответствует одномодовым волокнам, которые полезны для получения фотонов с низким уровнем шума или участием единого источника для трех осей гироскопа. Спектр очень асимметричен и необходимо позаботиться о тщательной оценке средней длины волны (см. раздел 8.3.1 и приложение 1). Обратите внимание, что демультиплексор требует отдельной накачки, и излучение длин волн может быть реализовано в многоволоконной форме с устройствами связи мгновенного поля, которые имеют значительнуй зависимость от длины волны.

Последним важным моментом является чрезмерный шум, вызванный случайными пульсациями между всеми некоррелированными компонентами частоты в широком спектре [14]. Как показано в разделе 2.3.2, поток фотонного шума N некоррелированны "частиц" как фотонов

 

(9.2)

 

где – детектируемая полоса частот. Тем не менее оптический спектр с частотной шириной дает избыток шума из случайных пульсаций между всеми компонентами частоты:

(9.3)

 

Таким образом, этот избыточный шум становится преобладающим, когда . С ССД при λ= 850 нм и Δλ = 15 нм, имеем Гц и чрезмерный шум становится эквивалентным фотонному шуму для потока 1,2×10¹³ фотонов в секунду; то есть мощность около 4 мВт, которая практически закрывает лимит возвращения света.

Однако суперфлуоресцентный источник волокна имеет более «узкую» ширину спектра, чем ССД (например, Δλ = 2 нм при λ = 1530 нм; т.е. Гц), и чрезмерный шум теперь становится преобладающим только 0,2 мкВт. Обратите внимание, однако, что этот избыточный шум, шум интенсивности которого может быть уменьшен на действующих гироскопах смещением точек закрытия черных полос так, что смещение фазы закрывается по достижению π вместо π/2 [15]. Фактически, чувствительность пропорциональна наклон кривой синусоидального отклика; то есть (где – смещение фазы) и интенсивность шума пропорциональна фактическому смещению мощности (т.е. отклику ). Работая, например, на отклонении 0.9π вместо π/2, чувствительность уменьшается на коэффициент , несмотря на то, что интенсивность шума опыта на производстве в шесть раз выше, т.к. . Кроме того, как показано в разделе 2.3.2, это не ухудшать теоретического отношения сигнал-фотонный шум. Обратите внимание, что это эффективный способ уменьшения количества света, возвращаемого к источнику.

Волоконная катушка

 

Как указывалось ранее, лучшие превращения получаются с зондированием катушкой, сделанной из индуцированного напряжением высоко двулучепреломленного сохраняющего поляризацию волокна (приложение 2). Эллиптическое ядро волокна имеет высокое затухание и низкое сохранение поляризации, но остается интересный выбор для небольших катушек гироскопов среднего класса, поскольку они должны быть более просты в изготовлении и дешевле. Кроме того, симметричная квадруполярная намотка уменьшает эффект быстротечности температуры (см. раздел 6.1) и μ-металл экранирования может потребоваться снижения магнитной зависимости (см. раздел 7.1). Необходимы также некоторые другие практические потребности. В частности, высоко-NA волокна с весьма легированным ядром подходит для избежания потери на изгиб в очень компактных катушках: с NA 0,16 диаметр может быть как 20 мм без дополнительных аттенюаторов. Тщательная намотка и "адекватный" герметизованный материал важны для обеспечения хорошей точности наведения: ось чувствительности параллельна пространственному вектору А, определенному по линии интеграла вдоль волокна (см. раздел 2.1.1). Для получения указанных превращений в трехосном исполнении ось стабильности в радианах должна быть равна коэффициенту масштабирования; то есть, например, 10^–5 рад требует 10 млн^–1.

Диаметр волокна должен как можно меньше ограничивать объем катушки. Гироскопические волокна имеют типичное покрытие диаметром 80 мкм в противоположность стандартным 125 мкм телекоммуникационным волокнам. То же самое касается защитного покрытия, которое должно быть настолько тонким, насколько это возможно. Тем не менее, оно должно свести к минимуму микроизгибы во избежание потерь или деградации сохранения поляризации, которая фактически ограничивает ее минимальную толщину. Характеристики катушки должны сохраняться во всем диапазоне температур операции. Стандартное акрилатное покрытие с опытом стеклования ниже –20°C, которое сильно ухудшает сохранение поляризации, и двухслойное покрытие с "мягким" внутренним слоем были разработаны для решения этой проблемы.

Чтобы избежать увеличения аттенюации при излучении в военной или космической технике, предпочтительнее использование длинных волн (1300 или 1550 нм).

Последний, очень важный момент – это надежность волокна. Эта проблема является очень комплексной [16,17], но основные идеи можно выделить. Поверхности волокон содержит очень небольшие внутренние трещины благодаря базовой кремниевой структуре и большие внешние трещины вследствие пыли или частиц, включенных в волокно в процессе вытяжки. Когда волокно подвержено растягивающим напряжениям, размер трещин увеличивается, что в конечном итоге может привести к поломке волокна. Когда волокно наматывается на катушку, растягивающим напряжениям подвержена его наружная часть. Соответствующая деформация равна отношению диаметр волокна и диаметра катушки. Для обеспечения хорошей надежности волокно по всей длине должно быть протестировано доказательством высокого уровня деформации (обычно от 0,5% до 2%, в то время как идеальный кремнезем может выдерживать деформацию до 10%) проверкой на несколько секунд того, что образец не содержит слабые места, которые в противном случае приведут к поломке. На основе модели Вейбулла самым слабым звеном в цепи является вероятность отказа в ожидаемое время жизни гироскопа, которая может оцениваться как функция проверочного теста уровня и характеристик волокна [16]. Качество практических волокон обеспечивает очень хорошая надежность катушек в диапазоне 10 см, при котором деформация около 0,1%. Тем не менее, для небольших катушек (около 2-3 см), приходится использовать высокопрочные волокна для достижения длительной эксплуатации. Заметим, что доказательство уровня теста также выражается в напряжениях вместо деформаций, которые связаны с модулем Юнга кремнезема (E_SiO2 = 70 ГПа в единицах СИ). Используя фунты на квадратный дюйм, помните, что 1% деформации соответствует напряжению от 100 kpsi. Еще один полезный порядок амплитуды в том, что 1% деформации, вызывается силой 10N а 125-мкм волокна и 4N для волокна 80 мкм.

 

9.4. "Сердце" интерферометра

Как описано в предыдущих главах (особенно в главе 3), главным предметом озабоченности было "сердце" интерферометра, состоящее из разделителя источника света, поляризатора, пространственного одномодового фильтра, катушки разделителя луча и фазового модулятора. Поскольку структура оптических компонентов требует деликатной регулировки связи света в одномодовом волокне, исследования были сосредоточены на грубом многосветоводном подходе, и пользователи интегральной оптики имели преимущество получения широкополосных фазовых модуляторов. Оптимальная простота достигается смешанным подходом: Y-ответвление или Y-соединение конфигурации (см. раздел 3.3.4) сейчас широко используется [18]. Цепь многофункциональной интегральной оптики сочетает Y-соединения для разделителя катушки, фазовые модуляторы и предпочтительно поляризатор, в котором внутри волокон ответвитель или соединение используются для разделения источника, с его опережающим действием как пространственного фильтра.

Очень важным компонентом является поляризатор и протоннообменная LiNbO₃ цепь (см. приложение 3), направляющая только одно состояние поляризации, которая выглядит как оптимальный подход [19]. Однако последние экспериментальные результаты [20] показали, что вполне возможно получить подобные отклонения (обычно 60 дБ) с наложенной металлической Ti-диффузией внутрь объема волновода, которая поддерживает конкуренцию! Другой интересной альтернативой является внутриволоконная поляризация, достигаемая с помощью металлических покрытий [21]. Обратите внимание, что OCDP (см. раздел 5.4) представляет собой важную технику оценки точности отказа от элемента поляризации.

 

Детектор

Наконец, необходимо соблюдать осторожность при выборе детектор с тем, чтобы не снизить производительность системы, которая будет ограничиваться обычно импульсами фотонового шума (см. раздел 2.3.2). Полупроводниковые PIN фотодиоды идеальны, в связи с их высокой квантовой эффективностью: количество первичных электроны создается очень близко к числу входных фотонов и поток электронов имеет тот же импульсный шум, как и теоретическое значение потока фотонов. Для 850 нм, должен использоваться фотодиод кремния (Si), в то время как индий арсенид галлия (InGaAs) является оптимальным для 1300 и 1550 нм.

Шум переносимого полного сопротивления предусилителя диода (который преобразует ток в напряжение) не должен принести шума эквивалент мощностью (NEP) выше, чем импульсный шум первичного тока. Этот шум появляется главным образом благодаря тепловому шуму от нагрузки усилителя. Ток напряжения преобразуется в соответствии с сопротивлением R, в тепловой шум, выходное напряжение генерирует среднеквадратическое значение , пропорциональнальное квадратному корню из этого сопротивления:

 

(9.4)

где k = 1,38×10^–23 Дж/K – постоянная Больцмана и Т_а – абсолютная температура Кельвина.

Если нагрузочное сопротивление R увеличивается, коэффициент пересчета повышается линейно, а тепловой шум увеличивается по закону квадратного корня. Это улучшает соотношение сигнал-тепловой шум. Однако улучшение ограничивается усилением в ширине полосы пропускания усилителя, который определяет максимальное сопротивление, которые могут быть использованы для требуемой пропускной способности.

Фотоэлектронные трубки принципиально не адаптированы для этого применения по причине их очень низкой квантовой эффективности, особенно в ближайшем ИК-порту, без учета их размера и их высокого напряжения питания. Лавинные фотодиоды (APD) может быть полезными, если возвращаемая мощность низка, но они не будут идеально «летающими» устройствами в связи с зависимостью усиления от температуры. Теория лавинного эффекта показывает, что основной шум первичного тока уменьшается, по крайней мере, на коэффициент по сравнению с PIN диодом. С кремнием, отличным материалом, фактор деградации для лавинного усиления 100, но есть сокращения, равные этому усилению относительно воздействия шума предусилителя. Рисунок 9.3 обобщает графически относительные шумы (отношение шума к сигналу!) для различных оптических мощностей в логарифмической шкале, учитывающей Si-PIN детектор, на 850 нм с типичным NEP jn 10^–12 . В режиме импульсного шума наклон –1/2, а когда система ограничивается предусилителем шума, наклон –1. С типичным APD кривая импульсного шума является повышающей на коэффициент по сравнению с PIN диодом, но ограничение шума предусилителем является понижающим с коэффициентом 100, поскольку имеется прямой ток усиления, с лавинным эффектом. На практике APD оказались полезными на лабораторном этапе изучения первых экспериментальных гироскопов, имеющих высокие потери и следовательно низкую возвращаемую мощность. Тем не менее, прогресс в сокращении потерь компонентов и эффективности соединения источника составил 10 мкВт возвращенной мощности разумные инженерных задач для практических устройств, позволяя использовать PIN диоды без деградации импульсного шума фотонов.

Последняя проблема получить ограниченный фотонный шум связана с обнаружением надлежащего источника интенсивности шума; но с частотой операции (100 кГц до 1 МГц) и с суперлюминесцентными диодами она колеблется от –130 до –140 дБ/Гц (т.е. 3×10^–7 до 10^–7 ) [22], будет ограничение только более чем с 10 мкВт обратно на детектор. Однако, как показано в разделе 9.2.2, редкоземельный широкополосный волоконный источник может иметь избыточную интенсивность шума от 110 до 120 дБ/Гц, в связи с их "узкой" шириной спектра.

Предварительный шум

Шум источника

Импульс-ный шум

10–6 10–5 10–4 (W) Оптическая мощность

Относитель- ный шум

Рисунок 9.3. Различные относительные шумы как функции возвращающейся мощности (кремниевые диоды на 850 нм)

PIN APD

Наконец, обратите внимание, что блок обнаружения требует очень тщательного электронного оформления во избежание проблем в местах электромагнитной цепи, замкнутой петли, устройств связи. Напряжение модулятора смещения, как правило, порядка от 1 В и основной типичный ток в детекторе обычно составляет 1 мкA для нескольких микроватт возвращающейся оптической мощности. Ограничение ошибки смещения благодаря электронному устройству связи ниже 10^–7 рад, ток в устройстве связи модуляции частоты должен оставаться ниже 10^–13 A; то есть одиночный электрон на каждый момент времени (как правило, 1 мкс для катушки 200 м)! Эта проблема электромагнитных устройств связи применяется также к току источника.

 

Ссылки

[1] См., например, Фукуда, м., "Надежность и деградация полупроводниковых лазеров и светоиндикаторов".Бостон Лондон: Artech дом, 1991.

[2] Lee.T. П., C. A. Burrus.andB. I. Miller, "Геометрическая полоса двойной гетероструктуры усиливает спонтанные выбросы (суперлюминесцентного) диода" IEEE Journal of Квантовая электроника, т.1 OE-9, 1973, pp. 820-821.

[3] Ван, С S., в. н. Ченгу, C. J. Хванг, в. K. противоожоговой и р. п. Меоллер, "Высокомощный с низким расхождением суперрадиантный диод" прикладной физики Leiters, Vol. 41, 1982, pp. 587-589.

[4] Ван, С S, J. S. фен, фу R, в S. Sunderam, р. Varma, ж. Zarrabi, С Lin. и С J. Хванг. "Высокомощный длительно живущий суперлюминесцентный диод" SPIE труды, том 719, 1986, pp. 203-207.

[5] Kwong, н. K. S., K. ю. Лау, н. бар Хаим, и Эльза и к. х. ли, "Окна высокой мощности, высокой эффективностт Buried гетероструктуры GaAlAs cуперлюминесцентного диода с интегральным поглощением" | прикладной физики письма, Vol. 151, 1987, pp. 1879-1881.

[6] Kwong, K. S. н. н. бар Cliaim и т. Чен, "Мощный 1,3 мкм суперлюминесцентный диод," Прикладная физика письма, том 54, 1989, pp. 298-300.

[7] Niesen, Дж., л. Zinkiewicz, п. н. оплатить тонну и с. Моррисон, "Последние развития в 0,83 м суперлюминесцентных диодах на TRW," SPIE труды, том 719, 1986, pp. 208-215.

[8] Лю, K., м. Digonnel, K. Fesler, Ким ю. б. и н. д. шоу, "Суперлюминесцентный одномодовый Nd: волоконный источник 1060 нм" Proceedings of ФУСШ ' 88, Новый Орлеан, 1988. pp. FDD5-I-FDD5-4.

[9] Auzel, ф., с. Huberl. и д. Meichenin. "Очень низкий порог CW возбуждения суперлюминесценции на 2,72 мкм в Er³⁺" Europhysics письма, том 7, 1988, pp. 459-462.

[10] Fesler, к. а., р. ф. Кальман, м. ю. ф. Digonnet, б. ю. Ким. и н. д. шоу. "Поведение широкополосных волоконных источников в волоконном гироскопе" SPIE труды, том 1171, 1989, pp. 346-352.

[11] Morkel, р. п., "Волокно, легированное эрбием суперфлюоресцентного источника для волоконного гироскопа" Pro ceedings из ФУСШ ' 89, Париж, порядок работы прыгун в физике, том 44, 1989, pp. 143-148.

[12] Высоцки, п. ф., р. ф. Кальман, м. ю. ф. Digonnet, б. ю. Ким, "1.55 мкм широкополосный волоконный источник накачки около 980 нм" SPIE труды, том 1373. 1990 года, стр. 66-77.

[13] Высоцки, п. ф., K. Fesler, K. Лю, м. ю. ф. Digonnet и б. ю. Ким, "Источники спектральной тепловой стабильности волокна с примесью Nd и Er" SPIE труды, том 1373, 1990, pp. 234-245.

[14] Morkel, р. п., р. л. Laming и д. н. Пэйн, «Шумовые характеристики мощных примесных волоконных суперлюминесцентных источников» электроника письма, том 26, 1990, pp. 96-98.

[15] Лефевр, х. C, S. Vatoux, м. Papuchon и С Puech, "Интегральная оптика: практическое решение для волоконно-оптического гироскопа" SPIE труды, том 719, 1986, pp. 101-112 [SPIE MS 8, стр. 562-573].

[16] Miyajima, ю., "Обучение на высоко растяжимых тестах оптических волокон" Journal of Lightwave технологии, т.1, 1983, pp. 340-346.

[17] Kurkjian, С р., д. т. Краузе и м. я. Matthewson, "Напряжение и усталость силикатных оптических волокон" Journal of Technology Lightwave, том 7, 1989, pp. 1360-1370.

[18] Иезекииль, S., е. Udd. eds., "Волоконно-оптический гироскоп: XV юбилейная конференция," SPIE труды, том 1585, 1991.

[19] Suchosky, п. Г., т. K. Findakly и ф. л. Leonberger, "LiNbO₃ интегральные оптические компоненты для волоконно-оптического гироскопа" SPIE труды, том 993, 1988, 240-243.

[20] Szafraniec, Laskoskie до н.э. и д. анг, "Многофункциональные Ti-содержащие LiNbO₃ включения, используемые в волоконно-оптических гироскопах," SPIE труды, том 1585, 1991, pp. 393-404.

[21] Джонстоном, в., S. Мерайи и б. Culshaw, "Изменения, характеристики и производительность оптического волокна в устройствах поляризации, используя тонкие металлические пленки," SPIE труды, том 1585, 1991. pp. 365-370.

[22] Dandridge, а. и н. ф. Тейлор, "Эффекты шума и корреляции в GaAlAs широкополосных источниках" журнал IEEE Lightwave технологии, том 5, 1987, pp. 689-693.

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: