Патент на изобретение №2331045

(54) ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСЕНСОР (ГИРОСКОП)

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов. В интегрально-оптическом гироскопе используется многовитковая катушка на планарно-полосковых волноводах, не пересекающихся друг с другом на плоскости единой подложки, реализуемая таким образом, что вокруг (или внутри) первичной планарной петли интерферометра располагают систему из нескольких концентрических волноводных колец, соединенных друг с другом и с первичной петлей Х-образными ответвителями с коэффициентом ответвления, как можно более близким к единице. Таким способом может быть получено до N=30 витков в катушке, что при диаметре пластины 150 мм соответствует эквивалентной длине волновода около L_N=15 м. За счет увеличения эквивалентной длины петли интерферометра частота оптической фазовой модуляции может быть снижена до нескольких мегагерц, что обеспечивает существенное повышение точности гироскопа. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов.

Известен волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), имеющий важное применение в современных системах навигации и пространственной ориентации [1, 2, 3, 4].

Важной характеристикой ВОГ является высокая точность гироскопа.

Точность гироскопа обратно пропорциональна среднеквадратичной погрешности измерения угловой скорости , которая для оптического волнового гироскопа определяется формулой

где – длина волны света, с – скорость света, R – радиус витков катушки, L_N – общая длина волновода в катушке, S площадь витка, N – количество витков, – среднеквадратичная погрешность измерения фазы Саньяка, Ф_S=⁺–^–, где ⁺ и ^– – фазовые набеги при обходе контура петли по и против часовой стрелки соответственно, f – полоса частот пропускания спектра меняющейся во времени угловой скорости (t).

Если принять =1,5 мкм, S=180 см (R=7,5 см) и реально достижимую величину в ВОГ (град), то при длине петли L_N ˜1 км и N=2000, мы получаем значения погрешности град/час, что соответствует высокоточному ВОГ [4].

Однако недостатками такого рода гироскопов [1, 2, 3, 4] являются их высокая стоимость, а также неудовлетворительная вибро- и удароустойчивость гироскопа.

Перспективным направлением совершенствования в части устранения вышеуказанных недостатков является планарно-волноводный оптический датчик угловой скорости вращения объекта (гиросенсор), изготавливаемый на твердотельной (кремниевой, стеклянной или полимерной) подложке методом интегральной технологии. Наше предлагаемое изобретение решает указанные выше проблемы именно методами интегральной технологии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению может служить планарный гироскоп на кремниевой подложке, описанный в работе [5], содержащий кольцевую петлю интерферометра с кольцевым резонатором на планарно-полосковых волноводах, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного разветвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов разветвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник.

Однако, если произвести оценку точности при тех же значениях параметров, которые применялись для [4] (=1,5 мкм, S=180 см, R=7,5 см) и принять реально достижимую величину в ВОГ то в планарно-оптическом гироскопе [5] при _g/p˜1, N=1, получим для прототипа неприемлемо высокую величину погрешности ˜200 град/час. При этом частота модуляции f_м=_g/2L_N должна быть повышена обратно пропорционально числу витков, т.е. со 100 кГц [4] до 200 МГц. Это трудно достижимо для современных электрооптических или акустооптических модуляторов на кремниевой подложке. Добавление кольцевого резонатора к простой петле интерферометра, выполненное в [5], дает эффект увеличения длины петли интерферометра приближенно в F раз, где F – фактор добротности (резкость) кольцевого резонатора (в зарубежной литературе «fines»). Для интегральных волноводов с коэффициентом потерь ˜0,1 дБ/см (меньше не реально) достижимое значение F<5. При этом частота модуляции fм>40 МГц остается достаточно высокой и гиросенсор на пластине трудно реализуем, что влечет за собой высокую стоимость при сравнительно низкой точности.

Из-за вышеизложенного следует, что повышение точности интегрально-оптического гироскопа (ИОГ) при заданной его площади возможно путем увеличения количества витков N катушки петли интерферометра (реальных витков или эквивалентной длины петли L_N).

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в снижении погрешности и повышении надежности работы гироскопа за счет увеличения числа витков N на пластине до значения, по крайней мере, не менее 10.

Трудность, возникающая на этом пути, состоит в том, что в планарной катушке недопустимы пересечения полосковых волноводов, которые приводят к значительному рассеянию назад, дающему сильный паразитный сигнал в интерферометре. Поэтому, например, обычная спиральная намотка для планарной оптической интегральной схемы не подходит. Действительно, в однослойном волноводе невозможно проложить волновод подобно патефонной дорожке и вывести оба конца в одну точку (либо наружу, либо внутрь кольца намотки) без пересечения планарно-полосковых волноводов. В интерферометре Саньяка такое пересечение недопустимо, т.к. при выводе (вводе) пересекаются все витки, и из-за рассеяния на пересечениях интерферометр перестает функционировать. Если же между витками в одном направлении (между, например, четными витками) проложить волновод в противоположном направлении (для нечетных витков) и соединить их непрерывным отрезком волновода, отражающим направление волны, то такая катушка не будет давать эффекта Саньяка, т.к. при вращении эффект Саньяка в четных витках будет в точности компенсироваться обратным по величине эффектом в нечетных витках.

Для преодоления этого топологического препятствия возможен очевидный способ – переход на двухуровневый (двухслойный) волновод: однонаправленная катушка наматывается в одном слое, а второй выходной конец выводится через второй слой. Однако в настоящее время технология двухуровневых планарных волноводов в промышленном варианте не разработана из-за значительной ее сложности, в силу чего этот способ не рассматривается в нашей заявке.

Для достижения указанного технического результата в планарном гироскопе на кремниевой подложке, описанном в работе [5], содержащем кольцевую петлю интерферометра на планарно-полосковом волноводе, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного разветвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов разветвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник, осуществляют реализацию многовитковой катушки на планарно-полосковых волноводах, не пересекающихся друг с другом на плоскости единой подложки, при этом катушку реализуют в планарном варианте таким образом, что вокруг (или внутри) первичной планарной петли интерферометра располагают систему из нескольких концентрических волноводных колец, соединенных друг с другом и с первичной петлей Х-образными ответвителями с коэффициентом ответвления, как можно более близким к единице.

Таким образом, существенным признаком нашего изобретения является реализация многовитковой катушки на планарно-полосковых волноводах, не пересекающихся друг с другом на плоскости единой подложки, при этом катушку реализуют в планарном варианте таким образом, что вокруг (или внутри) первичной планарной петли интерферометра располагают систему из нескольких концентрических волноводных колец, соединенных друг с другом и с первичной петлей Х-образными волноводными ответвителями с коэффициентом ответвления, как можно более близким к единице.

Предлагаемый нами в настоящем изобретении способ реализации планарной однослойной катушки, изображен схематически на чертеже, где обозначено

1 – источник световой волны, например, СЛД – суперлюминисцентный диод;

2 – светоделитель интерферометра на 50%-ном Х-образном волноводном ответвителе (1/2 Х-ВО);

3 – первичное волноводное кольцо интерферометра Саньяка;

4 – волноводный оптический фазовый модулятор;

5 – фотоприемник интерферометра;

6-11 – полные Х-образные волноводные ответвители (1Х-ВО);

12 – внешнее N-е волноводное кольцо;

13 – край интегральной подложки (кремниевой пластины).

В данной конструкции все компоненты интерферометра Саньяка размещены во внутренней области первичной петли, а сама катушка – во внешней области. (Возможен также вариант размещения с интерферометром снаружи и катушкой внутри, но он менее компактный). Первичная петля связана со вторым волноводным кольцом с помощью 1Х-ВО (6) с максимально полным ответвлением, т.е. в идеальном случае с полной 100%-ной перекачкой. Таким образом, волна, идущая в первичном кольце в определенном направлении (например, по нижнему входу в петлю по часовой стрелке), перейдет в основном через 1Х-ВО (6) во второе кольцо. Если это кольцо внешнее (N=2), то есть катушка состоит всего из двух витков, то волна, сделав полный оборот во втором кольце, вернется в первичное кольцо в том же направлении, но уже через второй (верхний) вход и, пройдя модулятор (4), попадет на светоделитель интерферометра (2), а затем на фотоприемник (5).

Вторая волна, прошедшая через модулятор (4) и верхний вход петли, обойдя половину петли в обратном направлении и поступив через 1Х-ВО (6) во второе кольцо, обойдя против часовой стрелки, вернется через тот же светоделитель (6) в первичное кольцо и затем к светоделителю интерферометра (2) через нижний вход.

Далее, если ко второму волноводному кольцу добавить третье внешнее кольцо, которое связано с вторым кольцом с помощью 1Х-ВО (7), то волна из второго кольца будет сначала переходить в третье кольцо, а затем в том же направлении через 1Х-ВО (7) возвратится в второе кольцо, а затем через 1Х-ВО (6) возвратится в первичную петлю и далее через модулятор (4) и 1/2 Х-ВО (2) попадет на фотоприемник (5). Вторая волна, которая после разветвления на 1/2 Х-ВО пойдет через модулятор (4) по верхнему входу, проделает тот же путь в обратном направлении против часовой стрелки, вернется на фотоприемник (5). В результате такая волноводная система будет эквивалентна трехвитковой катушке с тем отличием, что на каждом 1Х-ВО будет происходить незначительное отражение. При этом основная часть волны будет приходить с максимальной задержкой _N=3₁, где ₁ – задержка на одном кольце, а отраженные сигналы с относительно малой амплитудой порядка 8 будут приходить с более короткими задержками 2₁ и ₁.

Описанным способом можно наращивать катушку, добавляя внешние кольца с 1Х-ВО до некоторого числа N витков, которое ограничивается погонными потерями на длине волновода L_N=Nl₁, где l₁ – средний периметр одного кольца, и накапливающимися потерями из-за не полного ответвления (отражения) r˜ на каждом 1Х-ВО. Практически коэффициент ответвления по амплитуде волны t может быть сделан очень близким к единице, т.е. t=1-, где <<1. Вследствие технологического разброса реально достижимое значение =2-3%. Известно, что коэффициент ответвления t и коэффициент отражения r связаны соотношением r²+t²=1 (если потери на ответвлении пренебрежимо малы), что обычно выполняется на связанных волноводах с малой кривизной изгиба, например, при длине Х-ВО l˜1 мм. Следовательно, коэффициент отражения, т.е. часть амплитуды не перешедшая из петли во внешнее кольцо, будет r˜<<1. Потери на ответвлениях легко оценить, учитывая, что результирующий коэффициент пропускания через 2N 1X-BO равен Т_N=2Nt=(1-)^2N, поскольку каждый 2N 1Х-ВО проходится волной дважды, в прямом и обратном направлениях. Например, если выбрать N˜1/, то T_N=(1-)^2/˜е^-2, то есть затухание будет около двух неперов или 8,6 дБ. В результате при =0,03 можно нарастить катушку до N=30, если допускают погонные потери.

Современная технология обеспечивает погонные потери порядка 0,01 дБ/см для германиевых (SiO₂:GeO) и оксинитридных (SiO₂:SiON) планарно-полосковых волноводов на кремниевой пластине. При l₁˜50 см (диаметр кольца D=150 мм) и N=30 общая длина катушки будет L_N˜1500 см, что приведет к затуханию около 15 дБ, а суммарное затухание составит ˜25 дБ. Считая, что мощность источника СЛД составляет И1 мВт, потери в 25 дБ – вполне допустимая величина, т.к. обычный ресурс фотоприемника по чувствительности составляет 40 дБ. При эквивалентной длине петли 15 м требуемая частота модуляции f_м=_g/2L_N, где _g – групповая скорость в волноводе, снижается до приемлемого уровня в 6,7 МГц.

На основании приведенной выше оценки чувствительности гиросенсора согласно формуле (1) для планарной катушки с N=30 витками получается град/час, что вполне приемлемо для датчиков ориентации среднего класса точности. Такие гироскопы имеют весьма большой спрос при условии умеренной стоимости (на порядок меньше, чем стоимость волоконно-оптических гироскопов) [3].

Литература

1. Шереметьев А.Г. «Волоконный оптический гироскоп». Издательство «Радио и связь», 1987 г.

2. Lefevre H. «The Fiber-Optic Gyroscope». Artech House, 1993.

3. Андронова И.А., Малыкин Г.Б. «Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка». УФН, т.172, N 8, стр.849-873, 2002.

4. Ю.Н.Коркишко, В.А.Федоров и др. «Высокоточный волоконно-оптический гироскоп с линейным цифровым выходом». Гироскопия и навигация, №1(44), стр.69-83, 2004.

5. Monovoukas C., Swiecki A., Maseeh F. «Integrated optical gyroscopes offering low cost, small sizw and vibration immunity». Proceeding of SPIE, Vol.3936 (2000), pp.293-300.

Формула изобретения

Интегрально-оптический гиросенсор (гироскоп) на основе интерферометра Саньяка, содержащий кольцевую петлю интерферометра на планарно-полосковом волноводе, которая подсоединяется своими концами к двум выходным концам Х-образного разветвителя (или двум Y-образным разветвителям), к одному из двух входных концов разветвителя подсоединяется источник световой волны (полупроводниковый светодиод или лазер), к другому входному концу подсоединяется фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью реализации многовитковой катушки на планарно-полосковых волноводах, не пересекающихся друг с другом на плоскости единой подложки, при этом катушку реализуют в планарном варианте таким образом, что вокруг (или внутри) первичной планарной петли интерферометра располагают систему из нескольких концентрических волноводных колец, соединенных друг с другом и с первичной петлей Х-образными ответвителями с коэффициентом ответвления, как можно более близким к единице.

РИСУНКИ