Волоконний оптичний гіроскоп

Введення волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком і вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість і кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефект Саньяка. Інтерес зарубіжних і вітчизняних фірм до оптичного гіроскопа базується на його потенційні можливості застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування і стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і тривісні гіростабілізований платформи. За даними зарубіжній пресі в майбутньому в США близько 50% всіх гіроскопів, що використовуються в системах навігації, керування і стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами. Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світловоду з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять: потенційно високу чутливість (точність) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град / год і менше; малі габарити і масу. Конструкції, завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах; невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні і відносну простоту технології; нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ на борту; великий динамічний діапазон вимірюваних кутових швидкостей (зокрема, наприклад, одним приладом можна вимірювати швидкість повороту від 1 град / год до 300 град / с ); відсутність обертових механічних елементів (роторів) і підшипників, що підвищує надійність і здешевлює їх виробництво; практично миттєву готовність до роботи, оскільки не витрачається час на розкручування ротора; нечутливість до великих лінійних прискорень і отже, працездатність в умовах високих механічних перевантажень; високу перешкодостійкість, низьку чутливість до потужних зовнішніх електромагнітних впливів завдяки діелектричної природі волокна; слабку схильність проникаючої гамма-нейтронної радіації, особливо в діапазоні 1,3 мкм. Волоконний оптичний гіроскоп може бути застосований як жорстко закріпленого на корпусі носія чутливого елемента (датчика) обертання в інерційних системах управління і стабілізації. Механічні гіроскопи мають так звані гіромеханіческіе помилки, які особливо сильно проявляються при маневруванні носія (літака, ракети, космічного апарату). Ці помилки ще більш значні якщо інерціальна система управління конструюється з жорстко закріпленими або "підвішеними" датчиками безпосередньо до тіла носія. Перспектива використання дешевого оптичного датчика обертання, який здатний працювати без гіромеханіческіх помилок в інерціальній системі управління, є ще одна причина особливого інтересу до оптичного гіроскопа. Поява ідеї і перших конструкцій волоконного оптичного гіроскопа тісно пов'язаний з розробкою кільцевого лазерного гіроскопа (КЛГ). У КЛГ чутливим контуром є кільцевої самопорушувані резонатор з активною газовим середовищем і відбивають дзеркалами, в той час як у ВОГ пасивний многовітковий діелектричний світлопровідні контур збуджується "зовнішнім" джерелом світлового випромінювання. Ці особливості визначають принаймні п'ять переваг ВОГ в порівнянні з КЛГ: У ВОГ відсутня синхронізація протилежно біжать типів коливань поблизу нульового значення кутової швидкості обертання, що дозволяє вимірювати дуже малі кутові швидкості, без необхідності конструювати складні в налаштуванні пристрої зміщення нульової точки; 2. Ефект Саньяка, на якому грунтується принцип роботи приладу, проявляється на кілька порядків сильніше через малих втрат в оптичному волокні і великої довжини волокна. 3. Конструкція ВОГ цілком виконується у вигляді твердого тіла (в перспективі повністю на інтегральних оптичних схемах), що полегшує експлуатацію та підвищує надійність в порівнянні з КЛГ. 4. ВОГ вимірює швидкість обертання, у той час як КЛГ фіксує збільшення швидкості. 5. Конфігурація ВОГ дозволяє "відчувати" реверс напрямку обертання. Ці властивості ВОГ, що дозволяють створити прості високоточні конструкції повністю на дешевих твердих інтегральних оптичних схемах при масовому виробництві привертають пильну увагу розробників систем управління. На думку ряду зарубіжних фірм, завдяки унікальним технічним можливостям ВОГ будуть інтенсивно розвиватися. Зарубіжні автори констатують, що розробка конструкції ВОГ і доведення його до серійних зразків не просте завдання. При розробці ВОГ вчені та інженери стикаються з низкою труднощів. Перша пов'язана з технологією виробництва елементів ВОГ. В даний час ще мало хорошого одномодового волокна, що зберігає напрямок поляризації; виробництво светоделителя, поляризаторів, фазових і частотних модуляторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем знаходиться на початковій стадії розвитку. Кількість розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів і фотодетекторів обмежена. Другу труднощі пов'язують з тим, що при удаваній простоті приладу і високої чутливості його до кутової швидкості обертання він в той же час надзвичайно чутливий до дуже малим зовнішнім і внутрішнім збурень і нестабільності, що призводить до паразитний дрейфу, тобто до погіршення точності приладу . До згаданих збурень відносяться температурні градієнти, акустичні шуми і вібрації, флуктуації електричних і магнітних полів, оптичні нелінійні ефекти флуктуації інтенсивності і поляризації випромінювання, дробові шуми в фотодетектор, теплові шуми в електронних ланцюгах і ін Фірмами і розробниками ВОГ обидві ці завдання вирішуються. Удосконалюється технологія виробництва елементів у ВОГ, теоретично й експериментально досліджуються фізична природа збурень і нестабільностей, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ з компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління. У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів поліпшення якісних характеристик ВОГ. Систематизація та узагальнення вузлових питань теорії та практики створення ВОГ також є важливим етапом. Завданням дипломної роботи є аналіз роботи ВОГ, узагальненої моделі шумів і нестабільностей і оцінка граничної (потенційної) чутливості приладу. На основі властивості взаємності необхідно розглянути мінімальну конфігурацію ВОГ. Потім оцінити сучасний стан елементної бази. При цьому значну увагу приділити властивостям волоконних світловодів і провести аналіз можливих неоднорідностей і втрат для різних типів волокон. Розглянути основні елементи ВОГ: волоконний контур, випромінювачі і фотодетектори, а також запропонувати способи компенсації шумів і нестабільностей ВОГ (таких, як зворотне релєєвськоє розсіювання, оптичний нелінійний ефект, температурні градієнти, магнітне поле та ін.) Основним завданням дипломної роботи є розгляд ключових аспектів теорії ВОГ на основі аналізу похибок його елементів і якісної оцінки точносних характеристик пристрою з урахуванням використання різних підходів до вирішення проблеми підвищення його чутливості. Необхідно також розглянути різні схемотехнічні методи зниження рівня шумів і нестабільностей ВОГ. Окремо відобразити техніко-економічні аспекти роботи, питання безпеки життєдіяльності при проведенні досліджень, а також проблеми екологічної безпеки при використанні приладу. 1. Принципи волоконно-оптичної гіроскопії 1.1. Основні характеристики ВОГ Оптичний гіроскоп відноситься до класу приладів, в яких у замкнутому оптичному контурі поширюються зустрічно біжать світлові промені. Принцип дії оптичного гіроскопа заснований на "вихровому" ефект Саньяка, відкритим цим ученим в 1913 р. [1]. Сутність вихрового ефекту полягає в наступному. Якщо в замкнутому оптичному контурі в протилежних напрямках поширюються два світлових променя, то при нерухомому контурі фазові набіги обох променів, які пройшли весь контур, будуть однаковими. При обертанні контуру навколо осі, нормальній до площини контуру, фазові набіги променів неоднакові, а різниця фаз променів пропорційна кутовий швидкості обертання контуру. Для пояснення вихрового ефекту Саньяка розроблені три теорії: кінематична, доплеровская і релятивістська. Найбільш проста з них - кінематична, найбільш сувора - релятивістська, заснована на загальній теорії відносності. Розглянемо вихровий ефект Саньяка в рамках кінематичної теорії. Залежно від конструкції замкнутого оптичного контуру розрізняють два типи оптичних гіроскопів. Перший тип, так званий кільцевої лазерний гіроскоп (КЛГ), в якому контур утворений активним середовищем (сумішшю газів гелію та неону) і відповідними дзеркалами, що утворюють замкнутий шлях (кільцевий лазер). Другий тип-волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ), в якому замкнутий контур утворений многовітковой котушкою оптичного волокна. Принципова схема ВОГ показана на рис. 1.3. 1.2. Принцип взаємності та реєстрація фази в ВОГ У типових експериментальних конструкціях гіроскопів використовується котушка з R = 100 мм при довжині волокна L = 500 м. Виявлення швидкості обертання в 1 град / год вимагає реєстрації фази з роздільною здатністю порядку 10-5 радий. Це показано на рис. 1.4., Де зображені значення фазового зсуву у функції кутової швидкості обертання контуру і величини LR при l = 0,63 мкм. Оптичні інтерференційні системи фазового реєстрації з такою чутливістю добре відомі, проте в гіроскопах існують деякі особливі моменти, пов'язані з реєстрацією фази. Перший пов'язаний з тим фактом, що часто гіроскоп працює з номінальною майже нульовою різницею ходу, і для малих змін у відносному значенні фази має місце пренебрежимо мале зміна інтенсивності на виході. Рис 1.4. Фаза Саньяка в кутовій швидкості обертання для різних значень параметра LR. Робота при зміщенні фази в 90 ° максимізує чутливість, проте це вносить деяку невзаємність для двох напрямків поширення променів у гіроскопі, тому що фаза променя, що поширюється за годинниковою стрілкою, відрізняється від фази променя, що поширюється проти годинникової стрілки, у відсутності обертання. Властивість взаємності - це другий важливий момент в ВОГ. Фазова невзаємність в ВОГ визначається диференціальної різницею фаз зустрічно біжать променів. Будь-яка фазова невзаємність (різниця фаз) для двох напрямків дає зміни в показаннях гіроскопа. Якщо невзаємність є функцією часу, то має місце певний часовий дрейф у свідченнях гіроскопа. Волокно завдовжки 500 м дає фазову затримку близько 1010 радий. Таким чином, для того щоб зареєструвати швидкість обертання 0,05 град / год, потрібно, щоб шляхи розповсюдження протилежно біжать променів узгоджувалися з відносною точністю до 10-17 радий. Слід, крім того, відзначити, що сам принцип дії волоконного оптичного гіроскопа заснований на невзаємними властивості поширення зустрічних хвиль під обертається системі відліку (поява різниці фазових набігів двох променів при обертанні). Тому безсумнівна важливість аналізу невзаємних ефектів і пристроїв у ВОГ (хоча і меншою мірою, хоча б для визначення точності приладу). Стосовно до ВОГ аналіз принципу взаємності зручно проводити для ланцюга з чотирма входами і виходами. Для оптичного хвилеводу чотири входи відповідають вводам випромінювання уздовж двох взаємно перпендикулярних напрямків поляризації на кожному кінці волокна. Відповідні входи і виходи визначаються вздовж ідентичних поляризаційних осей. Звідси випливає, що у разі введення випромінювання з вихідним напрямком поляризації Х світло, що виходить з ортогональним напрямком поляризації У, буде володіти різними набігами фази в кожному напрямку поширення, а світло, що виходить з вихідним напрямком поляризації X, буде мати однакові набігами фази для кожного напряму розповсюдження. У цьому частина вимог, що накладаються інтерпретацією теореми взаємності Лоренца, яка постулює, що у випадку лінійної системи оптичні шляху в точності взаємні, якщо дана вхідні просторова мода виявляється такий же на виході. Одним з параметрів просторової моди є поляризація; другий параметр також повинен бути визначений, наприклад просторовий розподіл (розташування) моди. Отже, на кінці контуру ВОГ повинні бути як поляризаційний фільтр (селектірующій вихідну поляризацію), так і просторовий фільтр, що буде задовольняти принципом взаємності Лоренца. Ці досить прості пристрої в конструкції ВОГ (за умови, що вони можуть бути реалізовані з достатньою точністю) будуть гарантувати умови взаємності в системі, але тільки в тому випадку, якщо виконується умова лінійності. Якщо ж нелінійності значні, то ВОГ буде володіти взаємністю в тому випадку, якщо є точна симетрія щодо середньої точки волоконного контуру. Ця умова передбачає, що енергія, що вводиться в кожен кінець контуру, однакова і що властивості волокна рівномірно розподілені (або принаймні симетричні). Потужність оптичного випромінювання, що вводиться в волокно, настільки мала (завжди менше ніж 1 ... 2 мВт), що, здавалося б, нелинейностями можна знехтувати. Однак чутливість ВОГ до невзаємність надзвичайно висока і нелінійні ефекти (зокрема, ефект Керра) призводять до помітним не взаємності, еквівалентним швидкості обертання вище 1 град / год. В оптичному волокні має місце обертання площини поляризації лінійно-поляризованого світла під дією зовнішнього магнітного поля (ефект Фарадея). Обертання Фарадея - це інше невзаємні ефект. У разі лінійно-поляризованого світла повне обертання залежить від лінійного інтеграла струму, взятого з оптичного шляху. У разі ВОГ цей інтеграл дорівнює нулю в магнітному полі Землі. Однак, більш ретельне вивчення взаємодії світла в волокні і магнітного поля вздовж волокна вказує на те, що справжнім джерелом обертання є індуковане круговий подвійне променезаломлення і що згаданий вище простий підхід виявляється корисним тільки в тому випадку, якщо обидві кругові компоненти поляризації (права і ліва) володіють однаковими амплітудами. Це справедливо тільки для випадку лінійно-поляризованого світла. При розповсюдженні світла в волокні мають місце всі можливі стану поляризації і відсоток перебування світла в кожному власному круговому поляризаційному стані Фарадеевского ротатора змінюється вздовж оптичного шляху випадковим чином. Це призводить у результаті до певної різниці фаз для двох напрямків поширення лінійно-поляризованої моди на виході. Таким чином, ВОГ вельми чутливий до магнітного поля Землі, і при конструюванні ВОГ для вимірювання швидкості обертання потрібно магнітне екранування (або забезпечення лінійної поляризації світла на всьому шляху у волокні). Припускаючи, що магнітне поле Землі одно 27 A * m2 і вважаючи, що компенсація поля відсутній на 5% довжини волокна, можна отримати значення відхилення фази, що еквівалентно швидкості обертання Землі. Вищевикладені моменти включали невзаємні ефекти, індуковані у волокні, а проте, вже навіть перші етапи при конструюванні ВОГ з точки зору збереження взаємності в системі реєстрації повинні полягати в тому, щоб забезпечити однакову довжину оптичних шляхів у ВОГ. З рис. 1.3. видно, що ця конфігурація не має властивість взаємності, так як пучок світла, що поширюється за годинниковою стрілкою, проходить через дільник світла двічі, а пучок світла, що поширюється проти годинникової стрілки, відбивається від светоделителя двічі. Але в той же час взаємний оптичний вихідний шлях від чутливого контуру йде в напрямку назад до джерела (від светоделителя до діода), тобто вздовж вхідного оптичного шляху. Отже, домогтися взаємності в системі реєстрації можна, якщо помістити другий расщепитель пучка вздовж входногo оптичного шляху (мал. 1.5.). Діапазон швидкостей обертання, які вимірюються високочутливим гіроскопом інерціальних систем управління, простирається від 0,1 град / год до 400 град / ч. При LR = 100 м цим значенням швидкості відповідає діапазон зміни фази від 10 до 10 рад (рис.1.4.). Рис 1.5. Схема ВОГ з постійним зсувом різниці фаз. До теперішнього часу вже витрачено значні зусилля на збільшення чутливості приладу до низьких швидкостей, і в той же час дуже мало уваги приділяється проблемам, пов'язаним зі збільшенням необхідного динамічного діапазону. Як вже зазначалося, у разі необхідності вимірювання великих змін інтенсивності для даної зміни фази потрібно внести фазовий зсув p / 2, тобто інтерферометр повинен працювати в режимі квадратури. У цьому режимі зв'язок між змінами інтенсивності і змінами фази є лінійною (до 1%) тільки до максимальних відхилень фази в 0,1 радий. Компенсація нелінійності може бути здійснена в самій системі реєстрації, проте лише до максимального відхилення фази порядку 1 рад. Існує ряд способів реєстрації фази, які можуть бути використані при конструюванні ВОГ. Найбільш поширені схеми, де використовується статична різниця фаз в 90 ° між двома променями і схеми зі змінною різницею фаз в 90 °. Статична навзамін різниця фаз між променями, що поширюються за годинниковою і проти годинникової стрілки, може створюватися, наприклад, за допомогою елемента Фарадея, що розміщується на одному кінці волоконного контуру (рис. 1.5.). Зміни реєстрованої інтенсивності на взаємній виході відповідають змінам у значенні відносної фази для двох променів, оббігали контур. Цей спосіб має ряд недоліків. Невеликі зміни в інтенсивності випромінювання джерела еквівалентні паразитним змін фази, а зміни у зміщенні на 90 ° також перетворюються на еквівалентну зчитується швидкість обертання. Грунтуючись на принципах зсуву фази можна запропонувати інший принцип реєстрації володіє вищою чутливістю. 1.3. Модель шумів і нестабільностей в ВОГ. Волоконний оптичний гіроскоп являє собою досить складну оптико-електронну систему. При конструюванні реального приладу оптичні елементи та електронні пристрої повинні вибиратися і компонуватися так, щоб мінімізувати вплив зовнішніх збурень (температурних градієнтів, механічних і акустичних вібрацій, магнітних полів та ін.) У самому приладі, крім того, має місце ряд внутрішніх джерел шумів і нестабільностей. Умовно ці шуми і нестабільності можна розділити на швидкі і повільні обурення. Швидкі обурення надають випадкове короткочасне усереднене вплив (секунди) на чутливість ВОГ; вони чітко виявляються при нульовій швидкості обертання (короткочасний шум). Повільні обурення викликають повільний дрейф сигналу, що призводить до довготривалих відходу у зчитуванні показань ВОГ (довгостроковий дрейф). Узагальнена модель джерел шумів і нестабільностей в ВОГ показана на рис. 1.6. Рис 1.6. Узагальнена модель шумів і нестабільностей в ВОГ. Якщо виключити вплив усіх джерел шумів і нестабільностей в ВОГ, що, звичайно можливо лише в принципі, то завжди залишаються принципово непереборні шуми - так звані квантові або фотонні шуми; їх називають також дробовими шумами. Ці шуми з'являються лише в присутності корисного оптичного сигналу на вході фотодетектора та обумовлені випадковим розподілом швидкості приходу фотонів на фотодетектор, що призводить до випадкових флуктуацій струму фотодетектора. У цьому випадку чутливість (точність) ВОГ обмежується лише дробовими (фотонними) шумами. Чутливість (точність) ВОГ, обумовлена ​​дробовими (фотонними) шумами, як і всяких інших оптичних інформаційно-вимірювальних систем, є фундаментальним межею чутливості (точності) приладу. Фотонні шуми є наслідком квантової природи світлового випромінювання. Стосовно до оптичних систем передачі інформації гранична завадостійкість цих систем, обумовлена ​​фотонними шумами, була обчислена в [2]. Дотримуючись робіт [1,2], проведемо оцінку фундаментального межі чутливість (точності) ВОГ. Рівень фотонних шумів залежить від інтенсивності оптичного випромінювання, що падає на фотодетектор, і визначається флуктуаціями інтенсивності оптичного випромінювання. Оцінка межі чутливості, зумовленої дробовим шумом, може змінитися під впливом дії ряду факторів. Першим є квантова ефективність фотодетектора, зменшення якої призводить до зменшення відносини сигнал-шум. Інший фактор полягає в тому, що відповідним чином зважена середня потужність, яка потрапляє на фотодетектор, визначає рівень дробового (фотонного) шуму, і вона може бути менше, ніж максимальна потужність. Однак не завжди ясно, як проводити процедуру зважування. Між оцінкою і досягається межею дробового шуму може бути різниця приблизно в 2 рази. Існують також інші більш слабкі розбіжності, зумовлені особливостями процесу детектування. Короткочасна чутливість ВОГ, що наближається до зазначеного квантовому межі, була відзначена в роботах [1,2]. Подібна чутливість може бути досягнута при ретельному зменшенні всіх видів інших шумів до дуже низького рівня. Наприклад, тепловий шум підсилювача можна зменшити, якщо відповідним чином вибрати опір навантаження фотодіода; крім того, можна використовувати підсилювач з низьким коефіцієнтом шуму; зараз вже досягнутий коефіцієнт шуму менше 1 дБ. Іншого виду шуми і нестабільності в ВОГ можна зменшити або компенсувати способами, розглянутими в гол. 3. Розглянемо узагальнену модель шумів і нестабільностей ВОГ. Дамо коротку характеристику основних збурень реального ВОГ. Одним з головних джерел шуму в системі ВОГ є зворотне релєєвськоє розсіювання у волокні, а в деяких системах ще і відбиття від дискретних оптичних елементів, які використовуються для введення випромінювання в систему. Фізично ці шуми з'являються з-за розсіювання світлового випромінювання прямого променя на мікрочастинках і неоднорідностях середовища поширення. Шуми, пов'язані із зворотним розсіюванням і відображенням, можуть містити два компоненти: когерентного та некогерентного. Некогерентних складова збільшує загальний рівень хаотичної світлової потужності на детекторі, це джерело додаткових дробових шумів. Некогерентних складова не інтерферує з сигналом, пов'язаних з вимірюваною швидкістю обертання. Рівень додаткового вкладу в дробовий шум обчислювався, і у всіх практичних ситуаціях величина його не більше 1 дБ [3]. Когерентна складова зворотного розсіювання і шуми відображення підсумовуються векторно з протилежно біжать променями; це призводить до виникнення помилки в різниці фаз між двома променями, що залежить від фази шумового сигналу. Наприклад, як відзначається в роботі [3], френелевское відбиття від граничної поверхні скло-повітря становить близько 4% за інтенсивністю. В найгірших умовах ця компонента може скластися когерентно з основним променем і дати зміна фази більш ніж 10-1 радий, що еквівалентно швидкості обертання близько 10 град / с. Помилку за рахунок когерентного відображення можна виключити, якщо використовувати в ВОГ джерело випромінювання з довжиною когерентності багато менше, ніж довжина волоконного контуру. Тоді шум пов'язаний з відображенням на кінці волокна, підсумовується некогерентно з корисним сигналом. Шум, пов'язаний з когерентним зворотним Релеєвське розсіювання, може бути зменшений подібним же чином, тобто за допомогою використання джерела випромінювання з найбільш короткою довжиною когерентності. Проте завжди є якийсь відрізок волокна, розташований приблизно в середині контуру, довжина якого дорівнює довжині когерентності джерела, і саме цю ділянку волокна дає когерентну складову зворотного розсіювання. Оцінка величини цього шуму може бути зроблена на основі простої моделі, в якій передбачається, що втрати у волокні мають місце завдяки рівномірному розсіювання на крихітних неоднорідностях у сердечнику волокна (релєєвськоє розсіювання). Якщо волокно має втратами 10 дБ / км, то в одному метрі розсіюється 0,1% падаючої енергії, зворотно розсіюється частка розсіяної енергії, що дорівнює квадрату числової апертури волокна. Таким чином, у даному одному метрі волокна енергія порядку 10-5 від падаючої розсіюється назад до джерела світла. Якщо розглядати середину контуру і якщо повне згасання в контурі дорівнює 10 дБ, то центральна частина контуру (довжиною в один метр) дає відхилення в одну мільйонну частину по потужності (10-6) по відношенню до прийнятої потужності в пристрої порівняння фаз, що призводить до помилку при оцінці фази, що дорівнює 10-3 рад (якщо зворотне розсіювання когерентно). Тоді еквівалентна помилка при оцінці швидкості обертання становить величину близько 150 град / год (див. рис. 1.5). Ефективна помилка, пов'язана з оцінкою швидкості обертання, пропорційна квадратному кореню з довжини когерентності випромінювання джерела. З огляду на це, в роботі [3] показано, що для виявлення добового обертання Землі ефективна максимальна довжина когерентності дорівнює 0,1 мм; для реєстрації обертання зі швидкістю 0,1 град / год довжина когерентності становить величину порядку декількох мікрометрів. Ряд дослідників використовують модулятори випадкової фази, що розміщуються в середині контуру для того, щоб "декогеріровать" (декорреліровать) шум зворотного розсіювання. Властивість взаємності ВОГ може порушуватися під впливом змін зовнішньої температури. Температурні градієнти, що змінюються в часі у волоконному контурі, призводять до появи сигналу, еквівалентного не яким значенням швидкості обертання. Аналіз для гіршого випадку вказує на необхідність жорсткої температурної стабілізації контуру, однак обмеження можуть бути зняті в значній мірі, якщо зробити намотування котушки симетричною. Відхилення від властивості взаємності мають місце лише під час зміни температурного градієнта і не мають місця, якщо температура всього контуру змінюється однорідний. Вплив температурного градієнта, що має місце між двома стабільними розподілами температур, викликає помилку в зчитуванні кутовий швидкості протягом температурних змін. Площа витка є функцією температури і матеріалу котушки, на яку намотується контур. Досить імовірно, що для приладу високої точності потрібні стабілізація температури. Можливо буде потрібно вносити температурну корекцію в процесі обробки сигналу. Слід також зауважити, що температурні коефіцієнти розширення волокна та котушки для намотування повинні бути добре узгоджені з тим, щоб мінімізувати викликані змінами температури втрати на микроизгибов у волокні. Вони мають місце в тому випадку, коли волокно знаходиться під механічною напругою, і можуть складати величину більше 10 дБ / км. Джерелом шумів у ВОГ, погіршують чутливість приладу, є флуктуації випромінювання оптичного джерела (лазерного діода, світлодіода або суперлюмінесцентного діода). Цей шум проявляється у флуктуаціях вимірюваного вихідного сигналу. Випромінювання джерела ВОГ може змінюватися як за інтенсивністю, так і по довжині хвилі генерується світлового потоку. Шум, пов'язаний зі зміною інтенсивності випромінювання, збільшує загальний рівень дробових шумів, він може бути викликаний або флуктуаціями струму зміщення, який додається до джерела, або внутрішніми флуктуаціями в самому джерелі. У разі напівпровідникових лазерних джерел шум, пов'язаний зі змінами інтенсивності, додає один або два децибела в загальний рівень дробових шумів. При проектуванні ВОГ спектр подібного шуму необхідно, звичайно, знати; відомо, що у разі напівпровідникових лазерів цей спектр дуже складний. Слід, однак, зауважити, що в багатьох схемах реєстрації, використовуваних в ВОГ, оптична фаза перетворюється в інтенсивність допомогою інтерферометричний процесу. На виході електронного пристрої зчитують значення оптичної інтенсивності, еквівалентні фазі. Нестабільність в інтенсивності випромінювання оптичного джерела (навіть, якщо довжина хвилі випромінювання залишається постійною) призводить до нестабільності в значеннях фази. Гетеродинні системи, а також системи реєстрації із зверненням фази в нуль стійкі по відношенню до нестабільності такого типу. Відомо, що в напівпровідників джерел з часом з'являється нестабільність інтенсивності випромінювання, викликана старінням, однак цей ефект може бути скомпенсований, якщо вимірювати повну інтенсивність, від задньої грані джерела і регулювати відповідним чином струм зміщення. Неясно, наскільки ефективною є ця процедура, тому що зміни в струмі зміщення викличуть відповідні зміни температури лазера, а це призведе до відповідних змін у довжині хвилі випромінювання на виході, тим самим впливаючи на, масштабний коефіцієнт. Як вже зазначалося, стабільність довжини хвилі випромінювання джерела випромінювання ВОГ безпосередньо впливає на масштабний коефіцієнт приладу. Лазери з термічної стабілізацією можуть бути досить стабільні, хоча зміни в довжині хвилі випромінювання в залежності від старіння струму накачування і температури тепловідведення повинні бути включені в специфікацію при їх призначенні для ВОГ; це дозволить вибрати діоди з відповідними характеристиками. Слід, однак, зауважити, що шуми, пов'язані зі зміною довжини хвилі випромінювання джерела ВОГ, незначні в більшості систем реєстрації фази. Вони фактично декорреліруют за частотою зворотне релєєвськоє розсіювання випромінювання. Наприклад, відомі системи ВОГ, де випромінювання гелій-неонового лазера спеціально модулюється за частотою з тим, щоб декорреліровать назад розсіяне випромінювання. Розглянемо тепер шуми, що з'являються в ВОГ через нелінійного характеру взаємодії випромінювання з середовищем, в якій воно поширюється. Незважаючи на дуже низькі рівні випромінювання, що поширюється в ВОГ нелінійні ефекти можуть бути дуже значними, якщо врахувати, звичайно, що ВОГ дуже чутливий до фазових невзаємність в контурі. Нелінійний електрооптичний ефект носить назву ефекту Керра і полягає у зміні фазового набігу світлової хвилі, що розповсюджується в середовищі, під дією інтенсивності випромінювання (тобто фаза змінюється в залежності від квадрата амплітуди випромінювання). При дослідженнях ВОГ було відмічено, що ефект Керра вносить значний внесок у паразитний дрейф приладу. Розглянемо для повноти моделі шумів і нестабільностей найбільш важливі аспекти впливу ефекту Керра на чутливість ВОГ. Фазова постійна поширення для хвилі, що біжить за годинниковою стрілкою, пропорційна сумі інтенсивності прямої хвилі і подвоєною інтенсивності зворотної хвилі. Те ж справедливо для хвилі, що біжить проти годинникової стрілки в контурі. Отже вклади в нелінійність визначаються як хвилею, распрестраняющейся за годинниковою стрілкою, так і хвилею, що поширюється проти годинникової стрілки. Якщо інтенсивності зустрічно біжучих хвиль різні, а це може бути при температурних змінах светоделителя пучків, відгалужувачів і т. д., то фазові постійні поширення для протилежно біжучих хвиль змінюються різним чином. У наявності фазова невзаємність контуру ВОГ, що призводить до відповідного дрейфу приладу. Для компенсації паразитного дрейфу може бути запропонований спосіб спеціальній модуляції випромінювання джерела. Сутність способу полягає в тому, що випромінювач працює в режимі з 50%-ним випромінювальною циклом, що дозволяє вирівняти загальні інтенсивності зустрічно біжучих хвиль. Для забезпечення гарної чутливості ВОГ до вимірювання обертання, зміни в коефіцієнті розподілу енергії в расщепителе пучка повинні витримуватися з точністю до 10-4. Самокомпенсацією впливу ефекту Керра можна також реалізувати вибором джерела випромінювання ВОГ з відповідними спектральними та статистичними характеристиками. Як відомо, гауссовский джерело шумового поля, маючи гауссовой розподіл амплітуди, володіє релєєвськоє розподілом обвідної або експоненціальним розподілом інтенсивності. При механічному недосконалість конструкції ВОГ серйозним джерелом шумів можуть бути акустичні поля, механічні вібрації і прискорення. Для повноти статистичної моделі збурень ВОГ слід хоча б згадати про такі збурення, як шум типу (низькочастотний шум фотодетектора), спонтанні та стимульовані шуми лазерного джерела випромінювання, мультиплікативні, шуми ЛФД, розсіювання Брілюена (розсіяння на фононах - акустичних утвореннях у середовищі), розсіяння Мі (розсіяння на великих неоднорідностях у середовищі). Проте, практично, рівень інтенсивності цих шумів невисокий. Таким чином, ми розглянули узагальнену модель джерел шумів і нестабільностей ВОГ. У залежності від варіанта конструкції ВОГ ті чи інші джерела шумів і нестабільностей можуть відігравати велику або меншу роль. Основними джерелами є шуми зворотного релєєвського розсіювання, нелінійний електрооптичний ефект, температурні градієнти, зовнішнє магнітне поле, а також нестабільність інтенсивності і довжини хвилі джерела випромінювання. Принципово непереборним шумом є дробові (фотонний) шум корисного сигналу, який з'являється в системі реєстрації і визначальний фундаментальний межа чутливості (точності) ВОГ. Аналіз властивості взаємності і узагальненої моделі шумів і нестабільностей ВОГ дозволяє розглянути схему так званої мінімальної конфігурації ВОГ. Така конфігурація повинна включати той мінімальний набір елементів, які дозволять створити працездатний прилад досить високої чутливості. Оскільки основні особливості роботи ВОГ тісно пов'язані з властивістю взаємності, а крім того, навіть невеликі відхилення взаємності можуть призвести до похибок у свідченнях швидкості обертання і до ефектів довготривалого дрейфу - вибір мінімальної конфігурації ВОГ повинен бути заснований на цьому ключовому моменті - властивості взаємності. Варіант мінімальної конфігурації при веден на рис. 1.7. Випромінювання джерела за допомогою пристрою введення випромінювання (можлива лінзова, імерсійна, торцева та інші системи) вводиться у волоконний світловод. Ефективність введення випромінювання в одномодове волокно залежить від ступеня просторової когерентності випромінювання джерела. Чим більше просторова когерентність випромінювання, тим менше втрати при введенні випромінювання в волокно. Розрахунок та експерименти наведені в [2] показали, що для зменшення впливу зворотного релєєвського розсіювання та ефекту Керра випромінювач повинен мати малу довжиною часової когерентності. На практиці в якості випромінювачів використовують світлодіоди (СД), лазерні діоди (ЛД) і суперлюмінісцентние діоди (СЛД). Останні два типи випромінювачів мають достатньо високий ступінь просторової когерентності; ЦД має найменшу тимчасову когерентність. Модовий фільтр зазвичай складається з відрізка одномодового волокна (просторовий фільтр) і поляризатора. Мабуть, доцільно просторовий фільтр виконати з одномодового волокна, що зберігає поляризацію. Рис 1.7. Мінімальна конфігурація ВОГ. Застосування модового фільтра буде сприяти виконанню основних умов властивості взаємності Лоренца, тим самим зменшуючи дрейф ВОГ. Стабільний Модовий фільтр буде ефективний, якщо середовище між входом і виходом волоконного контуру буде зберігатися лінійної і незмінною в часі. Необхідний точний контроль поляризації випромінювання на вході і виході контуру. Якість поляризатора залежить від ступеня режекциі поляризатором променів з ортогональною поляризацією. У гіршому разі, коли на кожен напрямок поляризації доводиться випромінювання рівної інтенсивності, небажаний сигнал знаходиться у квадратурі по фазі з корисним сигналом; саме в цьому випадку має місце максимальна фазова помилка. Як повідомляється в [3], для поляризатора з режекция небажаної поляризації в 70 дБ фазовий відхилення в системі реєстрації складає величину близько 10-4 радий, що еквівалентно догляду гіроскопа близько 20 град / год Однак відхід можна зменшити на один-два порядки навіть і з використанням згаданого поляризатора, якщо поляризації випромінювань на вході і виході будуть збігатися з віссю поляризатора з точністю до 1 °. Таким чином, питання стабільності поляризації випромінювання в ВОГ має вельми серйозне значення. Експериментальна конструкція ВОГ, розглянута в [3], була виконана повністю на одномодовом волокні зі стійкою поляризацією і продемонструвала високу чутливість. Зберегти стійкою поляризацію в контурі можна, мабуть, і при використанні звичайного одномодового волокна, але намотування останнього треба виробляти на котушку певного радіусу і з певним механічним напруженням, оскільки сам факт намотування волокна на котушку призводить до селекції та збереження поляризаційних властивостей в системі. Для поліпшення ступеня режекциі небажаної поляризації можливе також використання двох або більшої кількості поляризаторів. Слід, однак, згадати, що повна деполяризація випромінювання в ВОГ дає іноді досить гарні результати. Просторовий фільтр, наявний між відгалужувачі P1 і P2, повинен володіти просторової характеристикою, перекривається з модової структурою на вході і виході волоконного контуру. Крім того, він повинен зберігати стабільне просторове співвідношення з торцями волокна; модовая структура в волок не на вході і виході контуру повинна бути ідентичною. Оскільки в ВОГ, як правило, використовується одномодове волокно, ослаблення просторовим фільтром мод більш високого порядку не викликає труднощів. При застосуванні в ВОГ звичайного одномодового волокна (не зберігає поляризацію) всередину контура поміщають поляризаційне пристрій ПУ, яке додатково селектірует і контролює поляризацію в контурі, тим самим стабілізуючи оптичну потужність моди, що виділяється модових фільтром. На схемі мінімальної конфігурації ВОГ (ріс.1.7.) Показані модулятори М, які при необхідності можуть бути включені в різні точки оптичного гіроскопа. Як правило - це частотні і фазові модулятори, призначення яких полягає в перенесенні фази Саньяка на сигнал змінної частоти або в частотній компенсації цієї фази - з тим, щоб вимірювання кутової швидкості проводити на змінному сигналі. Крім того, модуляцією можна зменшити шуми зворотного релєєвського розсіювання. Як фотодетектора в практиці конструювання ВОГ застосовують фотодіоди (ФД), р - i - n-фотодіоди та лавинні фотодіоди (ЛФД). Потужність лазерного джерела достатня висока з тим, щоб можна було використовувати р - i - n-фотодіоди; однак при застосуванні СЛД можуть знадобитися лавинні фотодіоди з внутрішнім множенням. У останньому випадку з'являється додаткове джерело шумів - випадкові флуктуації коефіцієнта лавинного множення. Вплив елементів ВОГ на точності системи 2.1. Характеристики джерел випромінювання для ВОГ. При конструюванні волоконних оптичних гіроскопів, як правило, в якості випромінювачів використовують напівпровідникові лазери (лазерні діоди ЛД), світлодіоди (СД) і суперлюмінесцентние діоди (СЛД). У ряді експериментальних установок ВОГ, проте, застосовують також гелій-неонові оптичні квантові генератори. Їх використання пояснюється, мабуть, традиційним думкою про те, що в оптиці при вимірюванні фазових співвідношень переважні висококогерентние джерела випромінювань. При використанні гелій-неонових ОКГ його випромінювання можна "декогеріровать" частотною модуляцією, що зменшить вплив зворотного когерентного релєєвського розсіювання, що вносить помилку при вимірюванні кутової швидкості обертання. Більше того, для компенсації ефекту Керра, також вносить помилку, можна застосовувати широкосмугові джерела, що наближаються за своїм спектральним властивостям до теплових джерел. Крім того, специфіка конструкції ВОГ пред'являє додаткові вимоги до джерел випромінювання. До них відносять: відповідність довжини хвилі випромінювання номінальної довжині хвилі світловода, де втрати мінімальні; забезпечення достатньо високої ефективності введення випромінювання в світловод; можливість роботи джерела випромінювання в безперервному режимі без охолодження; досить високий рівень вихідної потужності випромінювача; довговічність, відтворюваність характеристик, жорсткість конструкції , а також мінімальні габарити, маса, споживана потужність і вартість. Найбільш повно цим умовам відповідають напівпровідникові випромінювачі - ЛД, СД і СЛД. Розглянемо деякі характеристики випромінювачів. Можливість використання напівпровідникових інжекційних лазерів в якості джерела випромінювання в ВОГ привертає дослідників і конструкторів насамперед їх малими габаритами і масою, високим ККД, прямий струмового накачуванням, твердотільної конструкцією і низькою вартістю. Крім того, вводячи різні домішки, можна перекривати необхідний діапазон довжин хвиль. В даний час створена велика кількість типів напівпровідникових інжекційних лазерів або лазерних діодів (ЛД) на різних матеріалах. Принцип генерації випромінювання ЛД має ряд істотних відмінностей від принципу генерації лазерів інших типів, що насамперед пов'язано з особливостями їхньої енергетичної структури. Розглянемо у загальних рисах технічні параметри ЛД, що дозволить нам оцінити можливість використання тих чи інших структур у волоконно-оптичних гіроскопах з урахуванням вимог накладаються на них. У беспримесном напівпровіднику розрізняють такі енергетичні зони: валентну, заборонену і зону провідності. У реальному напівпровіднику потрібно враховувати наявність домішок. Домішки є причиною виникнення додаткових енергетичних рівнів. Донорні домішки створюють рівні поблизу зони провідності, а самі частинки домішки, іонізуючи, додають в збуджену зону (зону провідності) надлишкові електрони. Акцепторні домішки мають рівні поблизу валентної зони. Ці домішки захоплюють електрони з валентної зони, утворюючи в ній надмірна кількість дірок. Число електронів у зоні провідності істотно перевищує число дірок у валентній зоні (це характерно для напівпровідника n-типу, для напівпровідника р-типу навпаки). При з'єднанні напівпровідників різних типів провідності на межі їх розділу утворюється р-n-перехід. Характер розподілу електронів по можливих енергетичних станів в напівпровіднику залежить від концентрації легуючої домішки і температури. Для того щоб створити в напівпровіднику умови генерації індукованого випромінювання, потрібно порушити рівноважний розподіл по енергетичним рівням, тобто перерозподілити їх так, щоб на більш високих рівнях виявилося більше електронів, ніж на нижніх. У напівпровідникових матеріалах можливі різні переходи, електронів, такі як "зона-зона", "зона-домішка", і переходи між рівнями домішки. Перехід електрона на більш високі енергетичні рівні супроводжується поглинанням енергії ззовні. При переході на більш низькі рівні енергія виділяється. При цьому виділяється енергія випромінюється у вигляді електромагнітних коливань, або витрачається на нагрівання кристалічної решітки. Для переходу "зона-зона" інверсія населеності енергетичних рівнів має місце, якщо число електронів в зоні провідності більше, ніж у валентній зоні. Інверсію населеності в напівпровідникових матеріалах можна реалізувати лише шляхом створення нерівноважної концентрації електронів і дірок. Основним способом створення інверсної населеності в напівпровідниках є спосіб інжекції через р. - п-перехід нерівноважних носіїв струму. Така інжекція реалізується подачею електричного зміщення на р-п-перехід у позитивному напрямку. Тоді потенціал на межі розділу напівпровідників знижується і через перехід починає протікати струм основних носіїв дірок з р-області і електронів з n-області. Зона з інверсної населеністю виникає поблизу р - n-переходу. При переходах електронів із зони провідності у валентну зону виникає індуковане випромінювання, тобто процес індукованого переходу супроводжується випромінювальної рекомбінацією електронів і дірок в р - n-переході. При випромінювальної рекомбінації виділяється надлишкова енергія у вигляді світлового кванта. Ефект лазерної генерації світла в напівпровідникових структурах можливий лише за наявності позитивного зворотного зв'язку по світловому випромінюванню; при цьому посилення повинно компенсувати оптичні втрати. Позитивний зворотний зв'язок здійснює оптичний резонатор Фабрі - Перо, утворений відбивають плоскопараллельних гранями кристала, перпендикулярними площині р - n-переходу. Відбивні поверхні створюються шляхом полірування двох протилежних граней кристала або шляхом сколювання на кристалографічних площинах. Коефіцієнт відображення цих поверхонь становить приблизно 0,3. Однак навіть при невеликій довжині активної речовини (десяті частки міліметра) такий коефіцієнт відбиття достатній для лазерної генерації завдяки найбільшого коефіцієнта посилення активного середовища. В даний час ефект вимушеної генерації отриманий на багатьох напівпровідникових матеріалах; майже перекритий діапазон генерації від 0,33 до 31 мкм. Одна з ранніх конструкцій інжекційного напівпровідникового лазера була створена на матеріалі GaAs. У лазерному діоді нижня пластина складається з GaAs з домішкою телуру і має провідність n-типу. Верхня пластина складається з GaAs з домішкою цинку і має провідність р-типу. Кожна пластина має контакт для з'єднання з джерелом живлення. Геометричні розміри р - n-переходу складають соті частки міліметра, товщина області, в якій створюється випромінювання, 0,15 ... 0,2 мкм. Торцеві відполіровані грані утворюють резонатор. Випромінювач такого типу працює в імпульсному режимі при досить глибокому охолодженні (77 К). Для GaAs-лазерів з простим р - n-переходом порогові густини струму при кімнатній температурі складають значення> 105 А/см2. У такому режимі напівпровідниковий лазер нагрівається настільки сильно, що без гарного тепловідведення тривала експлуатація його іевозможія. Тому без охолодження такі GaAs-лазери працюють тільки в імпульсному режимі. Тривала експлуатація випромінювача при кімнатній температурі (що важливо для ВОГ) можлива лише при зменшенні граничної щільності струму приблизно до 103 А/см2. Вимогам низьких порогових густин струму і можливості тривалої роботи при кімнатній температурі відповідають напівпровідникові лазери на подвійних гетероструктурах AIGaAs / GaAs. Вони володіють ще цілим рядом переваг, особливо важливих при конструюванні ВОГ. У лазерах на структурах з подвійними гетеропереходу зменшується товщина активної області рекомбінації, забезпечується утримання носіїв і випромінювання у вузькій області поблизу р - n-переходу. Це дозволяє підвищити ККД і створювати лазери із заданою діаграмою спрямованості випромінювання. У режимі індукованої генерації в подвійній гетероструктурі загасання основної хвилі дуже мало, оскільки структура утворює діелектричний хвилевід. При конструюванні ВОГ в якості випромінювача, що з'єднується з волоконним світловодом, застосовують напівпровідникові лазери з Полоскова геометрією контакту на подвійних гетероструктурах. У таких конструкціях лазерне випромінювання виходить з малої області, що забезпечує хороші умови введення випромінювання в світловоди з низькою числовою апертурою. З-за невеликих розмірів активної області лазер має малі пороговими і робочими струмами при достатній вихідний потужності, що забезпечує тривалу роботу в безперервному режимі при кімнатній температурі. При малому розмірі активної області простіше отримати площа, вільну від дефектів, що важливо для підвищення ефективності лазера. Типові параметри напівпровідникових лазерів з подвійною гетероструктурою, генеруючих в області 0.8 - 0.9 мкм, наступні: ширина лінії генерації 0.2 - 5 нм, розміри випромінюючої області 0.5 ... 30 мкм2, середня кутова расходимость випромінювання 5 ... 30 ° (в площині, паралельної р - n-переходу) і 30 ... 60 ° (в площині, перпендикулярної р - n-переходу), вихідна потужність 1 ... 10 мВт, пороговий струм 20 ... 200 мА, середня довговічність 105 ч. Сучасний стан технології виготовлення кварцових оптичних світловодів дозволило створити світловоди, що мають мінімум втрат і дисперсії в діапазоні довжин хвиль 1,1 ... 1,7 мкм. Цей діапазон рекомендується використовувати також і розробникам ВОГ. Ці потреби стимулювали розробку напівпровідникових лазерів на даний діапазон довжин хвиль. Напівпровідниковим матеріалом послужили потрійні і четверні з'єднання. Були створені напівпровідникові лазери на гетероструктурі GalnAsP / lnP, що випромінюють на довжинах волі 1,3 і 1,6 мкм. З'явилися повідомлення про створення лазерів з гетероструктурами на основі сполук AIGaAsSb / GaAsSb, генеруючих на довжинах хвиль 1,3 мкм і 1,5 ... 1,6 мкм. При цьому конструкції і параметри цих лазерів аналогічні конструкціям лазерів на AIGaAs. Світлодіоди (СД) генерують некогерентного випромінювання, оскільки в них випромінювальна рекомбінація носить чисто спонтанний характер. Спектральний розподіл лінії випромінювання випромінювальної рекомбінації принаймні на порядок ширше лінії випромінювання лазерних діодів. Широкий спектр випромінювання СД дуже сприятливий для ВОГ, оскільки, за рахунок малої довжини когерентності дозволяє компенсувати вплив ефекту Керра і зворотного релєєвського розсіювання. Коефіцієнт введення випромінювання світлодіодів в світловоди з низькою числовою апертурою значно менше, ніж для лазерних діодів. Однак СД простіше в конструктивному виконанні і має меншу температурної залежністю потужності випромінювання. Так, зокрема, вихідна потужність СД з подвійним гетеропереходів зменшується лише в два рази при збільшенні температури діода від кімнатної до 100 ° С. Порушення СД забезпечується інжекцією носіїв через р. - n-перехід. Як і звичайний напівпровідниковий лазер, простий СД містить один р - n-перехід у прямозонних напівпровіднику, лише частина інжектованих електронів рекомбінують випромінювальної. Решта губляться на безвипромінювальної рекомбінаціях. Зменшити рекомбінаційні та оптичні втрати СД можна, якщо виконати прилад з гетеропереходу або навіть на подвійних гетероструктурах. СД з подвійним гетеропереходів, розроблений спеціально для з'єднання з волоконним світловодом. Область рекомбінації розташована поблизу хладопроводов, а в підкладці з GaAs протравлена ​​ямка, в яку вставляється світловод. Конструюються світлодіоди як з висновком випромінювання через поверхню, що обмежує перехід згори (площинні СД), так і з висновком енергії в напрямку, паралельному площині р - n-переходу (торцеві СД). При цьому вихідна потужність становить кілька мілліватт при щільності струму близько 103А/см. Так СД виготовлений на основі AlGaAs-структури з смужкових контактом шириною 100 мкм при щільності струму накачування 2103, має потужність випромінювання 3 мВт на довжині хвилі 0,8 мкм; СД з витравлений ямкою і лінзоподібної поверхнею має потужність випромінювання 6 мВт при щільності струму 3400 А / см. Світлодіоди навіть при високій щільності струму інжекції (понад 10 А / см) виявляються дуже надійними; їх середня довговічність досягає 105 ... 106 ч. Широке застосування отримали суперлюмінесцентние діоди. Як вже зазначалося, випромінювальна рекомбінація у звичайних світлодіодах призводить до спонтанного випускання світла. Це спонтанне випромінювання викликає наступні випромінювальні переходи і підсилює саме себе (оскільки концентрація електронів і дірок не є рівноважною). Це посилення невелика, оскільки випромінювання проходить тонку область рекомбінації в поперечному напрямку. Для отримання лазерного ефекту потрібно це випромінювання направити уздовж активного шару і забезпечити відображення від кінцевих площин. Однак посилення спонтанного випромінювання в такій конфігурації спостерігається і нижче порогу збудження і при неотражающих кінцевих площинах. Посилене і направлене в такий спосіб випускання називається суперлюмінесценціей. На цьому ефекті і засновані супсрлюмінесцентіие діоди (СЛД). При цьому активне середовище формують у вигляді оптичного хвилеводу, який замикається на одному кінці добре відображає дзеркалом, а на іншому кінці випромінює світло без відображення в простір або в світловод. Для сильної суперлюмінесценціі необхідний високий посилення в активному середовищі, що в напівпровідниках забезпечується високою щільністю потужності. Суперлюмінесцентние діоди конструюються на основі подвійної гетероструктури з Полоскова геометрією. Контактні смужки з одного боку доходять до торцевої фронтальної поверхні, в той час як з іншого боку вони не доходять до краю напівпровідника. Саме на цьому боці суперлюмінесценція загасає, оскільки в цю область електрони не инжектируются. З фронтального боку генерується суперлюмінесценція, при цьому розкривши діаграми випромінювання визначається шириною і довжиною смужки. При конструюванні подвійної гетероструктури з Полоскова геометрією для СЛД активна р-область GaAs робиться товщиною 0,3 ... 0,5 мкм, контактна смужка - шириною 12 ... 15 мкм. При довжині смужки до 1,5 мм і щільності струму 104 А / см потужність випромінювання в імпульсному режимі досягає 50 мВт при ширині лінії генерації 0,008 мкм. Шумові характеристики волоконно-оптичного контуру В оптичній гіроскопії для намотування чутливого контуру використовують три види волокна: багатомодове, одномодове і одномодове зі стійкою поляризацією. Довжина периметра контуру визначається виходячи з двох передумов. З одного боку, збільшення довжини контуру підвищує точність системи в цілому, так як величина невзаємними фазового зсуву пропорційна довжині волокна, з іншого боку для більш довгого контуру більшою мірою на роботу системи впливають параметри затухання та нерегулярності волокна. Системи, де потрібна висока чутливість до низьким швидкостям обертання увазі вибір оптимальної довжини контуру з урахуванням всіх можливих факторів, що впливають на точності системи. Зазвичай використовуються волокна довжиною від 200 до 1500 м. Діаметр котушки вибирається за критерієм мінімізації втрат у волокні на вигинах і з урахуванням габаритних розмірів пристрою. Типове значення від 6 до 40 см. Залежно від числа поширюються на робочій частоті хвиль (мод) можуть використовуватися одно-і багатомодові світловоди. Для характеристик світловода важливе значення має профіль показника заломлення в поперечному перерізі. Використовуючи можливості неоднорідних світловодів в широких межах змінювати свої характеристики залежно від закону зміни діелектричної проникності по поперечному перерізі, можна для кожного конкретного застосування підібрати світловод з найкращим відповідністю його характеристик вирішення завдання. Важливою характеристикою світловода є числова апертура NA, що представляє собою синус максимального кута падіння променів на торець світловоду, при якому в світловоді промінь на кордон "серцевина-оболонка" падає під критичним кутом. Від значення NA залежать ефективність введення випромінювання світлодіоди в світловод, втрати на микроизгибов, дисперсія імпульсів, число розповсюджуються мод. У практиці волоконно-оптичної гіроскопії важливо мати оціночні характеристики волокон різної структури, не вдаючись до складних розрахунками представляти загальну модель помилок, які можуть помітно знизити точності системи. Отримаємо наближені співвідношення для статистичних характеристик втрат у волокнах з різними властивостями і структурою визначальною їх. Так як багатомодові світловоди мають дисперсійні характеристики, сильно обмежують точність приладів зупинимося на розгляді одномодових волокон у складі загальної теорії поширення хвиль. При виборі фотодетектора для ВОГ необхідно в необхідному спектральному діапазоні забезпечувати максимальну інтегральну чутливість, мінімальну еквівалентну потужність шумів і мінімальний темнової струм. Частотна характеристика і швидкодія фотодетектора грають менш значну роль, оскільки максимальна частота зміни кутової швидкості, вимірюваної ВОГ, завжди входить у смугу пропускання ФД, не залежно від застосування допоміжної модуляції. Напівпровідникові фотодіоди характеризуються хорошою спектральної та інтегральної чутливістю. Вони мають високу квантової ефективністю і малої інерційністю; їх параметри стабільні в часі. Принцип роботи напівпровідникового діода заснований на фотовольтаїчному ефекті, який полягає в тому, що при опроміненні неоднорідного напівпровідника світлом виникає фотострум (або фото-ЕРС). Високочутливі фотодіоди та лавинні фотодіоди з внутрішнім посиленням струму конструюються на основі р-n-переходів, р-in-структур або переходів метал-напівпровідник. У всіх структурах фотозбудження електрони н дірки, що утворюються всередині області переходу і в об'ємі напівпровідника, дифундують до переходу, утворюючи фотострум. Для утворення вільної електронно-діркової пари з обох сторін від pn-переходу необхідно, щоб енергія поглинутого фотона була більшою за ширину забороненої зони. Освіта і дифузія пар електрон-дірка супроводжується появою потенціалу в перетині переходу. Під дією електричного поля переходу електрон рухається в напрямку n-області, а дірка - у напрямку p-області. Таким чином відбувається розщеплення пар. Надлишок електронів в n-області і дірок у p-області призводить до того, що n-область заряджається негативно, а p-область - позитивно. На розімкнутих кінцях детектора з'являється ЕРС; під'єднання до кінців опору призведе до появи продетектированного струму. Фотодіоди можуть включатися як без джерел струму, так і послідовно з джерелом постійного струму напругою від кількох вольт до 100 В. У другому випадку чутливість детектора значно підвищується. При аналізі шумових властивостей фотодіодів (тобто при необхідності знайти відношення сигнал / шум або визначити чутливість ВОГ, обмежену тільки фотоприймачем) зазвичай потрібно враховувати три види шумових струмів: 1) шумовий струм, що виникає при детектуванні світлового потоку (дробовий шум), 2 ) шумовий струм, обумовлений випадковим тепловим рухом електронів в нагрузочном опорі і в наступних електронних колах; 3) шумовий струм самого фотодіода, основна складова якого обумовлена ​​темнових струмом. Якщо зменшити тепловий шум навантажувального опору зміною ефективної температури опору, а принципово непереборний дробовий шум вважати малим, то граничну чутливість фотодіода буде визначати темнової струм. З цієї точки зору для реалізації максимальної порогової чутливості необхідно вибирати фотодіод з мінімальними темнових струмами. Величина темнового струму залежить від властивостей матеріалу фотодіода, температури, площі р-n - переходу, конструктивних особливостей і т. д. У фотодиодах з р - i - n - переходом досить широка область власної провідності (i - область) розташована між двома областями напівпровідника протилежного знаку провідності; в i-області розподілено сильне однорідне електричне поле, що сприяє збільшенню чутливості фотодіода. Чутливість германієвих і кремнієвих р - i - n - фотодіодів складає 0.5 ... 0.6 А / Вт, темнової струм при глибокому охолодженні (77 К) може бути доведений до 10-11 А. Останнім часом розроблені р-in - фотодіоди на основі InGaAs / InP, які спільно з підсилювачем на польовому транзисторі (FЕТ) утворюють інтегральну схему; такий р-in-FEТ-приймач працює у діапазоні довжин хвиль 1,3 ... 1,5 мкм, має високу квантову ефективність 0.65 ... 0.7, малу місткість - 0.15 РF, що визначає високу швидкодію. Фотодіод змонтований у кварцовому блоці, в якому є невеликий отвір для введення волоконного світлодіода з діаметром сердечника 50 мкм, при цьому оптичний сигнал з волокна повністю перехоплюється фотодіодів. Кварцовий блок монтується на толстопленочной гібридної схемою попереднього підсилювача. Підведення світловода до схеми герметизований. Попередній підсилювач містить транзистор (GaAs МЕSFЕТ), опір зсуву 10МОм, два кремнієвих біполярних транзистора з граничною частотою близько 7 ГГц і товстоплівкові опору, виготовлені на гібридній схемі. Чутливість такого модульного р - i - n-FЕТ-приймача становить -53 дБм; цікаво відзначити, що при зміні навколишньої температури від 20 до 60 "З чутливість змінюється тільки на 1 дБ. Лавинний фотодіод (ЛФД) є твердотілим аналогом фотоелектронного помножувача. У ньому використовується механізм ударної іонізації в області сильного поля обратносмещенного переходу. Множення струму відбувається внаслідок зіткнення виникають у результаті фотоіонізації електронно-діркових пар з атомами кристалічної гратки напівпровідника. Цей ефект під впливом сильного поля зсуву в умовах лавини породжує велику кількість електронно-діркових пар. У результаті струм істотно збільшується навіть на надвисоких частотах. При лавинному посилення струму для середніх рівнів світлового потоку і високого коефіцієнта лавинного множення чутливість приймального пристрою визначається відношенням сигналу до квантовому шуму. Для низьких рівнів світлового потоку і малого коефіцієнта лавинного множення відношення сигнал-шум і поріг чутливості обмежуються тепловим шумом. Лавинні фотодіоди характеризуються великою темнових струмом, ніж фотодіоди, а отже, і більш низькою чутливістю, навіть якщо реалізовано досить високу посилення струму, що дозволяє при низьких рівнях сигналу перевершити тепловий шум. Крім того процес множення вносить надмірний шум. Однак лавинний фотодіод має більш високу квантову ефективність. Використання кремнієвих або германієвих лавинних фотодіодів дозволяє істотно підвищити загальну чутливість широкосмугових приймальних пристроїв. При виборі лавинного фотодіода для приймальної системи необхідно, крім квантового виходу і широкосмуговості, враховувати специфічні фактори, властиві тільки лавинних фотодіодів, такі, як посилення по току і пов'язані з ним обмеження, а також надмірні шуми. Технологія виготовлення лавинних фотодіодів складна. Це обумовлено необхідністю забезпечення просторової рівномірності множення носіїв по всій світлочутливої ​​майданчику діода і мінімізації витоку по краях переходу. Для зменшення витоку використовують захисні кільця. Зазвичай розкид у посиленні з -за просторової нерівномірності множення носіїв становить від 20 до 50% при середньому посиленні 1000. У лавинному фотодіоді посилення максимально в режимі, коли зсув на діоді наближається до пробивному напрузі. При напругах, великих пробивного, протікає самопідтримуючий лавинний струм, який все менш і менш залежить від концентрації носіїв, що з'являються під дією світлового потоку. У робочому режимі максимальне посилення лавинних фотодіодів обмежується або ефектами насичення, викликаними струмом, що протікає, або твором коефіцієнта підсилення на смугу пропускання. Ефект насичення множення носіїв обумовлений тим, що носії, що виходять з області, якої відбувається множення, зменшують електричне поле всередині переходу і створюють падіння напруги на послідовному резистори і навантаженні діода. Обмеження ж смуги пропускання пояснюється переміщенням вторинних електронів і дірок (утворених за допомогою іонізації) по області множення в протилежних напрямках ще деякий час після того, як первинні носії покинули перехід. Надмірна шум у лавинних фотодиодах обумовлений флуктуаціями процесу множення носіїв. Найпростішими лавинними фотодіодами є кремнієві діоди з захисним кільцем і з діаметром світлочутливої ​​площадки від 40 до 200мкм; робочий діапазон хвиль - приблизно від 0,4 до 0,8 мкм. германієві лавинні п + - р-діоди мають робочий діапазон хвиль від 0,5 до 1,5 мкм. Твір коефіцієнта підсилення по струму на смугу пропускання для кремнієвих і германієвих лавинних фотодіодів одно відповідно 100 і 60 ГГц. Отже, при посиленні по струму 100 і 60 використання у приймальні системі кремнієвого або германієвого лавинного фотодіода забезпечує смугу про пускання в 1 Ггц. В даний час ведуться інтенсивні розробки лавинних фотодіодів на основі GaAs, InAs та InSb, що володіють високим посиленням і нікчемним надмірним шумом. На основі з'єднання GaAlAsSb створені ЛФД на діапазон довжин хвиль 1 ... 1,4 мкм, що перевершують за параметрами германієві ЛФД. Для довжин хвиль 1 ... 1,7 мкм застосовують сполуки типу InGaAsP; значного поліпшення характеристик ЛФД очікують при використанні гетероструктур на основі InGaAsP / InP. Крім того, тривають роботи зі створення інтегральних схем, які є комбінацією ЛФД і вхідного підсилювача на польовому транзисторі (так звані FЕT-ЛФД), що дозволяє поліпшити якість фотоприймача. 2.4. Аналіз прямих динамічних ефектів (температурних градієнтів і механічних напруг) Випадкові тимчасові зміни навколишньої температури і механічних напружень волокна призводять до змін оптичних постійних розповсюдження і геометричних параметрів волокна. Це призводить до того, що в контурі ВОГ з'являється фазова невзаємність, наслідком якої є "фазоразностной шуми" на фотодетектор (властивість взаємності застосувати лише до лінійним системам, інваріантним у часі). Для моделювання "фазоразностной" шумів будемо вважати, що локальний одиночний джерело фазових шумів розміщений в довільній точці волоконного контуру (рис 2.5.) Рис 2.5. Волоконний контур з локальним джерелом фазових шумів. Вплив зовнішнього магнітного поля на точності ВОГ. Існує багато речовин, оптичні параметри яких залежать від величини напруженості зовнішнього магнітного поля. Коефіцієнт заломлення середовища є один з таких параметрів. Зміна коефіцієнта заломлення пов'язане з обертанням площини поляризації випромінювання, що поширюється в середовищі. Обертання площини поляризації світлового променя, що поширюється в середовищі, під дією магнітного поля обумовлено ефектом Фарадея. Іноді ефектом Фарадея називають штучну оптичну активність, яка виникає в середовищі під дією магнітного поля. Оптичною активністю є здатність речовини повертати вектор поляризації лінійно-поляризованого світлового променя. Якщо причиною виникнення обертальної здатності є який-небудь зовнішній вплив (наприклад, магнітне поле), то активність цього типу є штучною. У оптично активному речовині оптичне випромінювання розпадається на дві хвилі, поляризовані циркулярно - по правому і лівому колам. Вектори поляризації цих хвиль обертаються в протилежних напрямках, а коефіцієнти заломлення для них різні. Лінійно-поляризоване світловий промінь можна представити суперпозицією двох хвиль, поляризованих по колу, з взаємно протилежним обертанням вектора поляризації і рівними амплітудами коливань. Розглянемо поширення лінійно-поляризованої хвилі в середовищі, яка проявляє ефект Фарадея. Для аналізу поширення хвилі в середовищі, вміщеній в магнітне поле, уявімо хвилю у вигляді суми двох хвиль, поляризованих по колу з протилежними напрямками обертання і різними швидкостями розповсюдження: