en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-04-59-69
УДК: 53.082.5 62
Характеристики различных чувствительных элементов миниатюрного резонансного оптического гироскопа
Полный текст «Оптического журнала»
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
D. G. Gilev, A. A. Zhuravlev, D. N. Moskalev, A. A. Chuvyzgalov, and V. V. Krishtop, "Characteristics of various sensor devices for a miniature resonant optical gyroscope," Journal of Optical Technology. 89(4), 229-235 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000229
Предмет исследования. В работе представлен общий принцип работы оптических резонаторов и их характеристики на примере кольцевого резонатора, взаимосвязь добротности резонатора и чувствительности гироскопа на основе резонатора. Для разработки миниатюрного резонансного оптического гироскопа проводилось сравнение изготовленных чувствительных элементов (оптических резонаторов) между собой. В качестве чувствительного элемента рассматривались три различных типа оптических резонаторов: резонатор волоконно-оптический, резонатор на модах шепчущей галереи и кольцевой интегрально-оптический резонатор. Метод. Волоконно-оптический резонатор изготавливается путём сварки двух волоконно-оптических разветвителей, резонатор на модах шепчущей галереи представляет собой объёмную диэлектрическую структуру, в которой происходит возбуждение мод шепчущей галереи, кольцевой интегрально-оптический резонатор состоит из оптического волновода и замкнутого контура, размещённых на единой подложке. Для измерения характеристик высокодобротных (Q = 106 – 109) резонаторов на модах шепчущей галереи и волоконно-оптического резонатора применялась методика с использованием сканирующего узкополосного лазера и осциллографа. Для интегрально-оптического резонатора, обладающего меньшей добротностью (Q < 106), применялась более простая методика с использованием широкополосного лазерного источника и оптического спектроанализатора. Основные результаты. Для резонатора на дисковом резонаторе из MgF2 получена добротность Q = 5,2ґ108, для волоконно-оптического — Q = 4,3ґ106, для интегрально-оптического — Q = 1,1ґ104. Практическая значимость. Наиболее перспективным вариантом резонатора в качестве чувствительного элемента является резонатор на модах шепчущей галереи, так как обладает наибольшей добротностью и точностью определения угловой скорости. Конкурентом является волоконно-оптический резонатор, но он имеет повышенную чувствительность к температуре и внешним механическим воздействиям. Преимуществом интегрально-оптического типа резонатора является его миниатюрность, возможность интегрировать элементы термостабилизации и стойкость к механическим воздействиям.
гироскоп, моды шепчущей галереи, оптический резонатор, чувствительный элемент гироскопа, волоконно-оптический резонатор, чувствительность гироскопа
Благодарность:данная работа выполнена в рамках Программы государственной поддержки компаний-лидеров, разрабатывающих и обеспечивающих внедрение продуктов, сервисов и платформенных решений преимущественно на основе технологий и решений для цифровой трансформации приоритетных отраслей экономики и социальной сферы (Договор № 2/549/2020 от 23.07.2020 г).
Коды OCIS: 230.0230, 120.5790, 060.2800
Список источников:1. Drever R.W.P., Hall J.L., Kowalski F.V. et al. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Applied Physics B. 1983. V. 31. № 2. P. 97–105.
2. Zhou X., Yu Q. Wide-range displacement sensor based on fiber-optic Fabry–Perot interferometer for subnanometer measurement // IEEE sensors journal. 2010. V. 11. № 7. P. 1602–1606.
3. Coddington I., Newbury N., Swann W. Dual-comb spectroscopy // Optica. 2016. V. 3. № 4. P. 414–426.
4. Mikami Y., Nasir A., Yatabe R. et al. Fully room temperature and label free biosensing based on an ink-jet printed polymer microdisk laser // Optical Materials Express. 2021. V. 11. № 3. P. 592–602.
5. Hashimoto Y., Goban A., Hirabayashi Y. et al. On-chip photon-pair generation in a silica microtoroidal cavity // Optics Express. 2021. V. 29. № 3. P. 3533–3542.
6. Губайдуллин Р.Р. Радиофотонная система контроля температуры топливных ячеек электрических транспортных средств на основе адресных волоконных брэгговских структур с двумя фазовыми p-сдвигами // Прикладная фотоника. 2019. Т. 6. № 3–4. С. 193–202.
7. Saleh K., Merrer P.H., Llopis O. et al. Optoelectronic oscillator based on fiber ring resonator: overall system optimization and phase noise reduction // 2012 IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings. IEEE. 2012. P. 1–6.
8. Barbour N.M. Inertial navigation sensors // NATO RTO Symposium on Low Cost Navigation Sensors. Charles Stark Draper Lab Inc Cambridge Ma. 2010.
9. Lefevre H.C. The fiber-optic gyroscope. London: Artech house, 2014. 387 p.
10. Матрёхин Д.А., Тыныныка А.Н. Простая схема волоконно-оптического датчика угловой скорости // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2019. Т. 62. № 2. С. 117–122.
11. Рупасов А.В. Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Автореф. канд. техн. наук. СПб.: Университет ИТМО, 2014. 20 с.
12. Stedman G.E. Ring-laser tests of fundamental physics and geophysics // Reports on progress in physics. 1997. V. 60. № 6. P. 615.
13. Armenise M.N, Ciminelli C., Dell’Olio F., Passaro V.M.N. Advances in gyroscope technologies. Berlin: Springer Science & Business Media, 2010. 109 p.
14. Королёв М.Н. Исследование технических характеристик современных типов датчиков угловой скорости. // Тез. докл. 12-й Международной научно-технической конференции «Приборостроение — 2019». Минск, 2019. С. 21–23.
15. Бонштедт А.В., Кузьмин С.В., Мачехин П.К. Восьмиточечная модель твердотельного волнового гироскопа // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2007. № 1. С. 135–214.
16. Menéndez R.J.P. Fiber-optic ring resonator interferometer // Interferometry-Recent Developments and Contemporary Applications / Ed. by Bhowmick M. London: IntechOpen, 2018. P. 1–23.
17. Rabus D.G. Integrated ring resonators. Berlin: Springer, 2007. 360 p.
18. Paloczi G.T., Huang Y., Yariv A. Free-standing all-polymer microring resonator optical filter // Electronics Letters. 2003. V. 39. № 23. P. 1650.
19. Savchenkov A.A., Eliyahu D., Liang W. et al. Stabilization of a Kerr frequency comb oscillator // Optics letters. 2013. V. 38. № 15. P. 2636–2639.
20. Saleh K., Henriet R., Diallo S. et al. Phase noise performance comparison between optoelectronic oscillators based on optical delay lines and whispering gallery mode resonators // Optics express. 2014. V. 22. № 26. P. 32158–32173.
21. Fortier T.M., Le Coq Y., Stalnaker J.E. et al. Kilohertz-resolution spectroscopy of cold atoms with an optical frequency comb // Physical review letters. 2006. V. 97. № 16. P. 163905.
22. Udem Th., Holzwarth R., Hänsch T.W. Optical frequency metrology // Nature. 2002. V. 416. № 6877. P. 233–237.
23. Vollmer F., Arnold S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules // Nature methods. 2008. V. 5. № 7. P. 591.
24. Francois A., Himmelhaus M. Optical biosensor based on whispering gallery mode excitations in clusters of microparticles // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. № 14. P. 141107.
25. Vyuzhanina E.A., Gilev D.G., Krishtop V.V. et al. Biconical optical fiber fabrication //2020 International Conference Laser Optics. IEEE. 2020. P. 1–1.
26. Чувызгалов А.А., Гилев Д.Г., Вьюжанина Е.А. и др. Изготовление D‑образного волокна для ввода излучения в оптический резонатор // Сборник трудов XII Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики — 2020» / Под ред. С.А. Козлова. СПб.: Университет ИТМО, 2020. С. 341–343.
27. Вербицкий А.В., Дворецкий Д.А., Сазонкин С.Г. и др. Моделирование генерации ультракоротких импульсов в полностью волоконном кольцевом эрбиевом лазере с высоконелинейным резонатором // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 3. С. 56–65.
28. Ma Q., Li L, Wei F. et al. High sensitivity sensors based on open cavity in-fiber Fabry–Perot and Mach–Zehnder interferometers // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 1. С. 37–41.
29. KTH has created world’s smallest optical disk resonator. - URL: https://www.aphys.kth.se/photonics/op/arkiv/kth-har-byggt-varldens-minsta-skivresonator-1.364316 (дата обращения 20.08.2020).
30. Ability to miniaturize photonics devices to sizes compatible with computer chips inches closer. – URL: https://phys.org/news/2013-01-ability-miniaturize-photonics-devices-sizes.html (дата обращения 20.08.2020).
31. Kovach A., Chen D., He J. et al. Emerging material systems for integrated optical Kerr frequency combs // Advances in Optics and Photonics. 2020. Т. 12. № 1. С. 135–222.
32. Fan X., White I.M., Zhu H. et al. Overview of novel integrated optical ring resonator bio/chemical sensors // International Society for Optics and Photonics. 2007. V. 6452. P. 64520.
33. Liang Z.X., Xu C.P., Zhu A.J. et al. Directional coupling surface plasmon polariton electro-optic modulator for optical ring networks-on-chip // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 9. С. 542–553.
34. Liang W., Ilchencko V.S., Savchenckov A.A. et al. Resonant microphotonic gyroscope // Optica. 2017. V. 4. № 1. P. 114–117.
35. Ma H., Zhang J., Wang L. et al. Resonant micro-optic gyro using a short and high-finesse fiber ring resonator // Optics letters. 2015. V. 40. № 24. P. 5862–5865.
36. Feng L., Zhi Y., Lei M et al. Suppression of frequency locking noise in resonator fiber optic gyro by differential detection method // Optics & Laser Technology. 2014. V. 62. P. 109–114.
37. Zhi Y., Feng L., Wang J. et al. Compensation of scale factor nonlinearity in resonator fiber optic gyro // Optical Engineering. 2014. V. 53. № 12. P. 127108.
38. Feng L., Wang J., Zhi Y. et al. Transmissive resonator optic gyro based on silica waveguide ring resonator // Optics express. 2014. V. 22. № 22. P. 27565–27575.
39. Feng L., Lei M., Liu H. et al. Suppression of backreflection noise in a resonator integrated optic gyro by hybrid phase-modulation technology // Applied optics. 2013. V. 52. № 8. P. 1668–1675.
40. Lei M., Feng L., Zhi Y. et al. Test for scale factor of resonant micro optical gyro based on equivalent input // Optik. 2013. V. 124. № 19. P. 3913–3916.
41. Li H., Liu L., Lin Z. et al. Double closed-loop control of integrated optical resonance gyroscope with mean-square exponential stability // Optics express. 2018. V. 26. № 2. P. 1145–1160.
42. Венедиктов В.Ю., Филатов Ю.В., Шалымов Е.В. Микрооптические гироскопы на основе пассивных кольцевых резонаторов // Квантовая электроника. 2016. Т. 46 № 5. С. 437–446.
43. Миньков К.Н., Лихачев Г.В., Павлов Н.Г. и др. Изготовление высокодобротных кристаллических микрорезонаторов c модами шепчущей галереи с использованием точечного алмазного точения // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 6. С. 84–92. 44. Вьюжанина Е.А., Криштоп В.В. Дисковые резонаторы для датчиков угловой скорости // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 9. С. 823–829.