Применение полупроводникового лазерного диода в качестве источника оптического излучения волоконно-оптического гироскопа

Ошлаков В.С., Алейник А.С., Волковский С.А., Стригалёв В.Е., Мухтубаев А.Б.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Ошлаков В.С., Алейник А.С., Волковский С.А., Стригалев В.Е., Мухтубаев А.Б. Применение полупроводникового лазерного диода в качестве источника оптического излучения волоконно-оптического гироскопа // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 8. С. 21–31. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-21-31

Oshlakov V.S., Aleinik A.S., Volkovskii S.A., Strigalev V.E., Muhtubaev A.B. Laserdriven fiber-optic gyroscope [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 8. P. 21–31. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-21-31

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе представлены результаты экспериментального исследования по применению частотно-модулированного полупроводникового лазерного диода с распределённой обратной связью в волоконно-оптическом гироскопе. Цель исследования. Цель работы — повышение долговременной стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа с сохранением габаритно-весовых параметров входящего в конструкцию источника оптического излучения. Метод. Применена частотно-импульсная токовая модуляция для уменьшения длины когерентности излучения лазерного диода. Методом широкополосной интерферометрии была проведена оценка длины когерентности излучения, выбраны оптимальные параметры схемы фотодетектирования волоконно-оптического гироскопа. Предложенная конфигурация была исследована на образце волоконно-оптического гироскопа с разомкнутым контуром, проведена сравнительная оценка метрологических характеристик конфигураций волоконно-оптического гироскопа с лазерным источником и с суперлюминесцентным диодом. Основные результаты. Предложенная схема показала свою эффективность. Долговременная нестабильность центральной длины волны и случайное блуждание угла снизились соответственно до уровня 1,3 ppm (млн^–1) и 0,002 °/ч^1/2 (у схемы с суперлюминесцентным диодом 17 ppm и 0,004 °/ч^1/2). Смещение нуля (0,05 °/ч) сопоставимо со смещением нуля исходной схемы (0,01 °/ч), снижение этого параметра является предметом дальнейших исследований. Практическая значимость. Результаты эксперимента по применению в волоконно-оптическом гироскопе частотно-модулированного лазерного диода с распределённой обратной связью говорят о потенциальной применимости таких источников при построении малогабаритных высокоточных волоконно-оптических гироскопов.

Ключевые слова:

волоконно-оптический гироскоп, полупроводниковый лазерный диод, частотно-импульсная модуляция

Коды OCIS: 060.2800, 060.2380, 060.2370

Список источников:

1. Lefèvre H. The fiber-optic gyroscope. Boston: Artech House, 1993. 313 p.
2. Digonnet M.J.F., Udd E. Design and development of fiber optic gyroscopes. Bellingham, WA: SPIE Press, 2019. 520 p.
3. Egorov D.A., Klyuchnikova Ye.L., Untilov A.A., Aleinik A.S., Volkovskii S.A., Kuznetsov V.N., Oshlakov V.S., Pogudin G.K., Liokumovich L.B. Light sources for fiber-optic gyroscopes // Gyroscopy and Navigation. 2024. V. 15. № 2. P. 111–128. https://doi.org/10.1134/s2075108724700226
4. Aleinik A.S., Deineka I.G., Smolovik M.A., Neforosnyi S.T., Rupasov A.V. Compensation of excess RIN in fiber-optic gyro // Gyroscopy and Navigation. 2016. V. 7. № 2. P. 214–222. https://doi.org/10.1134/s2075108716030020
5. Guattari F., Kervella P., Briaudeau S., Dolfi D., Djangirian A. A simple optical technique to compensate for excess RIN in a fiber-optic gyroscope // 2014 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS) // IEEE. 2014. P. 1–14. https://doi.org/10.1109/InertialSensors.2014.7049411
6. Wysocki P.F., Digonnet M.J.F., Kim B.Y., Shaw H.J. Characteristics of erbium-doped superfluorescent fiber sources for interferometric sensor applications // J. Lightwave Technol. 1994. V. 12. № 3. P. 550–567. https://doi.org/10.1109/50.285318
7. Park H.G., Digonnet M., Kino G. Er-doped superfluorescent fiber source with a ±0.5-ppm long-term meanwavelength stability // J. Lightwave Technol. 2003. V. 21. № 12. P. 3427–3433. https://doi.org/10.1109/JLT.2003.822539
8. Vostrikov E., Kikilich N., Zalesskaya Yu., Aleinik A., Smolovik M., Deyneka I., Meshkovskii I. Stabilisation of central wavelength of erbium-doped fibre source as part of high-accuracy fibre optic gyroscopes // IET Optoelectron. 2021. V. 15. № 6. P. 287–293. https://doi.org/10.1049/ote2.12040
9. Ashley P.R., Temmen M.G., Sanghadasa M. Applications of SLDs in fiber optical gyroscopes // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices / Proc. SPIE. 2002. V. 4648. P. 104–115. https://doi.org/10.1117/12.462647
10.Chen X., Yang J., Zhou Y., Shu X. An improved temperature compensation circuit for SLD light source of fiber-optic gyroscope // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 916. International Conf. on Fluid Mechanics and Industrial Applications (FMIA 2017). Taiyuan, China. October 21–22, 2017. P. 012027. https://doi.org/10.1088/1742-6596/916/1/012027
11.Wheeler J., Digonnet M. A low-drift laser-driven FOG suitable for Trans-Pacific inertial navigation // J. Lightwave Technol. 2022. V. 40. P. 7464–7470. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3201189
12.Jia H., Wheeler J.M., Iantosca T., Digonnet M.J.F. Low-drift fiber-optic gyroscope interrogated with multiple broadened semiconductor lasers // J. Lightwave Technol. 2024. V. 42. № 13. P. 4666–4673. https://doi.org/10.1109/JLT.2024.3376511
13.Wheeler J.M., Chamoun J.N., Digonnet M.J.F. Optimizing coherence suppression in a laser broadened by phase modulation with noise // J. Lightwave Technol. 2021. V. 39. № 9. P. 2994–3001. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3061938
14. Komljenovic T., Tran M.A., Belt M., Gundavarapu S., Blumenthal D.J., Bowers J.E. Frequency modulated lasers for interferometric optical gyroscopes // Opt. Lett. 2016. V. 41. P. 1773–1776. https://doi.org/10.1364/OL.41.001773
15. Njegovec M., Donlagic D. Rapid and broad wavelength sweeping of standard telecommunication distributed feedback laser diode // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 1999–2001. https://doi.org/10.1364/OL.38.001999
16. Njegovec M., Donlagic D. Interrogation of FBGs and FBGs arrays using standard telecom DFB diode // Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. № 22. P. 5340–5348. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2616725
17. Киреенков А.Ю. Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера // Автореф. канд. дис. Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2017. 155 с.
Kireenkov A.Iu. Fiber-optic interferometric methods for constructing the measuring systems based on a surface-emitting laser // Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg: NIU ITMO, 2017. 155 p.
18.Horowitz P., Hill W. The art of electronics. 3rd ed. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2015. 1125 p.
19. Untilov A., Egorov D., Rupasov A., Novikov R., Neforosnyi S., Azbeleva A., Dranitsyna E. Results of fiberoptic gyro testing // Gyroscopy Navig. 2017. V. 25. P. 78–85. https://doi.org/10.1134/S207510871801008X