Суперлюминесцентный источник оптического излучения

Непрерывное совершенствование технологий производства волоконно-оптических элементов приводит к все большему расширению области их применения, и ужесточению требований к параметрам ВОГ, таких как: разрешающая способность, дрейф выходного сигнала, динамический диапазон, эксплуатационные и другие. На сегодняшний день промышленно производимые ЭСВИОИ наряду со своими преимуществами имеют и ряд недостатков, к которым можно отнести температурную нестабильность формы спектра и центральной длины волны, а так же высокую степень остаточной поляризации выходного оптического излучения. При применении в ВОГ, данные нестабильности оказывают непосредственное влияние на точность его показаний.

Принцип работы ЭСВИОИ основан на явлении усиленного спонтанного излучения. Возможность генерации и усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обусловлена схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента.

Основными элементами ЭСВИОИ являются лазеры накачки, активное волокно, зеркало и оптические разветвители.

Схема эрбиевого суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения

C 2015г. на кафедре световодной фотоники совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.578.21.0109 от 27.10.2015г.) ведутся работы, направленные на создание высокостабильного суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения для волоконно-оптических гироскопов навигационного класса точности.

Цели и задачи проекта

  • Целью выполнения ПНИЭР является разработка уникального суперлюминисцентного волоконного источника оптического излучения (СВИОИ), обеспечивающего высокую стабильность оптических параметров и низкий уровень спектральных шумов. Настоящий СВИОИ предназначен для прецизионных волоконно-оптических интерферометрических измерительных систем, например, таких как высокоточные волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) класса точности лучше, чем 0,01 угл. град./час.
  • В ходе настоящих ПНИЭР планируется создать уникальную технологию изготовления и разработать конструкцию широкополосного низкокогерентного деполяризованного источника света со спектральной шириной излучения не менее 27 нм, способных удерживать центральную частоту с точностью не менее 1 ppm в диапазоне внешних температур от -50°С до 75°С. 

 Ожидаемые результаты проекта

  • Экспериментальный образец СВИОИ с повышенной стабильностью выходных характеристик открывает новые горизонты для построения прецизионных систем на базе фазовых интерферометрических датчиков. В частности, применение таких источников в ВОГ позволит повысить точность производимых измерений угловой скорости
  • Новые программные и технологические решения, обеспечивающие создание СВИОИ с минимальной по ширине, стабильной во времени и без боковых «лепестков» функцией временной когерентности, необходимой для минимизации временного дрейфа выходного сигнала (сдвига нуля) в ВОГ
  • Технические принципы, обеспечивающие минимальную степень остаточной поляризации в разрабатываемой СВИОИ 
  • Технические решения, направленные на создание СВИОИ с минимальной флуктуацией оптической мощности и центральной длины волны в широком температурном диапазоне
  • Технологическое решение, направленное на создание СВИОИ с минимальным энергопотреблением
  • Программы и методики испытаний разрабатываемого СВИОИ, в том числе в составе макета ВОГ 

 Перспективы практического использования

  • волоконно-оптические преобразователи электрического тока, применяющиеся в электроэнергетике, транспортной индустрии, энергоемком производстве, для построения которых важным требованием, предъявляемым к ИОИ, является низкокогерентность излучения и минимальная степень остаточной поляризации
  • возможное применение в оптической когерентной томографии позволит записывать томограммы биологических объектов с высоким пространственным разрешением
  • применение в оптической спектроскопии, как высокостабильного ИОИ
  • применение в волоконно-оптических гироскопах позволит повысить их точность
  • отдельные технические решения, примененные при создании СВИОИ, позволят в перспективе разработать высокостабильный, суперлюминисцентный оптический усилитель с высокими параметрами температурной стабильности для существующих и вновь разрабатываемых магистральных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)

Партнеры проекта

Индустриальный партнер:

  • АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», который является ведущим предприятием России в области высокоточной навигации, ориентации, стабилизации, гироскопии, гравиметрии, управления движением, перископных комплексов, радиосвязи и радионавигации. Работает в данной отрасли с 1945 г. АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» имеет статус государственного научного центра Российской Федерации. На базе ГНЦ РФ АО "Концерн «ЦНИИ "Электроприбор" сложилась ведущая в стране научная школа в области навигации, гироскопии и управления движением, которая широко признана не только в стране, но и за рубежом. Объем внебюджетного финансирования - 41,57 млн. руб.

 Ключевой соисполнитель:

  • ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН - один из крупнейших институтов РАН, многопрофильный, имеет 4 отделения с общей численностью научных сотрудников около 1000 человек. Научной группой ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН решается задача поиска, выбора и исследование параметров активных световодов для разрабатываемого СВИОИ

 

Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 году

  • выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР;
  • проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
  • выполнено исследование известных методов построения СВИОИ с минимальной по ширине, стабильной во времени и без боковых «лепестков» функцией временной когерентности, необходимой для минимизации временного дрейфа выходного сигнала (сдвига нуля) в ВОГ;
  • проведен поиск и анализ наиболее критичных к температурному воздействию оптоэлектронных элементов, входящих в состав СВИОИ;
  • выполнен анализ существующих активных световодов (АС), применяемых для создания экспериментального образца (ЭО) СВИОИ;
  • осуществлен выбор и обоснование оптимальной конструкции АС для разрабатываемого ЭО СВИОИ.

 Результаты исследовательской работы, полученные в 2016 году

  • разработан метод получения минимальной степени остаточной поляризации в разрабатываемом экспериментальном образце (ЭО) СВИОИ;
  • разработан метод обеспечения минимальной флуктуации оптической мощности и центральной длины волны в широком температурном диапазоне для разрабатываемого ЭО СВИОИ;
  • разработан метод выбора и подготовки к установке в СВИОИ волоконного активного световода;
  • разработаны программы и методики лабораторных испытаний макета АС;
  • проведены лабораторные испытания макета АС;
  • разработан метод обеспечения минимального энергопотребления СВИОИ;
  • разработан макет электронного блока управления (ЭБУ) лазерным диодом накачки (ЛДН);
  • разработаны программы и методики  лабораторных испытаний макета ЭБУ ЛДН;
  • проведены лабораторные испытания макета ЭБУ ЛДН;
  • разработан макет оптоэлектронного блока (ОБ) с активным световодом (АС);
  • разработаны программы и методики лабораторных испытаний макета ОБ с АС;
  • проведены лабораторные испытания макета ОБ с АС;
  • разработан алгоритм управления лазерным диодом накачки;
  • разработан испытательный автоматизированный стенд для проведения экспериментальных исследований ЭО СВИОИ;

В рамках работ проделанных в 2016 года был проведен комплекс работ, включающих теоретические исследования, создание основных блоков, составляющих макет ЭО СВИОИ, разработку методов, позволяющих обеспечить выполнение параметров СВИОИ, сформулированных в техническом задании, а также проведение экспериментальных проверок методов и ключевых узлов и элементов, расчеты, проектирование, изготовление и исследование макетов: АС, ОБ с АС и ЭБУ ЛДН и проведение лабораторных испытаний функциональных блоков макета СВИОИ. На основе полученных расчетных и экспериментальных данных был выполнен всесторонний анализ, необходимый для дальнейшей работы.

В работе было проведено проектирование, моделирование и экспериментальное исследование различных вариантов построения схемы СВИОИ с накачкой в прямом, обратном и обоих направлениях на длинах волн 976 нм, 1480 нм и 1534 нм с одновременной и поочередной накачкой активного волокна лазерными диодами. Максимальная ширина спектра, полученная в ходе экспериментов с ОБ с АС, составила по уровню минус 3 дБ 72,73 нм, что с запасом в 2.7 раза (больше в 2.7 раза) удовлетворяет требованиям технического задания на ЭО СВИОИ. Полученные результаты позволили создать двунаправленную оптическую схему с двумя диодами накачки с разными излучаемыми длинами волн, зеркалом Фарадея и другими элементами, корректирующими спектр и повышающими стабильность. В работе также приведены данные по выбору режима работы элементов макета, что позволяет максимально удовлетворить требованиям технического задания. В результате лабораторных испытаний установлено, что на разработанном макете ОБ с АС, степень остаточной поляризации составляет 0,25%, что удовлетворяет требованиям технического задания даже без установки в оптическую схему дополнительного деполяризатора Лио. Использование в оптической схеме одномодовых оптических волокон высокого качества, использование сварных оптических соединений, а также проведенная работа по исследованию и согласованию АС и подбору оптических элементов, а также разработанные технические решения по формированию и управлению током накачки, позволили получить необходимый уровень стабильности формируемого выходного излучения ЛДН.

При разработке методов стабилизации спектральных параметров СВИОИ, а также оптической и электрической схемы построения СВИОИ, использованы и разработаны энергоэффективные методы. Наиболее существенным вкладом в повышение энергоэффективности явилось решение по выбору методов, основанных на термокомпенсации и термокоррекции параметров как активных (система регулирования), так и пассивных (ВБР, оптические фильтры и пр.) типов. В ходе работ были проведены исследования и разработан алгоритм управления ЛДН, позволяющий стабилизировать выходную мощность и среднюю длину волны ЭСВИОИ в условиях изменяющейся температуры эксплуатации. В ходе решения данной задачи была создана программная модель СВИОИ, которая позволила разработать систему обратных связей, обеспечивающую стабильность выходной мощности и средней длины волны ЭСВИОИ.

В ходе данного этапа работы индустриальным партнером ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН был разработан ряд АС, отличающихся составом сердцевины и концентрацией активных ионов. Проведено их сравнение и выбран наиболее подходящие образцы волокна 160419 и I-25 компании «Fibercore», близкие по параметрам и имеющие уровень поглощения на длине волны 980 нм более 100 дБ/м. Высокое время жизни, порядка 10 мс, полученное при исследовании волокна 160419, свидетельствует о его высоком качестве и высокой энергоэффективности при работе в оптической схеме СВИОИ.

В ходе работ были разработаны программы и методики испытаний согласно плану-графику и проведены лабораторные испытания созданных макетов: АС, ОБ с АС и ЭБУ ЛДН, а также подготовлена вся необходимая эскизная конструкторская документация.

При совместной работе с индустриальным партнером АО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор" разработан комплект документации и изготовлен   испытательной автоматизированный стенд для проведения экспериментальных исследований ЭО СВИОИ, необходимый для проведения дальнейшей работы. Также были проведены работы по технологической подготовке на производстве с целью создания возможности дальнейшего серийного производства ЭО СВИОИ. Основная часть лабораторных испытаний макета ОБ с АС и ЭБУ ЛДН была проведена на территории и оборудовании индустриального партнера АО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".

Анализ полученных результатов показал, что все заданные параметры, сформированные в техническом задании, достижимы в макете СВИОИ с использованием выбранных и разработанных в ходе работ методов, что подтверждается экспериментальными данными, полученными по результатам лабораторных испытаний. Все поставленные задачи на 2016 год решены в полном объеме.

    

Фотографии макета СВИОИ

Схема разрабатываемого ЭО СВИОИ

Спектр выходного оптического излучения макета СВИОИ