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

• 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

Результаты исследовательской работы, полученные в 2017 году

• разработан ЭО СВИОИ;
• разработаны программы и методики экспериментальных исследований ЭО СВИОИ с применением испытательного автоматизированного стенда;
• разработаны программы и методики экспериментальных исследований разрабатываемого СВИОИ в составе испытательного стенда - ВОГ навигационного класса точности;
• проведены экспериментальные исследования ЭО СВИОИ с применением испытательного автоматизированного стенда;
• проведены экспериментальные исследования ЭО СВИОИ в составе испытательного стенда - ВОГ навигационного класса точности;
• произведено обобщение и оценка полученных результатов экспериментальных исследований ЭО СВИОИ для выявления наиболее критичных узлов и элементов конструкции СВИОИ, влияющих на оптические параметры СВИОИ и на точностные параметры ВОГ;
• произведено обобщение и оценка полученных результатов, в том числе:
• произведено обобщение результатов исследований;
• произведено сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований;
• произведена оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
• произведен анализ выполнения требований ТЗ на ПНИЭР;
• произведена оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИЭР;
• разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка высокостабильного низкокогерентного волоконного источника оптического излучения для волоконно-оптических гироскопов навигационного класса точности»;
• разработы предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот;

• произведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов;

 

Фотографии разработанного ЭО СВИОИ

Схема разработанного ЭО СВИОИ

Спектр выходного оптического излучения разработанного ЭО СВИОИ

Функция временной когерентности выходного оптического излучения разработанного ЭО СВИОИ