Оптические гироскопы - часть 25

 

101

изготовлении  волокна  используют  разнородные  материалы  с  различными 
температурными  коэффициентами  расширения.  Это  позволяет  вводить 
анизотропию  напряжений  в  волокно  посредством  эффекта  фотоупругости, 
что приводит к соответствующему двулучепреломлению. Вследствие разных 
коэффициентов  теплового  расширения  и  поверхностных  натяжений 
получаемое  волокно  имеет  цилиндрическую  сердцевину,  эллиптическую 
внутреннюю  оболочку  и  цилиндрическое  внешнее  покрытие.  Возникающая 
анизотропия 

определяется 

так 

называемым 

модальным 

двулучепреломлением: 
 

λ

π

β

−

β

=

2

y

x

В

. 

Чем  больше  модальное  двулучепреломление,  тем  меньше  связь  между 
поляризационными модами. Для количественной оценки величины В обычно 
используют так называемую «длину биений» 

б

L , равную 

y

x

б

L

β

−

β

π

= 2

.    (3.6) 

Очевидно, 

что 

требуемое 

большое 

значение 

модального 

двулучепреломления,  существенно  уменьшающее  поляризационную  связь, 
определяет весьма малое значение длины биений 

б

L  (длина биений должна 

быть  много  меньше  характерного  периода  возмущений,  действующих  на 
волокно). Таким образом, наилучшим способом обеспечения работы волокна 
на  одной  собственной  поляризационной  моде  является  увеличение 
двулучепреломления  между  двумя  собственными  поляризационными 
модами. 
 

3.2.  Элементы интегральной оптики 

 

3.2.1. Волноводы 

При  создании  волоконно-оптических  гироскопов  широко  используются  

интегральные оптические схемы (ИОС), с помощью которых световые пучки 
от  источника  света  подводятся  к  волокну,  производится  деление  и 
последующее  объединение  световых  пучков,  обеспечивается  фазовая 
модуляция  и  т.д.  Основными  элементами  ИОС  являются  оптические 
волноводы,  среди  которых  чаще  всего  используются  канальные  волноводы. 
При  изготовлении  канальных  волноводов  необходимо  использовать 

 

102

подложку,  на  которой  образован  плоский  слой  оптически  прозрачного 
материала, являющийся уже по сути дела плоским оптическим волноводом. 
Основными методами изготовления плоских волноводов являются: 
•  распыление диэлектрических пленок; 
•  бомбардировка ионами (протонами); 
•  диффузия атомов примесей; 
•  эпитаксиальное выращивание. 

После  создания  подложки  с  плоским  оптическим  волноводом  на 

поверхности  пластины  можно  одновременно  задать  поперечные  размеры 
ряда  канальных  волноводов,  используя  обычную  фотолитографическую 
технику,  подобную  той,  которая  используется  в  технологии  изготовления 
электрических интегральных схем. Обычный метод изготовления канальных 
волноводов  состоит  в  нанесении 
на образец с плоским волноводом 
фоторезиста, 

облучение 

его 

ультра-фиолетовым  или  рентге-
новским 

излучением 

через  

контактно  наложенную  маску, 
которая  и  определяет  форму 
волновода 

при 

проявлении 

фоторезиста, 

после 

чего 

на 

поверхности  образца  остается 
картина требуемой структуры, как 
это показано на рис. 

3.9.     

Рис. 3.9 

  

 

3.2.2. Связь между волноводами. 

При полном внутреннем отражении электромагнитная волна проникает 

через  границу  раздела  двух  сред  во  вторую  среду  и  быстро  затухает  в  ней. 
Это  создает  предпосылки  для  проявления  эффекта  оптического 
туннелирования,  на  основе  которого  возникает  связь  волноводов  с 
оптическим  волокном,  связь  между  волноводами  и  т.д.  Использование 
явления  оптического  туннелирования  позволило  создать  так  называемые 
направленные  ответвители,  широко  используемые  в  волоконно-оптичесих 
линиях связи и волоконно-оптических гироскопах для разделения и сведения 

 

103

оптических  пучков.  Рассмотрим  работу  направленного  ответвителя 
подробнее. 

При  распространении  света  по  двум  близко  лежащим  параллельным 

канальным  волноводам  (рис. 3.10) за  счет  перекрытия  электромагнитных 
полей  между  волноводами  образуется  связь,  которую  можно  представить  с 
помощью системы уравнений для амплитуд полей в волноводах: 

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

Ε

−

Ε

β

−

=

Ε

Ε

−

Ε

β

−

=

Ε

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

2

2

2

1

1

z

iX

z

i

dz

z

d

z

iX

z

i

dz

z

d

, 

где 

θ

=

β

cos

k

; X - коэффициент связи между волноводами. 

 

Если  предположить,  что  свет  вводится  в  волновод 1 в  точке  z=0,  то 

граничное условие можно записать в виде  

0

)

0

(

,

1

)

0

(

2

1

=

= E

E

. 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.10 

 

Тогда получаем решения 

.

)

sin(

)

(

,

)

cos(

)

(

2

1

z

i

z

i

e

Xz

i

z

E

e

Xz

z

E

β

β

−

=

=

 

Для интенсивности света в волноводах получаем 

).

(

sin

),

(

cos

2

*

2

2

2

2

*

1

1

1

Xz

E

E

I

Xz

E

E

I

=

=

=

=

 

Вначале  вся  энергия  электромагнитного  поля  сосредоточена  в  волноводе 1. 
После прохождения некоторого пути вдоль оси z, когда выполняется условие 

2

/

π

=

Xz

, вся энергия электромагнитного поля переходит в волновод 2 и т.д. 

 

104

Расстояние,  на  котором  происходит  переход  энергии  поля  из  одного 
волновода в другой, называется длиной связи или длиной биений  

X

L

2

/

π

=

. 

 

Эффективность  связи  определяется  согласованием  фаз,  т.е.  должно 

выполняться условие 

0

2

1

=

β

−

β

=

β

∆

. 

Если  это  условие  выполняется,  то  наблюдается  переход  энергии  из  одного 
волновода в другой и обратно с пространственным периодом равным длине 

связи L. В общем случае       

2

2

1

2

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ β

∆

+

π

=

X

X

L

. 

Коэффициентом  связи  можно  управлять  посредством  изменения 

показателя  преломления  при  подаче  напряжения  на  электроды 
(электрооптический эффект (рис.3. 11)).  

 

 

 

 

        Рис. 3.11 

 

Рассмотренные  эффекты  широко  используются  в  интегральной  оптике  для 
реализации оптических ответвителей, смесителей, переключателей и др. 
 
3.3. Вопросы и задачи 
По

 разделу 3.1.1. Металлический световод 

1.Какой физический смысл имеют фазовые условия для распространения 
световой волны? 
2.Какую аналогию можно провести между оптическим резонатором и 
волноводом? 
По

 разделу 3.1.2.

 

Моды

 распространения 

1.Что представляет собой мода распространения световой волны в 
волноводе? 
2.Чем определяется величина критической частоты

 

распространение волн 

вдоль световода?