Оптические гироскопы - часть 26

 

105

3.Какие условия должны выполняться для реализации одномодового режима 
распространения волн в световоде?  
По

 разделу 3.1.3.

 

Диэлектрический

 световод 

1.В чем специфика фазовых условий в диэлектрическом световоде? 
2.Какие особенности осуществления одномодового режима в 
диэлектрическом световоде? 
По

 разделу 3.1.4.

 

Основные

 типы оптических волокон 

1.Какие типы волокон используются в основном на практике? 
2.Что представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию? 
По

 разделу 3.2.  Элементы интегральной оптики 

1.Какие технологические методы используются для изготовления плоских 
волноводов? 
2.Что представляет собой канальный световод и как он создается? 
3.Как работают направленные ответвители? 
 

3.4. Литература 
1. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. 
2. Козанне А., Флере Ж., Метр Г., Руссо М. Оптика и связь. М.: Мир, 1984. 
3. Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л., Волоконно-оптические системы 
передачи. М.: Радио и связь, 1992. 
 

3.5. Предметный указатель 

 
волновод – 101 
градиентное волокно – 99 
длина биений – 101 
длина связи – 104  
канальный волновод – 101 
критическая частота – 93 
моды распространения – 9

4 

направленные ответвители – 102 
оболочка световода – 90 
одномодовое волокно – 95 
оптическое волокно – 90 
световод – 90 
сердцевина световода – 90 
фазовые условия – 92 
фоторезист – 102 
 

 

106

4. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП 

 

Схема опыта Саньяка, рассмотренного в разделе 2.1, имеет вид, приве-

денный  на  рис. 4.1. Напомним  кратко  основные  особенности  проведения 

опыта.  Сколлимированный  и  поляризованный 
пучок  света  заводился  в  интерферометр,  в  кото-
ром  разделялся  на  два  пучка,  обходивших  ин-
терферометр  во  встречных  направлениях.  После 
обхода пучки совмещались и интерференционная 
картина  регистрировалась  на  фотопластинке. 
Эксперименты показали, что при вращении уста-
новки  интерференционная  картина  сдвигалась, 
причем  сдвиг  оказался  пропорциональным  ско-

рости вращения. Сдвиг интерференционной картины говорит о том, что при 
вращении  оптическая  длина  пути  или  время  обхода  интерферометра  стано-
вятся различными для встречных пучков.  

Ω

=

∆

c

S

L

4

   

 

 

 

 

(4.1) 

В  опыте  Саньяка 

Ω = 2π·2,35  с

–1

,  S = 866 см

2

,  тогда 

∆L = 0,017 мкм. 

При длине волны 

λ = 0,43 мкм это составляет 0,04 полосы. Смещение полос 

при  изменении  направления  вращения  оказывается  равным 0,08 полосы. 
Саньяк получил 0,077 полосы. Видно, что чувствительность метода очень не 
велика и пропорциональна площади контура. Для практического использова-
ния эффекта Саньяка при измерении скоростей вращения необходимо увели-
чение чувствительности. Одним из путей повышения чувствительности явля-
ется переход от фазовых измерений к частотным. Именно поэтому сразу по-
сле  создания  первых  лазеров  появилась  идея  измерения  угловых  перемеще-
ний с помощью кольцевых лазеров, т.е. идея создания лазерного гироскопа. 
 

4.1. Волоконно-оптический гироскоп 

 

Другим путем увеличения чувствительности интерферометра Саньяка к 

скорости  вращения  является  использование  световолокна.  Само  по  себе  ис-
пользование волокна не может изменить чувствительности интерферометра, 
однако, в том случае, когда волокно образует многовитковую катушку (рис. 

Рис. 4.1 

ФП 

 S

Ω 

 

107

4.2)  чувствительность  увеличивается  в  N  раз,  где  N  число  витков  волокна  в 
катушке. 

Разность фаз встречных волн на выходе интерферометра Саньяка опре-

деляется разность оптических длин 

λ

∆

π

=

ϕ

L

2

. Учитывая, что разность опти-

ческих длин в интерферометре Саньяка 
∆L  пропорциональна  скорости  враще-
ния  (выражение (4.1)),получаем  для 

разности  фаз  в  радианах 

Ω

λ

π

=

ϕ

c

S

s

8

. 

Здесь  под 

ϕ

s

  понимаем  разность  фаз, 

обусловленную эффектом  Саньяка или 
вращением.  Если  замкнутый    контур 
образуется катушкой волокна с N - 

 

 

Рис. 4.2 

 

 

     витками, то эффективная  площадь  

 

 

 

 

 

 

     интерферометра   увеличивается   в  N  

раз. В этом случае получаем разность фаз встречных волн после обхода кон-
тура в виде 

Ω

λ

π

=

Ω

λ

π

=

ϕ

c

RL

c

NS

s

4

8

,    (4.2) 

где L – длина волокна в оптическом контуре, здесь учтено, что S=

πR

2

. 

При  сложении  световых  пучков  на  выходе  интерферометра  (см.рис. 

4.2)  получается  интерференционная  картина  с  некоторым  распределением 
интенсивности света по пространственной координате. Если световые пучки 
на выходе интерферометра идут под некоторым углом 

α

  друг

  относительно 

друга, получаем интенсивность света в виде 

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

ϕ

+

α

λ

π

+

=

)

2

cos(

1

2

0

s

x

I

I

. 

Если пучки на выходе интерферометра сложены идеально, то интенсивность 
света в интерференционной картине равна 

)

cos

1

(

2

0

s

I

I

ϕ

+

=

. 

Таким  образом,  с  учетом (4.2) можно  утверждать,  что  изменение  скорости 
вращения  ведет: 1) к  изменению  интенсивности  по cos (если 

α

 = 0); 2). к 

сдвигу интерференционной картинки (если 

α

 

≠ 0). Будем в дальнейшем для 

простоты считать 

α

 = 0. Зависимость  интенсивности  света  в  этом  случае  от 

Ист

ФП 

 

108

скорости вращения представлена на рис. 4.3. Как видно из рисунка, выходная 
характеристика  ВОГ  (зависимость  интенсивности  света  в  интерференцион-
ной картине от разности фаз встречных волн или скорости вращения) обла-
дает существенной нелинейностью.  

Рис. 4.3 

Кроме  того,  в  области  малых  скоростей  вращения  чувствительность  к 

вращению  минимальна,  поскольку  рабочая  точка  в  этой  области  находится 
на плоской вершине косинуса. Методы борьбы с этими недостатками и тех-
ника обработки выходного сигнала будут рассмотрены ниже. 
 

Чувствительность  ВОГ  к  скорости  вращения,  выраженная  в  единицах 

Ω

ϕ

s

 имеет размерность времени, измеряется в секундах и иногда выражает-

ся  в  специфических  единицах 

Ω

µ

.  При  скорости  вращения,  равной 

Ω

µ

,

 

раз-

ность фаз встречных волн равна 1 микрорадиану, что хорошо соответствует 
оценке  шумового  предела  или  нестабильности  сдвига  нуля  ВОГ,  лежащих 
обычно в диапазоне от 0,1 до 10 мкрад. 
 

Можно  увеличивать  или  уменьшать  чувствительность  ВОГ,  изменяя 

площадь волоконной катушки. Такая гибкость в изменении параметров ВОГ 
путем  изменения  его  геометрии  является  важным  преимуществом  техноло-
гии ВОГ, поскольку одни и те же компоненты и техника сборки могут быть 
использованы для создания гироскопов разной точности без изменения осо-
бенностей  конструкции.  Параметры  двух  вариантов  ВОГ  с  высокой  и  сред-

ней  чувствительностью  приведены  в  таблице 4.1 (

Ω

π 

–  скорость  вращения, 

соответствующая разности фаз, равной 

π): 

    Таблица 4.1 

Чувствитель-

ность 

L,       D,         

λ 

км    см       нм 

Ω

ϕ

∆

s

 

с 

Ω

π

 

°/c 

Ω

µ

 

°/час 

Высокая  

1        10    1550  

1,35 

133 

0,15