Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка высокостабильного низкокогерентного волоконного источника оптического излучения для высокоточных волоконно-оптических гироскопов навигационного класса точности.

Номер контракта: 14.578.21.0109

Руководитель: Мешковский Игорь Касьянович

Должность руководителя: Заведующий кафедрой Физики и техники оптической связи ГОУВПО "СПбГУ ИТМО"

Докладчик: Мешковский Игорь Касьнович, Заведующий кафедрой Световодной Фотоники Университета ИТМО,

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
будущий рыночный продукт: суперлюминесцентный источник оптического излучения, низкокогерентный источник оптического излучения. задача, которая решается для создания этого продукта: повышение температурной стабильности, стабилизация мощности, расширение температурного диапазона, стабилизация спектра излучения. предмет исследования: спектр излучения легированных волокон, стабильность волоконных решеток брэгга, функция когерентности. проблема, на решение которой направлено исследование: стабилизация параметров источника излучения, увеличение температурного диапазона, снижение когерентности оптического излучения.

Цель проекта:
1. 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. 2. 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 минус 50°С до 75°С.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Перечень научных и научно-технических результатов, подлежащих получению при выполнении ПНИЭР:
1) Метод построения СВИОИ;
2) Алгоритм управления лазерным диодом накачки;
3) Метод получения минимальной степени остаточной поляризации в СВИОИ;
4) Метод обеспечения минимальной флуктуации оптической мощности и центральной длины волны в широком температурном диапазоне;
5) Метод обеспечения минимального энергопотребления СВИОИ;
6) Метод выбора и подготовки к установке в СВИОИ волоконного активного световода;
7) Предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот;
8) Сформулированные технические требования в виде проекта технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения для волоконно-оптических гироскопов навигационного класса точности».

2. Основные характеристики планируемых результатов
1) Метод построения СВИОИ должен быть предназначен для реализации в составе ВОГ навигационного класса точности для решения задачи сохранения точностных параметров ВОГ в температурном диапазоне от -40 до +70 градусов Цельсия;
2) Алгоритм управления лазерным диодом накачки должен быть предназначен для минимизации временного дрейфа выходного сигнала (сдвига нуля) в ВОГ;
3) Метод получения минимальной степени остаточной поляризации в СВИОИ должен быть предназначен для уменьшения амплитудных шумов оптического сигнала в ВОГ;
4) Разрабатываемый метод обеспечения минимальной флуктуации оптической мощности и центральной длины волны в широком температурном диапазоне должен быть предназначен для минимизации амплитудных и фазовых шумов в ВОГ;
5) Метод обеспечения минимального энергопотребления СВИОИ должен быть предназначен для минимизации наводок и помех по питанию в ВОГ;
6) Метод выбора и подготовки к установке в СВИОИ волоконного АС должен быть предназначен для обеспечения формирования спектральных характеристик оптического излучения в ЭО СВИОИ;
7) Разрабатываемые предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот должны быть предназначены для предприятия реального сектора экономики, имеющего технологическую базу для серийного производства СВИОИ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В рамках ПНИЭР предполагается разработать экспериментальный образец СВИОИ, обладающий следующими ключевыми параметрами:
1) Центральная длина волны, формируемого оптического излучения 1,5 ±0,1 мкм.
2) Температурный коэффициент центральной длинны волны менее 0,1 ppm/˚C с погрешностью 0,01 ppm/˚C.
3) Рабочий диапазон температур от минус 40 ˚C до +70 ˚C.
4) Долговременная стабильность мощности формируемого оптического излучения с отклонением не более 0,5% за 8 часов работы и не более 0,1 % за 60 секунд работы.
5) Спектр формируемого СВИОИ выходного излучения, приближенный к распределению Гаусса, с минимальной по ширине, стабильной во времени и без боковых “лепестков” функцией временной когерентности.
6) Выходная оптическая мощность не менее 20 мВт.
7) Энергопотребление не более 20 Вт.
8) Степень остаточной поляризации менее 0,6%.

2. Перед настоящей ПНИЭР поставлены качественно новые задачи, отличающиеся от существующих технических решений, имеющихся в отечественной промышленности. В рамках ПНИЭР будут применены принципиально новые методы разработки и исследования СВИОИ, с использованием достижений современной отечественной промышленности в области электрооптики и оптических компонентов.

3. Проведенный анализ рынка показал (результаты представлены в Приложении 2 к пояснительной записке к заявке на участие в конкурсе» (прилагается в составе документов на усмотрение участников конкурса) ), что на сегодняшний день СВИОИ находящиеся в свободной продаже имеют ряд недостатков и не могут быть использованы в ВОГ.
Из ключевых недостатков, имеющихся в свободной продаже СВИОИ, можно выделить работу в узком диапазоне температур не превышающем 50 °C. К существенным недостаткам можно отнести большую температурную нестабильность ключевых параметров, таких как спектр оптического излучения, центральная длинна волны, а также выходная оптическая мощность, часто не регламентированная производителем и обычно составляющая от 10 ppm/°C до 100 ppm/°C. Немаловажным фактором является степень остаточной поляризации, которая должна составлять минимально возможные значения. Также стоит отметить, что все имеющиеся в свободной продаже СВИОИ, в том числе и производимые в России спроектированы в лучшем случае с использованием импортной элементной базы, а в большинстве случаев построены на базе готовых модулей иностранного производства.

4.
1) Проблема температурной стабильности спектра выходного излучения СВИОИ.
Нестабильность флуктуаций спектра и центральной длинны волны, а также выходной мощности генерируемого оптического излучения при работе в широком диапазоне температур напрямую связана с точностью показаний ВОГ. Температурная стабильность средней длинны волны излучения лазерного диода накачки обычно составляет около 400 ppm/°C, а нестабильность мощности 0,3 мВт/°С. Данная проблема решается двумя методами: созданием более стабильных диодов накачки с помощью температурной стабилизации, а также методом стабилизации резонатора с применением решеток Брэгга, которые выступают в роли спектрального фильтра. Преимуществом последнего метода является стабилизация излучаемого спектра без прироста потребляемой мощности всей системой, а также минимизация элементов в оптической схеме, что увеличивает КПД и надежность СВИОИ, а также снижает его стоимость. Используя данный метод, удается достигнуть наилучший результат стабильности центральной длинны волны СВИОИ на уровне 2 ppm в температурном диапазоне от 0°C до 70°C.
Отдельно стоит выделить метод, позволяющий достичь впечатляющих результатов, использующий фотонно-кристаллическое волокно, отличающееся низкой температурной зависимостью, в качестве активной среды. с помощью этого метода может быть получена стабильность центральной длинны волны на уровне 0.077 ppm/°C в широком температурном диапазоне от -40°C до 70°C.
2) Минимизация функции когеретности
Форма спектра излучения СВИОИ на основе эрбиевого активного световода (АС), обычно, содержит два выраженных пика в районе 1530 нм и 1560 нм, при этом функция временной когерентности является слишком затянутой, с большими боковыми «лепестками». Необходим источник оптического излучения с малой длиной когерентности, чтобы избежать паразитных интерференционных эффектов в оптической схеме и снизить уровень шума в измерительном тракте. Для этого в схему усилителя обычно вводятся спектрально селективные поглощающие фильтры на основе как световодных, так и объемных элементов. Одним из популярных видов фильтра является фотоиндуцированная длиннопериодная решетка (LPG, long-period grating). Эффективным вариантом решения проблемы является построение видоизмененных двухпроходных оптических схем накачки АС с применением полосовых фильтров комбинированных с отражателем Френеля. Существуют схемы с применением, в качестве фильтра, спектрального уплотнителя каналов (WDM – wavelength-division multiplexing). Хорошие результаты достигаются благодаря экспериментированию с применением в качестве выходного фильтра комбинации не накачиваемых эрбиевых волокон с различным спектром поглощения.
3) Степень деполяризации выходного излучения
Оптическая схема высокоточных ВОГ строится на одной поляризационной моде. Для применения в ВОГ необходим полностью деполяризованный свет, т.к. частично поляризованный свет, проходя через поляризатор, будет давать биения интенсивности от воздействий на подводящее волокно, полученных до поляризатора, что в свою очередь будет вносить ошибку в показания прибора и как следствие снижать точность ВОГ. Для минимизации остаточной поляризации обычно применяют волоконно-оптические деполяризаторы.
4) Импортозамещение
Отрасль радиоэлектронной промышленности находится в перечне приоритетных для импортозамещения отраслей. Поэтому построение СВИОИ на отечественной элементной базе можно считать приоритетной задачей. Решаться настоящая задача может только в тесной кооперации научно-исследовательских предприятий и предприятий реальных секторов экономики. Поэтому в качестве индустриального партнера по настоящему выступает: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 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. ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» имеет статус государственного научного центра Российской Федерации. На базе ГНЦ РФ ОАО "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. ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» совместно с Университетом ИТМО имеет многолетний положительный опыт разработки и создания БИНС на основе ВОГ прецизионного класса точности для морских объектов. Научные результаты полученные в ходе проведенных научных исследований легли в основу 7 кандидатских диссертаций, более 5 патентов РФ и более 25 публикаций в ведущих российских и международных периодических изданиях. Вся необходимая для производства СВИОИ технологическая база уже создана в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» в ходе совместной с Университетом ИТМО реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по теме: «Создание технологической базы для разработки и изготовления типоряда волоконно-оптических датчиков угловой скорости и навигационных систем, удовлетворяющих требованиям Российского морского регистра судоходства» (№02.G25.31.0044) в рамках реализации Постановления Правительства РФ №218 от 9 апреля 2010 г. Существующий задел в части технологии ВОГ позволяет наладить производство СВИОИ на уже существующей промышленной базе при минимально возможных сроках и инвестициях в освоение их выпуска на предприятиях профильных отраслей.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Возможными организациями потребителями ожидаемых научных и научно-технических результатов могут являться:
1) Предприятия реальных секторов экономики, занимающиеся разработкой и производством ВОГ в России и за рубежом;
2) Предприятия реальных секторов экономики, занимающиеся разработкой и производством высокоточных фазовых волоконно-оптических датчиков и измерительных системам различных физических величин;
3) Предприятия реальных секторов экономики, занимающиеся разработкой и производством навигационных систем на базе ВОГ.
4) Научные организации и ВУЗы, занимающиеся разработкой и исследованием по направлению элементов световодной фотоники, волоконно-оптических линий связи, фазовых волоконно-оптических датчиков.

2. Научные и научно-технические результаты, полученные в ходе выполнения запланированных ПНИЭР, могут быть использованы в сферах науки и техники, таких как:
1) 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.
2) Возможное применение в оптической когерентной томографии позволит записывать томограммы биологических объектов с высоким пространственным разрешением.
3) Применение в оптической спектроскопии, как высокостабильного ИОИ.
4) Применение в волоконно-оптических гироскопах позволит повысить их точность.
5) 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).

3. В перспективе серийное производство разрабатываемого СВИОИ, а также вытекающие из данного проекта разработки могут явиться одним из толчков к развитию волоконно-оптических технологий в России, поднять значимость данной отрасли промышленности и интерес к ней, создать новые рабочие места, в том числе, и для молодых специалистов. Освоение полного цикла производства такого сложного и точного устройства вызовет повышение стандартов качества, предъявляемых к образованию и самообразованию специалистов в данной области. Все эти факторы сыграют положительную роль в переходе к инновационной модели экономики России. Волоконно-оптическое приборостроение – современная, актуальная и чрезвычайно наукоемкая отрасль промышленности, успехи в которой, достигнутые при помощи отечественной элементной базы, положительно повлияют на достижения в военной, морской, космической и сырьевой промышленности, тем самым поднимая престиж и научный потенциал страны. Построение источника полностью на отечественных элементах позволит гарантировать качество, как составных его элементов, так и устройства в целом, обеспечить стабильность его цены в рублях, а так же обеспечить бесперебойность его производства.

4. Высокая востребованность, планируемого к разработке СВИОИ, подтверждается большим количеством предприятий реального сектора экономики и широким рынком фазовых волоконно-оптических датчиков и ВОГ в настоящее время в России, США, ЕС, Швейцарии, Японии, Канады и Великобритании. Создание отечественного образца СВИОИ, обеспечивающего высокую стабильность оптических параметров и низкий уровень спектральных шумов несомненно вызовет широкий интерес со стороны этих организаций и в перспективе позволит наладить международное сотрудничество в области фотоники и волоконно-оптических измерительных систем.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения работ по проекту в 2015 году по Этапу 1 "Выбор направления исследований" получены следующие результаты:
1) Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР
2) Патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
3) 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;
4) Поиск и анализ наиболее критичных к температурному воздействию оптоэлектронных элементов, входящих в состав СВИОИ;
5) Анализ существующих активных световодов, применяемых для создания ЭО СВИОИ;
6) Выбор и обоснование оптимальной конструкции активного световода для разрабатываемого ЭО СВИОИ;