Современное состояние и тенденции развития технологии производства волоконно-оптических гироскопов (ВОГ)

Как известно, теория создания оптических гироскопов возникла ещё в начале 20-го века, сразу после открытия эффекта Саньяка, однако первые гироскопы такого типа начали производить только в 1960-х гг. Это были кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Идея же использовать в качестве светового контура гироскопа оптическое волокно родилась во второй половине 1970-х гг. в США, но первыми к её практическому осуществлению подошли японские учёные в начале 1990-х гг. в сфере аэрокосмического применения. Столь долгая эволюция волоконно-оптической гироскопии объясняется необходимостью подготовки компонентной базы для производства волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), отвечающих современным запросам в области инерциальной навигации и стабилизации пространственного положения носителей.

На сегодняшнем этапе технологического развития волоконно-оптические гироскопы обладают преимуществом более компактной и более простой структуры, чем КЛГ. В частности, во многих случаях вместо лазерного излучателя в ВОГ можно использовать светодиод. При этом волоконно-оптические гироскопы на данный момент достигают точностных показателей ранее доступных только лазерным гироскопам (стабильность нулевого смещения - 0,001 °/ч) и даже опережают их, а также имеют перспективу дальнейшей миниатюризации (создание микрооптических гороскопов). Говоря о видах современных ВОГ, их можно разделить как по конструкционным признакам, так и по классу точности и применению (инерциальная навигация или стабилизация положения). 

ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ВОГ

Простейшая конфигурация волоконно-оптического гироскопа состоит из следующих компонентов:

1. Излучатель в виде суперлюминесцентного светодиода (СЛД), реже используется лазерный диод.
2. Фото-приёмное устройство (ФПУ) или фотодетектор, как правило в его качестве выступает PIN-фотодиод.
3. Многовитковая катушка волоконного световода, в ВОГ чаще всего используется одномодовое оптическое волокно, поскольку оно наилучшим образом сохраняет поляризацию.
4.  Светоделительные пластины (2шт.), необходимые для фазовой модуляции.
5. Светофильтр и поляризатор.

Свет из излучателя попадает на светоделитель, который разделяет изначальное излучение на два направления. Эти лучи распространяются в волоконном контуре в противоположных направлениях и, пройдя его, снова поступают на светоделительную пластинку, а затем на вход фотодетектора, который фиксирует расхождение фаз встречных световых волн.

В действительности же оптические схемы ВОГ более сложны и включают в себя большее количество компонентов (конвертеры, ответвители и т.д.), что является необходимым для обеспечения приемлемого уровня выходного сигнала. Описанная выше конфигурация ВОГ носит наименование конфигурации с открытым контуром (open-looped), но в реальности чаще используется схема с обратной связью (демодулированный световой сигнал запускается обратно в волоконно-оптический контур с целью дальнейшего суммирования прямого расхождения фаз и дополнительно синхронизированного, что позволяет достичь большей линейности выходного сигнала). Такая конфигурация ВОГ получила название закрытого контура (close-looped), его преимущество состоит в высокой линейности выходных характеристик, в стабильности масштабного коэффициента и неограниченном диапазоне измеряемых угловых скоростей. Однако это подразумевает и более сложную структуру волоконно-оптического гироскопа, включающую в себя высокочастотную фазовую модуляцию и высокоскоростную цифровую схему обработки выходного сигнала, кроме того, использование интегральной оптической схемы подразумевает необходимость стыковки оптических компонентов, которая чревата дополнительными потерями. В этом смысле ВОГ на основе открытой конфигурации являются более простыми и надёжными, хотя и менее точными (обычно такие ВОГ используются не для навигации, а просто для определения трёхкоординатного положения носителя в определённый момент времени). 

Исходя из основных параметров, определяющих точностные характеристики, волоконно-оптические гироскопы можно условно разделить на следующие классы:

Класс точности	Стабильность смещения нуля, °/ч	Стабильность масштабного коэффициента, ppm	Интенсивность белого шума, °/√ч	Диапазон скоростей вращения, об/мин
Стабилизационный	10-1000	1000 – 10 000	> 0,5	> 100
Тактический	1 – 10	100 – 1000	0,5 – 0,05	10-100
Средний	0,01 – 1	10 – 100	0,05 – 0,005	10-100
Навигационный	<0,01	<10	<0,005	10-100
Стратегический	<0,001	1 - 3	<0,0003	<10

Из вышеприведённой таблицы видно, что ВОГ пока ещё уступают КЛГ в стабильности масштабного коэффициента, зато они потенциально имеют менее сложную конструкцию при тех же точностях.

Все, производимые на сегодняшний день, волоконно-оптические гироскопы принадлежат к т.н. интерференционному типу (IFOG), т.е. они построены на принципе определения разности фаз двух встречных световых волн, которая прямо пропорциональна угловой скорости вращения контура интерферометра (в чём, собственно, и состоит эффект Саньяка). Однако это не единственный способ определения углового смещения носителя, его также можно вычислить по разнице частоты распространения встречных световых потоков, получаемой с помощью резонатора, правда на практике это оказалось сделать гораздо сложнее из-за многочисленных помех, препятствующих корректному выводу сигнала и только в последнее время наметилась технологическая основа для создания ВОГ резонансного типа (RFOG), которые должны при использовании волокна на несколько порядков меньшей длины достичь той же точности измерений, что и интерферометрические ВОГ. По этой причине резонансная конфигурация ВОГ стала позиционироваться как более дешевая, помехоустойчивая и обладающая наибольшим потенциалом к снижению массогабаритных характеристик и потребляемой мощности. При этом стоит отметить, что большинство разрабатываемых на настоящий момент резонансных моделей ВОГ создаются на основе микрооптических схем.

МИКРООПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

Основным технологическим драйвером для идеи создания микрооптических гироскопов (МОГ) стало появление сверхминиатюрных чувствительных элементов в виде пассивных кольцевых резонаторов (ПКР). В настоящее время существует достаточно много видов ПКР на основе различных типов оптических волноводов (т.н. «плоские волноводы», микроволоконные и фотоннокристалические).  Лидирующими технологиями в этой сфере по мнению ряда аналитиков являются микрооптоэлектромеханические гироскопы (MOEMS) интерференционного типа и резонансные микрооптические гироскопы (RMOG).

MOEMS представляет собой гибридную технологию, сочетающую в себе микрооптический интерферометр и микромеханическую схему преобразования сигнала. Свет, исходящий из лазерного излучателя, разделяется на два потока, которые проходят по коническому волокну, соединённому с плоским резонатором в виде микродиска. Таким образом, резонансные лучи проходят вокруг диска в двух встречных направлениях и поступают в фотодетекторы и их фазовое расхождение анализируется блоком обработки сигнала для получения значения угловой скорости. Данная схема в ближайшем будущем может позволить создавать сверхминиатюрные ВОГ, обладающие высокой чувствительностью и устойчивостью к перегрузкам.

Работа же RMOG построена на основе многооборотного кольцевого резонатора волноводного типа (WRR). Главным отличием RMOG от MOEMS является то, что предметом детектирования является не фазовый, а частотный сдвиг, по которому определяется искомая величина инерциальной угловой скорости.

Тем самым, появление новых технологий в производстве ВОГ возможно приведёт к изменению структуры рынка гироскопов в целом. 

МИРОВОЙ РЫНОК ГИРОСКОПОВ

По данным американской аналитической компании «Mordor Intelligence» мировой рынок гироскопов в целом за 2019 год оценивался в 2232,56 млн. долларов США и, как ожидается, достигнет стоимости 2896,86 млн. долларов США к 2025 году при среднегодовом темпе роста 4,44%. При этом львиная доля рынка в финансовом выражении традиционно приходится на оптические гироскопы (ВОГ и КЛГ):

Однако, следует отметить, что сохранение структуры рынка или её кардинальное изменение поддаётся прогнозированию в наименьшей степени, т.к. любой серьёзный технологический прорыв на каком-либо направлении развития гироскопии (ТВГ, МЭМС, ВОГ, КЛГ) может привести к полному переделу рынка гироскопов в обозримом будущем.    В настоящее время можно констатировать две тенденции, касающиеся положения волоконно-оптических гироскопов на мировом рынке:

1. На выставке CES 2023 компания ANELLO Photonics (США) продемонстрировала первый в мире серийный микрооптический гироскоп SiPhOG (Silicon Photonics) с волноводом из нитрида кремния созданный совместно с компанией Tower Semiconductor (США) на основе технологии интегрированной кремниевой фотоники (MOEMS), а также интегрированную навигационную систему (GNSS/INS) EVK на базе гироскопов SiPhOG, которые способны обеспечить стабильность смещения нуля в пределах 0,5°/ч в полностью автономном режиме функционирования.
   
   Данные приборы по своим массогабаритным характеристикам вполне сопоставимы с навигационными системами, которые построены на микроэлектромеханических (MEMS) компонентах, но вместе с тем имеют более высокую точность и в гораздо меньшей степени подвержены воздействию температуры и вибрации, хотя и требуют больших затрат на изготовление. Все эти обстоятельства вполне могут привести к частичному вытеснению микроэлектромеханических гироскопов микрооптическими на рынке сверхкомпактных навигационных приборов.

2. Компания iXblue (Франция) представила на форуме SAS 2019 новую военно-стратегическую волоконно-оптическую инерциальную навигационную систему морского базирования MARINS M11, которая обеспечивает погрешность измерений в 3 морские мили за 15 суток в полностью автономном режиме (стабильность нулевого смещения гироскопа - 0,0001°/ч), что значительно превосходит возможности аналогичных систем, построенных на основе кольцевых лазерных гироскопов, но при этом  MARINS M11 выгодно отличается относительно небольшой массой (всего 62кг) и компактным размером (590 x 500 x 403) среди систем такого класса. И хотя эта навигационная система на данный момент продолжает сохранять лидирующие позиции по своим точностным показателям, однако сегодня уже многие инерциальные приборы на ВОГ достигли стратегического класса точности и способны составить серьёзную конкуренцию приборам на КЛГ.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕНДЕНЦИИ В МОДЕЛИРОВАНИИ ВОГ

1. В конструировании современных высокоточных моделей интерференционных ВОГ преимущественно используются комбинированные интегрально-оптической схемы на основе многоконтурных волоконно-оптических структур с несколькими фазовыми модуляторами и ФПУ, что продиктовано необходимостью снижения погрешностей и обеспечения большего уровня стабильности масштабного коэффициента.
2. При создании ВОГ средней точности всё чаще применяются интегрально-оптические схемы на основе использования деполяризованного излучения. Включение в оптический контур деполяризаторов позволяет упростить конструкцию ВОГ, снизить стоимость компонентов, упростить элементную базу и число сварных соединений при сохранении чувствительности и прочих ключевых показателей ВОГ.
3. Переход с обычного оптического волокна на полое, который призван увеличить скорость прохождения светового сигнала и одновременно уменьшить тепловой дрейф и уровень шумов, а также массогабаритные характеристики ВОГ.
4. Прогнозируемое появление в обозримом будущем большого количества серийных моделей МОГ на основе как технологии IFOG (MOEMS), так и технологии RFOG (RMOG).
5. Разработка МОГ с использованием резонаторов мод шепчущей галереи (МШГ). Поскольку оптические резонаторы МШГ отличаются сверхвысокой добротностью при микронных размерах и низких частотных помехах, они рассматриваются рядом специалистов в качестве наиболее перспективного чувствительного элемента для МОГ, однако главной проблемой при их интеграции в оптическую схему остаётся ненаправленность выходного излучения, что пока что является главным препятствием для полноценной реализации идеи МОГ на резонаторах данного типа.
6. Использование вместо обычного светового потока, светового сигнала на запутанных фотонах, что должно повысить как точность, так и предел чувствительности ВОГ. На данном этапе такие эксперименты проводятся при конструировании оптико-волоконных линий связи (ВОЛС) с использованием полого волокна для решения вопроса быстрого затухания светового потока в нём. Следующим шагом вполне возможно станет применение эффекта излучения запутанных фотонов и в полых волоконных контурах ВОГ.
7. Появление в будущем сверхнадёжных и энерго- экономичных (маломощных) ВОГ на основе эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Этот эффект, заключающийся в возбуждении световой волной акустических колебаний в гиперзвуковом диапазоне, в своём спонтанном виде (СРМБ) давно известен как один из источников прерывания светового сигнала при прохождении через оптическое волокно, однако его можно получать и целенаправленно, что например применяется в ВРМБ-лазерах и усилителях для увеличения определённых спектральных компонентов излучения. Измерения бриллюэновского смещения по частоте также можно использовать для определения угловой скорости, но пока что это остаётся одним из перспективных направлений в исследованиях.