ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-866-872ntv-54Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGУменьшение влияния амплитудных искажений LiNbO3 фазового модулятора на сигнал волоконно-оптического гироскопа за счет применения дополнительной модуляцииApplication of additional high-frequency modulation to reduce influence of residual amplitude modulation LiNbO3 phase modulator on fiber optical gyroscope signalhttps://orcid.org/0000-0001-5682-5819ВостриковЕ. В.VostrikovE. V.

Востриков Евгений Владимирович — инженер; инженер

Санкт-Петербург, 197101

Дортмунд, 44263, Германия 

sc 57219034468

Evgenii V. Vostrikov — Engineer; Engineer

Saint Petersburg, 197101

Dortmund, 44263, Germany 

sc 57219034468

e.v.vostrikov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7027-0178УмноваА. В.UmnovaA. V.

Умнова Ангелина Валерьевна — инженер; инженер

Санкт-Петербург, 197101

Людвика, 77131, Швеция

sc 57381228100

Angelina V. Umnova — Engineer; Engineer

Saint Petersburg, 197101

Ludvica, 77131

sc 57381228100

aumnova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7682-348XАлейникА. С.AleinikA. S.

Алейник Артём Сергеевич — кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией

Санкт-Петербург, 197101

sc 54793978900

Artem S. Aleinik — PhD, Associate Professor, Head of Laboratory

Saint Petersburg, 197101

sc 54793978900

artemal@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7280-0985ПогудинГ. К.PogudinG. K.

Погудин Григорий Константинович — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Grigorii K. Pogudin — Engineer

Saint Petersburg, 197101

gkpogudin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7151-9235СтригалевВ. Е.StrigalevV. E.

Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор

Санкт-Петербург, 197101

sc 6603225596

Vladimir E. Strigalev — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 6603225596

vestrigalev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3470-1000МешковскийИ. К.MeschkovskiiI. K.

Мешковский Игорь Касьянович — доктор технических наук, профессор, профессор

Санкт-Петербург, 197101

sc 6603640937

Igor K. Meschkovskii — D. Sc., Full Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 6603640937

igorkm@itmo.ruУниверситет ИТМО; Innolume GmbHРоссияITMO University; Innolume GmbHRussian FederationУниверситет ИТМО; Hitachi EnergyРоссияITMO University; Hitachi EnergyRussian FederationУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202211122024225866872Copyright © Востриков Е.В., Умнова А.В., Алейник А.С., Погудин Г.К., Стригалев В.Е., Мешковский И.К., 20242024Востриков Е.В., Умнова А.В., Алейник А.С., Погудин Г.К., Стригалев В.Е., Мешковский И.К.Vostrikov E.V., Umnova A.V., Aleinik A.S., Pogudin G.K., Strigalev V.E., Meschkovskii I.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/54Предмет исследования

Предмет исследования. Паразитная амплитудная модуляция оптического сигнала в фазовом модуляторе — один из факторов, ограничивающих точность высокочувствительных волоконно-оптических датчиков. Волоконно-оптический гироскоп — датчик угловой скорости, чувствительность которого составляет менее 0,001 °/ч. Изменение интенсивности оптического излучения при прохождении через фазовый модулятор приводит к возникновению ложного сигнала рассогласования в интерферометре Саньяка, что вносит ошибку в сигнал угловой скорости. Способы подавления паразитной амплитудной модуляции основаны на уменьшении отражений в местах стыковки оптических волокон, изготовлении поглощающих канавок для блокировки оптического излучения от нижней грани фазового модулятора и алгоритмических способов компенсации.

Метод

Метод. Представлен новый метод уменьшения влияния паразитной амплитудной модуляции LiNbO3 фазового модулятора на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Особенность метода — применение дополнительной модуляции дифференциальным сигналом с равномерным распределением амплитуд в диапазоне рабочих напряжений фазового модулятора.

Основные результаты

Основные результаты. Предложенный метод позволяет уменьшить влияние паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора многофункциональной интегрально-оптической схемы на сигнал волоконно-оптического гироскопа более чем в три раза. Для этого применена дополнительная модуляция треугольным сигналом с частотой f = 200,09 МГц и мощностью P = 36 дБм.

Практическая значимость

Практическая значимость. Разработанный метод может использоваться для повышения точностных характеристик волоконнооптических гироскопов. Кроме того, метод может быть применим и к другим волоконно-оптическим датчикам, в которых использованы фазовые модуляторы на основе кристалла ниобата лития. Работа может быть интересна специалистам в области высокочувствительных волоконно-оптических датчиков, волоконной и интегральной оптики.

Residual amplitude modulation in LiNbO3 phase modulator is one of the key factors that limit the accuracy of highsensitive fiber-optical sensors. A fiber-optical gyroscope is an angular velocity sensor whose sensitivity is better than 0.001 °/h. Optical light intensity changes after phase modulator is a reason for wrong phase difference that introduces an error in the angular velocity signal. Most existing residual amplitude modulation suppression methods are based on reduction of back reflections between an optical fiber and integrated optical waveguide, absorbing groove to suppress or reduce reflection on the bottom face, and algorithmic compensation. In this paper, new approach to reduce residual amplitude modulation in LiNbO3 for fiber optical gyroscope application is presented. Method feature is an application of additional differential signal modulation with uniform amplitude distribution in the input signal voltage range of the phase modulator. The proposed method allows to suppress residual amplitude modulation of the multifunctional integrated optical circuit phase modulator more than 3 times using additional triangle signal modulation with the frequency f = 200.09 MHz and power P = 36 dBm. This method is suitable for improving fiber optical gyroscope accuracy. Moreover, it could be applied for any fiber-optic sensors based on LiNbO3 phase modulator. The paper will be of interest to specialists in the field of highly sensitive fiber optical sensors, fiber, and integrated optics.

паразитная амплитудная модуляцияфазовый модуляторволоконно-оптический гироскопниобат литиямодуляцияresidual amplitude modulationphase modulatorfiber-optical gyroscopelithium niobitemodulationРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Госзадание № 2019-0923.This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, goszadanie no. 2019-0923.ReferencesWei L., Tjin S.C. Special issue «Fiber optic sensors and applications»: An overview // Sensors. 2020. V. 20. N 12. P. 3400. https://doi.org/10.3390/s20123400Wei L., Tjin S.C. Special issue «Fiber optic sensors and applications»: An overview. Sensors, 2020, vol. 20, no. 12, pp. 3400. https://doi.org/10.3390/s20123400Волоконно-оптические датчики / под ред. Э.Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists. Ed. by E. Udd. John Wiley & Sons, lnc., 2006.Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope. Boston: Artech House, 2014. 391 p.Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope. Boston, Artech House, 2014, 391 p.Lefevre H.C., Martin P., Morisse J., Simonpietri P., Vivenot P., Arditti H.J. High-dynamic-range fiber gyro with all-digital signal processing // Proceedings of SPIE. 1991. V. 1367. P. 72–80. https://doi.org/10.1117/12.24730Lefevre H.C., Martin P., Morisse J., Simonpietri P., Vivenot P., Arditti H.J. High-dynamic-range fiber gyro with all-digital signal processing. Proceedings of SPIE, 1991, vol. 1367, pp. 72–80. https://doi.org/10.1117/12.24730Новиков А.В. Принцип работы волоконно-оптического гироскопа // Гео-Сибирь. 2006. Т. 4. С. 72–75 [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/printsip-raboty-volokonnoopticheskogo-giroskopa (дата обращения: 15.03.2022).Novikov A.V. Operation principle of fiber optic gyroscope. GEOSiberia, 2006, vol. 4, pp. 72–75. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/printsip-raboty-volokonno-opticheskogo-giroskopa (accessed: 15.03.2022). (in Russian)Wang D., Sheng F. Residuary intensity modulation of the phase modulator in IFOG and its measurement // Guangdian Gongcheng/ Opto-Electronic Engineering. 2007. V. 34. N 7. P. 26–29.Wang D., Sheng F. Residuary intensity modulation of the phase modulator in IFOG and its measurement. Guangdian Gongcheng/ Opto-Electronic Engineering, 2007, vol. 34, no. 7, pp. 26–29.Wang W., Wang J. Study of modulation phase drift in an interferometric fiber optic gyroscope // Optical Engineering. 2010. V. 49. N 11. P. 114401. https://doi.org/10.1117/1.3509360Wang W., Wang J. Study of modulation phase drift in an interferometric fiber optic gyroscope. Optical Engineering, 2010, vol. 49, no. 11, pp. 114401. https://doi.org/10.1117/1.3509360Погорелая Д.А. Исследование влияния фазовых и амплитудных искажений оптического сигнала в электрооптическом модуляторе на точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.01. СПб.: Университет ИТМО, 2019. 155 с.Pogorelaia D.A. Investigation of phase and amplitude distortions influence of an optical signal in an electro-optic modulator on the accuracy characteristics of a fiber optic gyroscope. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, ITMO University, 2019, 155 p. (in Russian)Ishibashi C., Ye J., Hall J.L. Analysis/reduction of residual amplitude modulation in phase/frequency modulation by an EOM // Proc. of the Summaries of Papers Presented at the Quantum Electronics and Laser Science Conference. 2002. P. 91–92. https://doi.org/10.1109/QELS.2002.1031144Ishibashi C., Ye J., Hall J.L. Analysis/reduction of residual amplitude modulation in phase/frequency modulation by an EOM. Proc. of the Summaries of Papers Presented at the Quantum Electronics and Laser Science Conference, 2002, pp. 91–92. https://doi.org/10.1109/QELS.2002.1031144Петров В.М., Шамрай А.В. СВЧ интегрально-оптические модуляторы. Теория и практика: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2021. 225 с.Petrov V.M., Shamrai A.V. Microwave Integrated Optical Modulators. Theory and Practice. Moscow, ITMO University, 2021, 225 p. (in Russian)Mondain F., Brunel F., Hua X., Gouzien E., Zavatta A., Lunghi T., Doutre F., De Micheli M.P., Tanzilli S., D’Auria V. Photorefractive effect in LiNbO3-based integrated-optical circuits for continuous variable experiments // Optics Express. 2020. V. 28. N 16. P. 23176–23188. https://doi.org/10.1364/OE.399841Mondain F., Brunel F., Hua X., Gouzien E., Zavatta A., Lunghi T., Doutre F., De Micheli M.P., Tanzilli S., D’Auria V. Photorefractive effect in LiNbO3-based integrated-optical circuits for continuous variable experiments. Optics Express, 2020, vol. 28, no. 16, pp. 23176–23188. https://doi.org/10.1364/OE.399841Аксарин С.М., Смирнова А.В., Шулепов В.А., Парфенов П.С., Стригалев В.Е., Мешковский И.К. Исследование пироэлектрического спонтанного переключения доменов в межэлектродном зазоре фазового модулятора на основе титан-диффузионных волноводов в кристаллах ниобата лития // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 3. С. 361–373. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-361-373Aksarin S.M., Smirnova A.V., Shulepov V.A., Parfenov P.S., Strigalev V.E., Meshkovskiy I.K. The study of spontaneous domain nucleation in the interelectrode gap of phase modulator based on titanium indiffused waveguides in lithium niobate crystals. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 3, pp. 361–373. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-361-373Кузнецов В.Н., Литвинов Е.В., Востриков Е.В., Дейнека И.Г. Вспомогательный генератор сигнала произвольной формы для волоконно-оптического гироскопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 2. С. 302–307. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-2-302-307Kuznetsov V.N., Litvinov E.V., Vostrikov E.V., Deyneka I.G. Auxiliary arbitrary waveform generator for fiber optic gyroscope. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 2, pp. 302–307. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-2-302-307Vázquez C., Vargas E.S., Sanchez Pena J.M. Sagnac loop in ring resonators for tunable optical filters // Journal of Lightwave Technology. 2005. V. 23. N 8. P. 2555–2567. https://doi.org/10.1109/JLT.2005.850793Vázquez C., Vargas E.S., Sanchez Pena J.M. Sagnac loop in ring resonators for tunable optical filters. Journal of Lightwave Technology, 2005, vol. 23, no. 8, pp. 2555–2567. https://doi.org/10.1109/JLT.2005.850793Chan E.H.W., Minasian R.A. Widely tunable, high-FSR, coherencefree microwave photonic notch filter // Journal of Lightwave Technology. 2008. V. 26. N 8. P. 922–927. https://doi.org/10.1109/JLT.2007.912529Chan E.H.W., Minasian R.A. Widely tunable, high-FSR, coherencefree microwave photonic notch filter. Journal of Lightwave Technology, 2008, vol. 26, no. 8, pp. 922–927. https://doi.org/10.1109/JLT.2007.912529

The authors declare that there are no conflicts of interest present.