Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Были разработаны и апробированы компьютерные модели резонаторных волоконных гироскопов. Сначала была разработана компьютерная модель обычного резонаторного волоконно-оптического гироскопа (РВОГ). Эта модель была построена в среде Simulink. Модель успешно отрабатывает измерение как постоянной, так и динамически изменяющейся угловой скорости. Результаты моделирования показали, что величина частоты модуляции ограничивает диапазон угловых ускорений, в которых способен работать РВОГ. Данное ограничение не является жестким: при частоте модуляции 70 кГц угловое ускорение, которое модель успешно отрабатывает, равно 56000 рад/с2. Также при рассмотренном способе измерения РВОГ не способен адекватно измерять угловую скорость, если в момент включения она превышает некоторую величину (для типичных значений параметров РВОГ составляет порядка 1 рад/с). Эта проблема была решена в модели, за счет реализации частотного сканирования резонатора при включении прибора. Далее была построена модель волоконно-оптического гироскопа с пассивным кольцевым резонатором, включенным в модулятор Маха-Цандера в среде Simulink. При моделировании были приняты некоторые допущения. Так как в данной работе основной интерес представляла предельная чувствительность (т.е. квантовый предел) рассматриваемого гироскопа, то было принято допущение, что влияние всех принципиально устранимых источников шумов и нестабильностей исключено или сведено к минимуму. При этом учитывались принципиально неустранимые шумы – фотонный шум, который обусловлен статистическими флуктуациями числа фотонов в потоке воздействующего на фотоприемник излучения. В модели были дополнительно заданы и другие типы шумов (например, тепловой шум фотоприемника), но для наглядности апробации модели они были отключены. Также было принято допущение, что частота лазерного источника света соответствует одной из мод пассивного кольцевого резонатора в неподвижном состоянии и остается неизменной в процессе моделирования. Это допущение не является необходимым для корректной работы модели (рассмотренная схема работоспособна и при нестабильности частоты излучения источника), а введено для большей простоты и наглядности результатов моделирования. Модель успешно отрабатывает измерение как постоянной, так и динамически изменяющейся угловой скорости. Результат измерения угловой скорости совпали с заданной угловой скоростью с точностью до величины шума. Таким образом, в среде Simulink были заданы и апробированны компьютерные модели волоконно-оптических гироскопов: модель соответствующую обычному резонаторному волоконно-оптическому гироскопу (РВОГ) и модель волоконно-оптическому гироскопу с пассивным кольцевым резонатором, включенным в модулятор Маха-Цандера (нового типа гироскопа, предложенного в рамках данного проекта). Также в рамках проекта было выполнено исследование влияния геометрических параметров, материала и типа конфигурации кольцевого конфокального резонатора на его оптические характеристики, поиск их оптимальных сочетаний. В частности, было определено, что оптимальное значение отношения площади резонатора к длине его осевого контура лежит в диапазоне от 1,25 до 3,75 мм. Было вычислено, что для того чтобы дифракционные потери не ограничивали добротность резонатора достаточно использовать отражающие поверхности с шириной и высотой не менее 100 мкм. Но размер отражающих поверхностей влияет и на устойчивость резонатора к разюстировкам, на сложность юстировки устройства ввода/вывода излучения и на уровень сложности изготовления резонатора. Учитывая это оптимальный размер отражающих поверхностей составляет от 1,5 до 5 мм. Было продемонстрировано как собственные частоты кольцевого конфокального резонатора зависят от оптической длины осевого контура резонатора и от количества торообразных зеркал. Оптимальным вариантом конструкции кольцевого конфокального резонатора, предназначенного для работы в качестве чувствительного элемента оптического резонаторного гироскопа, является моноблочный вариант, выполненный в виде единой отражательной призмы. Исходя из условия полного внутреннего отражения и характерных особенностей конструкций кольцевых конфокальных резонаторов были определены допустимые показатели преломления материала резонатора. В качестве оптимальных, можно выделить резонаторы из оптического полимера с тремя отражающими поверхностями и достижимой добротностью порядка 10^6, а также резонаторы из фторида кальция или плавленого кварца с тремя отражающими поверхностями и достижимой добротностью порядка 10^8 и выше. Для изготовления кольцевых конфокальных резонаторов с добротностью порядка 10^7 и выше является оптимальной технологией является алмазное точение. Также для изготовления таких резонаторов допустимым является использование магнитореологической обработки. При изготовлении кольцевых конфокальных резонаторов с добротностью порядка 10^6 и ниже также допускается использовать чистовое шлифование с последующим полированием свободным абразивом. Также в рамках данного гранта за отчетный период была выполнена разработка и сборка лабораторной установки предназначенной для экспериментального исследования кольцевых конфокальных резонаторов. В результате исследований проведенных в 2020 году были определены требуемые характеристики лабораторной установки. Затем были приобретены требуемые для ее сборки элементы. После этого соответствующая установка была собрана на оптическом столе. Также в рамках данного гранта была осуществлена разработка теоретических основ построения чувствительного элемента микроакселерометра на основе акустического кольцевого резонатора для измерения сверхбольших ускорений (разработана концепция построения микроакселерометра на основе акустического кольцевого резонатора для измерения сверхбольших ускорений). Эта концепция раскрывает как за счет использования консоли круглой формы, особого способа закрепления чувствительного элемента и заданной, в соответствии с аналитическими выражениями, кольцеобразной формы ПАВ-резонатора повысить характеристики микроакселерометра. Затем была осуществлена разработка математической модели чувствительного элемента микроакселерометра с использованием акустического кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах и оценены его характеристики. Общий вид мембранного чувствительного элемента с кольцевым резонатором ПАВ представлен в файле с дополнительными материалами. Модель выполнялась в программном пакете AutoCAD 2019 с последующим импортом модели в COMSOL Multiphysics вследствие ограниченных возможностей CAD редактора последнего. Резонатор состоит из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП) в форме кольца и пьезоэлектрического кристалла, расположенного между преобразователями. Вся конструкция ограничена по глубине и по радиусу демпфирующей средой для подавления паразитных отражений волн от внешних границ. При моделировании анализировались две модели крепления консоли: с использованием силиконового клея и без него. Закрепляемое расстояние консоли в корпусе (lfix) составляет 50 мкм. Толщина силиконового клея, включенного в расчеты первой модели, равна 10 мкм с каждой стороны консоли. В результате моделирования, в частности, было получено распределение нагрузки и смещений по диаметральному срезу консоли при различных ускорениях и определен порог чувствительности. Также были определены оптимальные для измерения сверхбольших ускорений материал и конструкция чувствительного элемента микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах. Оптимальными материалами являются Ниобат лития и кварц. Оптимальные конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра приведены на рисунках в файла с дополнительными материалами приложенном к отчету. Также в рамках отчетного периода были проанализированы уже анонсированные и новые пути применения свойств PT-симметрии и ее нарушения в инерциальных сенсорах на базе кольцевых резонаторов. Из-за наличия большого числа критически важных недостатков все найденные в открытом доступе пути были признаны не перспективными. Также была произведена разработка новых путей применения свойств PT-симметрии и ее нарушения в инерциальных сенсорах на базе кольцевых резонаторов. Один из разработанных путей применения свойств PT-симметрии и ее нарушения был признан перспективным. Его суть заключается во введении PT-симметричного элемента, представляющего собой два одинаковых (за исключением коэффициента усиления) оптически связанных параллельных волновода, в состав обычного резонаторного гироскопа.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Используя полученные на предыдущем этапе проекта компьютерные модели резонаторных волоконных гироскопов были проанализированы достоинства и недостатки различных типов оптических резонаторных гироскопов и разработана оптимальная (с точки зрения технологичности и потенциала к миниатюризации) схема прототипа миниатюрного волоконного резонаторного гироскопа, а также подходящий для нее алгоритм выработки выходного сигнала. Далее был получен прототип соответствующий этой схеме и теоретически исследованы его характеристики. При этом была закуплена часть элементов (набор оптоволоконных компонентов) необходимых для создания прототипа миниатюрного волоконного резонаторного гироскопа. Также была произведена разработка образца кольцевого конфокального резонатора, предназначенного для работы в качестве чувствительного элемента оптического резонаторного гироскопа. Были созданы его компьютерные модели. Соответствующий образец был закуплен. Затем было произведено теоретическое и экспериментальное исследование его характеристик. Была разработана схема лабораторного образца оптического резонаторного гироскопа на основе кольцевого конфокального резонатора, а также метод съема и обработки сигнала с кольцевого конфокального резонатора оптимальные для компактного оптического резонаторного гироскопа. Для этого, в частности, был произведен аналитический обзор существующих датчиков угловой скорости на основе кольцевых лазеров (лазерных гироскопов) и выявлены технологии, пригодные для адаптации в гироскопах на кольцевых конфокальных резонаторах. Также была произведена оценка влияния паразитных эффектов возникающих в оптических кольцевых волноводных и кольцевых конфокальных резонаторах на их характеристики как чувствительных элементов оптических гироскопов. При этом учитывались термооптические, оптомеханические эффекты и оптический эффект Керра. Была произведена оценка параметров поверхностно акустических волн, распространяющейся в акустическом кольцевом резонаторе при комплексном влиянии факторов различной физической природы. В рамках этого пункта был закуплен кольцевой резонатор чувствительного элемента ММА на ПАВ. Затем было осуществлено определение прочностных характеристик чувствительного элемента микроакселерометра на основе акустического кольцевого резонатора и влияние на него внешних воздействий (температуры, ускорения и вибраций). Также было выполнено исследование динамических диапазонов и масштабных коэффициентов микроакселерометров на основе акустического кольцевого резонатора. Было исследовано влияния анизотропии подложки на свойства микроакселеромеров на поверхностных акустических волнах. Была произведена оптимизация, с точки зрения повышение чувствительности, топологии кольцевого резонатора акселерометра на поверхностных акустических волнах с учетом анизотропии подложки (топология встречно-штыревых преобразователей и топология нагружения кольцевого резонатора инерционной массой).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Все запланированные работы были выполнены, а соответствующие результаты получены в полной мере. В соответствии с планом были выполнены следующие работы: Сборка лабораторного образца оптического резонаторного гироскопа на основе кольцевого конфокального резонатора. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик исследуемых в проекте оптических гироскопов. Для запланированного в проекте экспериментального исследования оптических гироскопов был преобретен перестраиваемый малошумящий лазер. Разработка макетного образца микроакселерометра с акустическим кольцевым резонатором и исследование его точностных характеристик. Сопоставительный анализ точностных характеристик разрабатываемого микроакселерометра, полученных методом математического моделирования и экспериментально. Исследование влияния технологических погрешностей на выходной сигнал и анализ особенностей съема выходного сигнала микроакселерометра на поверхностных акустических волнах при использовании в качестве чувствительных элементов кольцевых резонаторов. Разработка методики расчета микроакселерометра на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале. Разработка рекомендаций по оптимизации чувствительного элемента разрабатываемого акселерометра для увеличения его чувствительности. На основе анализа полученных в процессе выполнения проекта результатов и сопоставления их с результатами полученными сторонними научными группами и имеющимися в открытом доступе патентами по данной тематике выявлены описаны пути дальнейшего повышения характеристик оптических инерциальных сенсоров на кольцевых резонаторах. Были получены результаты, кратко представленные ниже: - Был создан лабораторный образец оптического резонаторного гироскопа на основе кольцевого конфокального резонатора. При создании лабораторного образца оптического резонаторного гироскопа на основе кольцевого конфокального резонатора использовались результаты, полученные на предыдущем этапе проекта. Также использовались оптоволоконные элементы, приобретенные на предыдущем этапе и перестраиваемый лазер, приобретенный на третьем году проекта. - Были получены теоретические и экспериментальные оценки характеристик исследуемых в проекте оптических гироскопов. В частности, предельная чувствительность предложенного метода при использовании первого волоконного резонатора она составила 3,2 °/ч, при использовании второго волоконного резонатора 1,8 °/ч, при использовании кольцевого конфокального резонатора 1,0 °/ч. Были эксперементально и аналитически получены частотные характеристики чувствительных элементов исследуемых гироскопов. Точность измерения прототипа гироскопа составила: 11 °/с при измерении по размаху квазигармонического сигнала S и 0,4 °/с при измерении по его фазе Φ. Допустимый диапазон измерений полученного составляет около ±26000 °/с. - Было создано несколько макетных образецов микроакселерометра с акустическим кольцевым резонатором и получены результаты оценки их точностных характеристик. Все экспериментальные образцы выполнены на подложке из среза YX-128° ниобата лития высотою 350 мкм. Штыри имеют конусообразное исполнение. Были экспериментально получены их частотные характеристики. Определена зависимость чувствительности от отношения радиуса консоли к ее высоте. Её наибольшее значение составило около 220 Гц/g. Также определены максимально допустимые ускорения, которые могут выдержать микроакселерометры при различных параметрах акустических кольцевых резонаторов. Был произведен сопоставительного анализа точностных характеристик разрабатываемого микроакселерометра, полученных методом математического моделирования и экспериментально. Результаты анализа показали соответствие результатов полученных с использованием моделирования и эксперементально, что подтверждает верность выводов и результатов полученных на предыдущих этапах проекта. - Получена оценка влияния технологических погрешностей на выходной сигнал и произведен анализ влияния особенностей съема выходного сигнала микроакселерометра на поверхностных акустических волнах при использовании в качестве чувствительных элементов кольцевых резонаторов. При этом выделено влияние ВШП на частотные характеристики. Оценка и анализ проведены для восьми различных типов ВШП. - Получена методика расчета микроакселерометра на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале. Методика включает в себя два последовательных этапа: расчет механической части ЧЭ и расчет топологии КВШП. - Выработаны рекомендации по оптимизации чувствительного элемента разрабатываемого микроакселерометра для увеличения его чувствительности. Консоль должна быть прикреплена в корпусе на расстоянии не менее 50 мкм от ее торца с помощью силиконового клея. Консоль необходимо изготавливать из ниобата лития при планируемых малых перепадах температур. При значительных перепадах температур допустимо изготовление консоли из ST-среза кварца. При преимуществе использования нитрида алюминия в качестве материала консоли вследствие меньших потерь энергии системой изготовление консоли ЧЭ из данного материала нежелательно, если ожидаются выраженные колебания температуры, так как AlN очень чувствителен к ним. Для значительного увеличения чувствительности необходимо размещение инерционной массы в центре консоли диаметром не более половины диаметра кольцевого резонатора. Следует учитывать, что наличие инерционной массы уменьшит диапазон измерений. Автогенерация в кольцевом резонаторе может быть выполнена при изъятии не более одной пары ВШП на 10 и более периодов. При этом изъятие ВШП должно быть равномерным. При увеличении количества изъятых ВШП нарушается геометрия кольцевого резонатора, и волна покидает конструкцию. Наличие общей шины позволяет удерживать поверхностную акустическую волну внутри конструкции ВШП. Сужение периодов к внутренней части конструкции позволяет улучшить частотные характеристики кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах. Чувствительность и максимальное выдерживаемое ускорение чувствительного элемента кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах прямо зависит от соотношения радиуса консоли к ее высоте, причем чем выше чувствительность – тем ниже максимальное выдерживаемое ускорение. Для каждого материала данные зависимости являются уникальными. Размер шины ВШП слабо влияет на частотные характеристики. - Определены основные пути дальнейшего повышения характеристик оптических инерциальных сенсоров на кольцевых резонаторах. Для повышения точности регистрации собственных частот пассивного кольцевого резонатора и, как следствие, повышения точности измерения угловой скорости на несколько порядков, могут использоваться системы со свойствами PT-симметрии (Parity-Time symmetry). В процессе работы над проектом был дополнительно разработан новый подтип оптического резонаторного гироскопа, основанный на использовании системы из двух параллельных волноводов со свойствами PT-симметрии. Еще один путь дальнейшего развития оптических инерциальных сенсоров на кольцевых резонаторах заключается к переходу от использования высокогерентного источника излучения (лазера) к использованию низкокогерентного источника света. Это позволит решить проблемы (исключить ошибки в измерениях) вызванные обратным рассеянием, переотражениями на элементах гироскопа, поляризационными перекрестными помехами, эффектом Керра, шумом частоты лазера. Также в перспективе это позволить снизить требования к используемому в сенсорах источнику света.