Математическая модель оптического преобразователя линейного ускорения на основе управляемых связанных оптических волноводов

Рассмотрены различные преобразователи линейного ускорения, отмечены их достоинства и недостатки. Классические микроэлектромеханические акселерометры миниатюрны, но подвержены электромагнитным помехам, а их метрологические характеристики недостаточно стабильны. Традиционные волоконно-оптические датчики на базе волоконных брэгговских решёток или интерферометров Фабри-Перо обеспечивают высокую чувствительность, однако отличаются сложностью оптической схемы, крупными габаритами и высокой чувствительностью к температурным дрейфам, что затрудняет их интеграцию в системы навигации, авионики, космической техники. Разработан оптический преобразователь линейного ускорения на основе управляемых связанных оптических волноводов. Функциональная схема преобразователя включает чувствительный элемент, источник оптического излучения, фотоприёмники, преобразователи «ток – напряжение» и дифференциальную схему обработки. Предложена математическая модель, описывающая зависимость коэффициента связи оптических волноводов от механических напряжений, индуцированных ускорением. Модель учитывает влияние фотоупругого эффекта. Проведено математическое моделирование работы преобразователя при различных геометрических параметрах конструкции чувствительного элемента. Проведены экспериментальные исследования оптического преобразователя линейного ускорения, которые подтвердили достоверность предложенной модели: достигнута чувствительность 10,5 мВ·с²·м^–1 при нелинейности не более 0,68 % в диапазоне ускорений ±200 м/с². Показана работоспособность преобразователя на основе оптического разветвителя со сплавными волноводами. Такой преобразователь может быть выполнен также на основе планарных связанных волноводов.

1. Akbaba C. E., Tanrıkulu M. Y. MEMS capacitive accelerometer: A review. Artıbili m: Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(2), 41–58 (2023). https://doi.org/10.55198/artibilimfen.1386846

2. Veena S., Newton Rai, H. L. Suresh, Nagaraja V. S. Design, modelling, and simulation analysis of a Single Axis MEMS-based Capacitive Accelerometer. International Journal of Engineering Trends and Technology, 69(10), 82–88 (2021). https://doi.org/10.14445/22315381/IJETT-V69I10P211

3. Алексеева В. В., Папко А. А., Калинин М. А., Кирянина И. В., Шепталина С. В. Повышение разрешающей способности и стабильности метрологических характеристик микромеханических акселерометров. Измерительная техника, (3), 19–21 (2011). https://elibrary.ru/nduxwd

4. Gomathi K., Balaji A., Mrunalini T. Design and optimization of differential capacitive micro accelerometer for vibration measurement. Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 30(1), 19–27 (2021). https://doi.org/10.1515/jmbm-2021-0003

5. Lu Q. B., Wang Y. N., Wang X. X., Yao Y., Wang X. W. et al. Review of micromachined optical accelerometers: from mg to sub-μg. OptoElectron, 4(3), 200045 (2021). https://doi.org/10.29026/oea.2021.200045

6. Kim T. H. Analysis of optical communications, fiber optics, sensors and laser applications. Journal of Machine and Computing, 3(2), 115–125 (2023). https://doi.org/10.53759/7669/jmc202303012

7. Xin C., Xu Y., Zhang Z., Li M. Micro-opto-electro-mechanical systems for high-precision displacement sensing: A Review. Micromachines, 15(8), 1011 (2024). https://doi.org/10.3390/mi15081011

8. Xu N., Tang J. D., Lv X. M., Li T., Guo M. L., Zhou Q. Recent advances in nano-opto-electro-mechanical systems. Nanophotonics, 10(9), 2265–2281 (2021). https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0082

9. Юрин А. И., Дмитриев А. В., Красивская М. И., Злодеев Г. Ю. Адаптивный бесконтактный волоконно-оптический преобразователь виброперемещений. Измерительная техника, (11), 11–13 (2016). https://elibrary.ru/xbshpf

10. Flynn C., Cao H., Applegate B. E., Tkaczyk T. S. Fab rication of waveguide directional couplers using 2-photon lithography. Optics Express, 31(16), 26323–26334 (2023). https://doi.org/10.1364/OE.495363

11. Zhang R., Deng C., Zhao J., Zhang F., Huang Y., Zhang X., Wang A. Compact and efficient three-mode (de)multiplexer based on horizontal polymer waveguide couplers. Optics Express, 30(3), 3632–3644 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.449688

12. Tong W., Wei Y., Zhou H., Dong J., Zhang X. The design of a low-loss, fast-response, metal thermo-optic phase shifter based on coupled-mode theory. Photonics, 9(7), 447 (2022). https://doi.org/10.3390/photonics9070447

13. Бусурин В. И., Казарян A. В., Жеглов M. A., Тюнин A. Н. Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения: пат. RU 2839318 C1. Изобретения. Полезные модели. № 13 (2025).

14. Black R. J. Optical waveguide modes Polarization, Coupling and Summetry. McGraw-Hill Publ., New York (2010).

15. Li C. Optical stress sensor based on electro-optic compensation for photoelastic birefringence in a single crystal. Applied Optics, 50(27), 5315–5320 (2011). https://doi.org/10.1364/AO.50.005315

16. Tarabini M., Saggin B., Scaccabarozzi D., Moschioni G. The potential of micro-electro-mechanical accelerometers in human vibration measurements. Journal of Sound and Vibration, 331(2), 487–499 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jsv.2011.08.030

17. Miani T., Gurung L., Young D., Parajuli M., Sobreviela-Falces G., Baker C., Seshia A. A. Correlation of scale factor non-linearity and vibration rectification error in vibrating beam accelerometers. IEEE Access, 13, 120895–120904 (2024). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3586063