CN101294810A - 谐振式空心光子晶体光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式空心光子晶体光纤陀螺，其由信号处理电路(1)、集成光学调制器(2)、光源(3)、B光电探测器(4)、A光电探测器(5)、光子晶体光纤环(6)、C反射镜(7)、A反射镜(8)、B反射镜(9)构成；光子晶体光纤环(6)与C反射镜(7)构成一个谐振腔；本发明的谐振式空心光子晶体光纤陀螺集成在一硅基板(10)上，且A尾纤(209)出射的A路调制光F_A与A反射镜(8)的镜面(81)垂直，B尾纤(210)出射的B路调制光F_B与B反射镜(9)的镜面(91)垂直，C反射镜(7)位于A反射镜(8)、B反射镜(9)之后；光源(3)的尾纤与集成光学调制器(2)的入纤(208)熔接；信号处理电路(1)分别与光源(3)、B光电探测器(4)、A光电探测器(5)连接。

Description

谐振式空心光子晶体光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种角速度测量装置，具体地说，是指一种建立在光学Sagnac效应基础上的一种光在闭合光路中传输，使用光子晶体光纤，利用多光束干涉实现测量的谐振式光纤陀螺，属于陀螺技术领域。

背景技术

陀螺是用于测量角速度及角加速度变化的装置。光纤陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应，在惯性空间通常Sagnac效应可以描述为：“在同一闭合回路中，沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的两束光，围绕垂直于闭合回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光回路旋转速率成比例关系”。Sagnac效应的原理图如图5所示，图中，圆形代表光传输的路径，点S为两束相向传输的光的注入点，Ω为顺时针旋转角速度。在惯性空间，当光纤陀螺静止时，两束光回到注入点S时所经历的光程相同，因此不会产生频率差；当光纤陀螺以角速度Ω顺时针旋转时，注入点S转到了S′处，沿顺时针方向传播的光束将比沿逆时针方向传播的光束经历的光程要长，因此会产生频率差。而此频率差Δφ与角速度Ω成线性关系： $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4A}{{\mathrm{\λ}}_{0}L}\mathrm{\Ω},$ 式中A为光路所围的总面积，λ₀为入射光的波长，L为角速度Ω是零时的光程长度。

谐振式光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低的优势；与干涉式光纤陀螺相比，光纤长度短，可以减小温度对系统的影响、采用了高相干光源波长稳定性高、检测精度高、动态范围大。在航空、航天、航海等军用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。

通常，光纤陀螺的尺寸会影响光纤陀螺的精度和灵敏度。光纤陀螺的精度随着传播光束围成的闭合光路面积增加而增大，尺寸较大的光纤陀螺必然比小的光纤陀螺精度更高。因此，闭合光路面积越大，光纤陀螺的信噪比越大。一般通过增加光纤骨架上缠绕的光纤圈数来改善光纤陀螺的信噪比。

在谐振式光纤陀螺中，闭合光路中相反方向传播的光谱宽很窄，并且在绕制的光纤环中循环传播，为了实现多次循环传播可以使用像光纤耦合器之类的器件。绕光纤环在闭合光路中循环传播的顺、逆时针光束发生多光束干涉现象。光纤环绕轴的旋转会使谐振腔的谐振频率分别产生变化，频差与可调频的顺、逆时针光束频率有关，由谐振腔的谐振频率变化可以得到角速度。谐振式光纤陀螺中，光纤石英材料性能上的因素可能造成闭合光路顺、逆时针方向光束的非线性传播，从而产生一个非互易的频率误差，因此引起角速度测量的误差。可以使用反射镜使得在光纤环中相向传播的光束循环在其中传播，但是其间将光从反射镜耦合到光纤的传输损耗会明显地降低信噪比。弯曲损耗、非线性克尔效应、受激布里渊散射、偏振误差等都会造成旋转角速度测量精度的下降；这些误差机制对于环境也同样敏感，因此也增加了不必要的温度敏感性。

谱宽很窄的单频激光在谐振式光纤陀螺中传播，会改变光纤纤芯的折射率，从而引起克尔效应。顺、逆时针两束光光强的不匹配也可以造成频率误差。当谐振腔的精细度很高、光强很高时，会使得石英光纤发生受激辐射，造成布里渊散射，这种受激辐射会使得谐振频率测量极其不稳定。在光纤谐振腔中，我们把在谐振腔中经过一个循环而不改变其偏振状态的这种特殊偏振态，称为偏振的本征状态。一般情况下，光纤环形谐振腔中有两个偏振本征态，而且两者是垂直的。环境温度或外界应力等因素的变化会使光纤中的双折射发生变化，这会引起一个偏振本征态对应的谐振峰峰值位置相对于另一个发生变化，可能在陀螺输出中引入由偏振波动造成的频率差。这将直接影响旋转角度测量，限制谐振式光纤陀螺的精度。

我们预期得到较高精度的光纤陀螺。光子晶体光纤的发明使光纤陀螺能够在一定程度上克服上述问题，并获得具有更高精度可以应用于惯导系统的光纤陀螺。

发明内容

本发明的谐振式空心光子晶体光纤陀螺，包括有信号处理电路1、集成光学调制器2、光源3、A光电探测器5、B光电探测器4、光子晶体光纤环6、C反射镜7、A反射镜8、B反射镜9；所述信号处理电路1、集成光学调制器2、光源3、A光电探测器5、B光电探测器4、光子晶体光纤环6、C反射镜7、A反射镜8、B反射镜9集成在一硅基板10上，集成光学调制器2位于硅基板10的中心位置，集成光学调制器2的左边分布有光源3、信号处理电路1；集成光学调制器2的右边分布有A反射镜8、B反射镜9、C反射镜7、光子晶体光纤环6，A反射镜8与B反射镜9的镜面垂直，C反射镜7位于A反射镜8、B反射镜9之后，光子晶体光纤环6位于C反射镜7之后；A光电探测器5位于A反射镜8的上方，B光电探测器4位于B反射镜9的上方；光子晶体光纤环6的中轴线与硅基板10的水平中心线重合。

本发明的谐振式空心光子晶体光纤陀螺从光源3输出出射光，出射光经集成光学调制器2后输出的两路光分别经反射镜反射后进入谐振腔，顺时针、逆时针传输的两束光在光子晶体光纤环6中传输后经C反射镜透射后由光电探测器检测，光电探测器将检测到的光信号转换为电信号后输出给信号处理电路1进行处理，经信号处理电路1处理后的信号被反馈至光源3、集成光学调制器2上，从而实现光纤陀螺闭环控制。

本发明谐振式空心光子晶体光纤陀螺的优点在于：

(1)构成谐振腔的光子晶体光纤长度小于3m，将其绕成损耗较低的紧密地光纤环，光子晶体光纤具有极低的弯曲损耗，光纤环可以在减小面积的条件下，增加所绕的圈数，非常适合应用于谐振腔；同时光子晶体光纤还具有很好的环境适应性。

(2)在光子晶体光纤6中，入射的光沿光纤空芯在自由空间中传播(空气或真空)，仅仅少部分的光能量在光纤石英介质中传播。

(3)在硅基板上集成多个器件，构建出微小型的谐振式空心光子晶体光纤陀螺，实现了光纤陀螺的小型化。

附图说明

图1是本发明谐振式空心光子晶体光纤陀螺的结构示图。

图2是本发明集成光学调制器的结构示图。

图3是光纤骨架的结构图。

图4是本发明三个反射镜在硅基板上的位置简示图。

图5是萨格奈克效应原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种谐振式空心光子晶体光纤陀螺，包括有信号处理电路1、集成光学调制器2、光源3、A光电探测器5、B光电探测器4、光子晶体光纤环6、C反射镜7、A反射镜8、B反射镜9；A反射镜8与B反射镜9的结构相同；所述信号处理电路1、集成光学调制器2、光源3、A光电探测器5、B光电探测器4、光子晶体光纤环6、C反射镜7、A反射镜8、B反射镜9集成在一硅基板10上，集成光学调制器2位于硅基板10的中心位置，集成光学调制器2的左边分布有光源3、信号处理电路1；集成光学调制器2的右边分布有A反射镜8、B反射镜9、C反射镜7、光子晶体光纤环6，A反射镜8与B反射镜9的镜面垂直(此处的垂直是指第一中心延长线82与第二中心延长线92垂直，如图4所示)，C反射镜7位于A反射镜8、B反射镜9之后，光子晶体光纤环6位于C反射镜7之后；A光电探测器5位于A反射镜8的上方，B光电探测器4位于B反射镜9的上方；光子晶体光纤环6的中轴线与硅基板10的水平中心线重合。在本发明中，C反射镜7、A反射镜8、B反射镜9也可以采用分光棱镜。

参见图4所示，集成光学调制器2的A尾纤209出射的A路调制光F_A与A反射镜8的镜面81垂直，集成光学调制器2的B尾纤210出射的B路调制光F_B与B反射镜9的镜面91垂直；在本发明中，通过A反射镜8的镜面81的连线称作第一中心延长线82；通过B反射镜9的镜面91的连线称作第二中心延长线92；第一中心延长线82与第二中心延长线92垂直，且交于硅基板10的水平中心线上。

信号处理电路1分别与光源3、B光电探测器4、A光电探测器5连接，光源3的尾纤与集成光学调制器2的入纤208熔接。

在本发明中，光子晶体光纤环6、C反射镜7构成一个谐振腔；光子晶体光纤环6上的光纤为空心光子晶体光纤，光纤缠绕在光纤骨架(参见图3所示)上；

本发明谐振式空心光子晶体光纤陀螺的光路、电路走向为：

光源3出射光进入集成光学调制器2；

经集成光学调制器2的A尾纤209输出的A路调制光F_A入射到A反射镜8上，将有一半的A路调制光F_A被反射至C反射镜7上，另一半A路调制光F_A经A反射镜8出射出；在本发明中，A反射镜8的反射率为50％。

经集成光学调制器2的B尾纤210输出的B路调制光F_B入射到B反射镜9上，将有一半的B路调制光F_B被反射至C反射镜7上，另一半B路调制光F_B经B反射镜9出射出；在本发明中，B反射镜9的反射率为50％。

透过C反射镜7的一半A路调制光F_A进入光子晶体光纤环6中作为逆时针方向传输光L_CCW在光子晶体光纤环6中传输；逆时针方向传输光L_CCW每经过C反射镜7都将有部分逆时针方向传输光L_CCW经C反射镜7入射至B反射镜9上，透过B反射镜9的部分逆时针方向传输光L_CCW被B光电探测器4接收；

透过C反射镜7的一半B路调制光F_B进入光子晶体光纤环6中作为顺时针方向传输光L_CW在光子晶体光纤环6中传输；顺时针方向传输光L_CW每经过C反射镜7都将有部分顺时针方向传输光L_CW经C反射镜7入射至A反射镜8上，透过A反射镜8的部分顺时针方向传输光L_CW被A光电探测器5接收；

B光电探测器4对接收的部分逆时针方向传输光L_CCW进行光电转换后输出逆时针光的电信号V₄给信号处理电路1；

A光电探测器5对接收的部分顺时针方向传输光L_CW进行光电转换后输出顺时针光的电信号V₅给信号处理电路1；

信号处理电路1用于对接收的顺时针光的电信号V₅进行放大、模数转换、数模转换、反向放大后输出顺时针谐振频率F_B作用在B移频器(C电极206、D电极207构成)上；在本发明中，信号处理电路1对顺时针方向传输光L_CW进行频率调制，从而保证顺时针方向传输光L_CW的频率与顺时针谐振频率相同；

信号处理电路1用于对接收的逆时针光的电信号V₄进行放大、模数转换、数模转换、反向放大后输出逆时针谐振频率f_A作用在A移频器(A电极204、B电极205构成)上；在本发明中，对逆时针方向传输光L_CCW进行频率调制，从而保证逆时针方向传输光L_CCW的频率与逆时针谐振频率相同；

信号处理电路1用于输出光源频率控制信号ω给光源3。

本发明的谐振式空心光子晶体光纤陀螺从光源3输出出射光，出射光经集成光学调制器2后输出的两路光分别经反射镜反射后进入谐振腔，顺时针、逆时针传输的两束光在光子晶体光纤环6中传输后经C反射镜透射后由光电探测器检测，光电探测器将检测到的光信号转换为电信号后输出给信号处理电路1进行处理，经信号处理电路1处理后的信号被反馈至光源3、集成光学调制器2上，从而实现光纤陀螺闭环控制。

参见图2所示，集成光学调制器2由LiNbO₃基片201、Y分支耦合器202、波导槽203、A电极204、B电极205、C电极206、D电极207、入纤208、A尾纤209、B尾纤210组成，在LiNbO₃基片201上采用钛内扩散或者退火质子交换方法制作出波导槽203，波导槽203上的交汇点形成一个Y分支耦合器202，在波导槽203的A支臂231上下平行设有A电极204、B电极205，在波导槽203的B支臂232上下平行设有C电极206、D电极207；入纤208连接在Y分支耦合器202的A端；A尾纤209连接在波导槽203的A支臂231的末端；B尾纤210连接在波导槽203的B支臂232的末端。利用LiNbO₃晶体的线性电光效应，通过在A电极204与B电极205上加载激励电压引起A支臂231光波导介质折射率的变化，进而引起波导光传播相位的变化，实现对经A支臂231输出光的相位调制，即A电极204与B电极205构成A相位移频器；通过在C电极206与D电极207上加载激励电压引起B支臂232光波导介质折射率的变化，进而引起波导光传播相位的变化，实现对经B支臂232输出光的相位调制，即C电极206与D电极207构成B相位移频器。

在本发明中，集成光学调制器2的A尾纤209用于出射A路调制光F_A照射在A反射镜8上，集成光学调制器2的B尾纤210用于出射B路调制光F_B照射在B反射镜9上，B光电探测器4用于感知经B反射镜9透过光的信号，A光电探测器5用于感知经A反射镜8透过光的信号，经A反射镜8、B反射镜9反射的光照射在C反射镜7上，经C反射镜7透过的光进入光子晶体光纤环6中。

光源3是具有频率稳定性，窄线宽，高功率的可调谐激光器。

光子晶体光纤环6是将光子晶体光纤缠绕在光纤骨架61的绕纤柱62上形成，光纤骨架61的中心开有通孔63。

C反射镜7可以是一个反射率很高、透射率很低但不为0的反射镜。在本发明中，C反射镜7反射率要达到0.9以上，可以通过镀膜实现。可以通过以下两种方法实现：镀金属膜和DBR(Distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射器)。镀金属膜可以采用蒸发、溅射工艺或者电镀法在基底上蒸镀铝膜或金膜等，它可以达到0.98的反射率且成本较低；DBR反射器的制造方法是将折射率不同、厚度为1/4光波长的光介质交替淀积在基底上构成反射镜，它具有较高的反射率，且两种介质的折射率差越大则可得到的反射率越高。DBR反射器的反射率可以达到0.99以上。C反射镜7也可以用分光棱镜替代。

在本发明的谐振式空心光子晶体光纤陀螺中，信号处理电路1对光信号进行调制使得能够从光电探测器(A路光电探测器5、B路光电探测器4)输出的信号中提取出能反映载体旋转角速率的物理量，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光的频率和集成光学调制器的相位调制电压，实现对光路的反馈，最终达到使在谐振腔中顺逆时针传播的光路都谐振的目的。本发明中通过检测谐振腔(由光子晶体光纤环6、C反射镜7构成)中顺、逆时针传播的光的频率差，并经过频率-转速转换关系，间接测量载体的旋转角速率。信号处理电路1至少应包括数模转化模块、数字信号处理模块、模数转化模块以及信号输出模块等。关于信号处理电路1可以参见专利发明人冯丽爽在专利申请号200710177376.X中公开的一种“微光学陀螺的调制解调和反馈控制装置”。

Claims (4)

1、一种谐振式空心光子晶体光纤陀螺，包括有信号处理电路(1)、光源(3)、A光电探测器(5)、B光电探测器(4)、光纤环；其特征在于：还包括有集成光学调制器(2)、C反射镜(7)、A反射镜(8)、B反射镜(9)；所述光纤环为光子晶体光纤环(6)；A反射镜(8)与B反射镜(9)的结构相同；

所述信号处理电路(1)、集成光学调制器(2)、光源(3)、B光电探测器(4)、A光电探测器(5)、光子晶体光纤环(6)、C反射镜(7)、A反射镜(8)、B反射镜(9)集成在硅基板(10)上，集成光学调制器(2)位于硅基板(10)的中心位置，集成光学调制器(2)的左边分布有光源(3)、信号处理电路(1)；集成光学调制器(2)的右边分布有A反射镜(8)、B反射镜(9)、C反射镜(7)、光子晶体光纤环(6)，C反射镜(7)位于A反射镜(8)、B反射镜(9)之后，光子晶体光纤环(6)位于C反射镜(7)之后；A光电探测器(5)位于A反射镜(8)的上方，B光电探测器(4)位于B反射镜(9)的上方；光子晶体光纤环(6)的中轴线与硅基板(10)的水平中心线重合；信号处理电路(1)分别与光源(3)、B光电探测器(4)、A光电探测器(5)连接，光源(3)的尾纤与集成光学调制器(2)的入纤(208)熔接；

所述集成光学调制器(2)是在LiNbO₃基片(201)上制作出波导槽(203)，波导槽(203)上的交汇点形成一个Y分支耦合器(202)，在波导槽(203)的A支臂(231)上下平行设有A电极(204)、B电极(205)，在波导槽(203)的B支臂(232)上下平行设有C电极(206)、D电极(207)；入纤(208)连接在Y分支耦合器(202)的A端；A尾纤(209)连接在波导槽(203)的A支臂(231)的末端；B尾纤(210)连接在波导槽(203)的B支臂(232)的末端；A电极(204)与B电极(205)构成A相位移频器；C电极(206)与D电极(207)构成B相位移频器；

光源(3)出射光进入集成光学调制器(2)；

经集成光学调制器(2)的A尾纤(209)输出的A路调制光F_A入射到A反射镜(8)上，将有一半的A路调制光F_A被反射至C反射镜(7)上，另一半A路调制光F_A经A反射镜(8)出射出；

经集成光学调制器(2)的B尾纤(210)输出的B路调制光F_B入射到B反射镜(9)上，将有一半的B路调制光F_B被反射至C反射镜(7)上，另一半B路调制光F_B经B反射镜(9)出射出；

透过C反射镜(7)的一半A路调制光F_A进入光子晶体光纤环(6)中作为逆时针方向传输光L_CCW在光子晶体光纤环(6)中传输；逆时针方向传输光L_CCW每经过C反射镜(7)都将有部分逆时针方向传输光L_CCW经C反射镜(7)入射至B反射镜(9)上，透过B反射镜(9)的部分逆时针方向传输光L_CCW被B光电探测器(4)接收；

透过C反射镜(7)的一半B路调制光F_B进入光子晶体光纤环(6)中作为顺时针方向传输光L_CW在光子晶体光纤环(6)中传输；顺时针方向传输光L_CW每经过C反射镜(7)都将有部分顺时针方向传输光L_CW经C反射镜(7)入射至A反射镜(8)上，透过A反射镜(8)的部分顺时针方向传输光L_CW被A光电探测器(5)接收；

B光电探测器(4)对接收的部分逆时针方向传输光L_CCW进行光电转换后输出逆时针光的电信号V₄给信号处理电路(1)；

A光电探测器(5)对接收的部分顺时针方向传输光L_CW进行光电转换后输出顺时针光的电信号V₅给信号处理电路(1)；

信号处理电路(1)用于对接收的顺时针光的电信号V₅进行放大、模数转换、数模转换、反向放大后输出顺时针谐振频率f_B作用在B移频器上；信号处理电路(1)用于对接收的逆时针光的电信号V₄进行放大、模数转换、数模转换、反向放大后输出逆时针谐振频率f_A作用在A移频器上；信号处理电路(1)用于输出光源频率控制信号ω给光源(3)。

2、根据权利要求1所述的谐振式空心光子晶体光纤陀螺，其特征在于：光子晶体光纤环(6)上的光纤为空心光子晶体光纤。

3、根据权利要求1所述的谐振式空心光子晶体光纤陀螺，其特征在于：C反射镜(7)的反射率为0.9以上。

4、根据权利要求1所述的谐振式空心光子晶体光纤陀螺，其特征在于：通过A反射镜(8)的镜面(81)的连线称作第一中心延长线(82)；通过B反射镜(9)的镜面(91)的连线称作第二中心延长线(92)；第一中心延长线(82)与第二中心延长线(92)垂直，且交于硅基板(10)的水平中心线上。

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