CN101709972A - 一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够解决现有基于耦合光学谐振腔的光学陀螺仪存在的因耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗而导致旋转灵敏度低问题的基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪。它是由激光器、耦合器、半导体光放大器、光纤环、和探测器组成的，激光器通过第一耦合器光连接第二耦合器，第二耦合器连接第一光纤环，第一半导体光放大器设置在第一光纤环上，第一光纤环连接第三耦合器，第二耦合器通过第一耦合器光连接探测器，第三耦合器连接第二光纤环，本发明能够解决现有耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗减小陀螺灵敏度的问题。本发明使用半导体光放大器实现高精度、高灵敏度的测量，具有光功率利用率高，信噪比高的优点。

Description

一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪

(一)技术领域

本发明涉及光电子技术，具体说就是一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪。

(二)背景技术

陀螺仪原理是运用物体高速旋转时角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质制造出来的定向仪器。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多领域已经完全取代了机械式传统陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

在现代航天航海、机载系统和军事技术等领域都对光学陀螺仪测量的旋转灵敏度提出了更高的要求。目前，国内使用的光纤陀螺仪大都为干涉型光纤陀螺仪，通常采用多匝光纤来增加陀螺仪的灵敏度，很难实现更高的灵敏度。基于耦合谐振透明的光学谐振腔在单环谐振时具有高的透过率和大的正常色散，同时，群速度达到最小值，即群折射率最大。这种结构可以用于绝对旋转，来提高光学陀螺的灵敏度。而在实际应用中，用光纤来制成光纤环形谐振腔时必然会引入耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗，这两种损耗大大减弱了陀螺的旋转灵敏度，而影响了其推广应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决现有基于耦合光学谐振腔的光学陀螺仪存在的因耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗而导致旋转灵敏度低问题的基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪。

本发明的目的是这样实现的：它是由激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一半导体光放大器、第一光纤环、第三耦合器、第二光纤环、第二半导体光放大器和探测器组成的，激光器通过第一耦合器光连接第二耦合器，第二耦合器连接第一光纤环，第一半导体光放大器设置在第一光纤环上，第一光纤环连接第三耦合器，第二耦合器通过第一耦合器光连接探测器，第三耦合器连接第二光纤环，第二半导体光放大器设置在第二光纤环上。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的第一光纤环和第二光纤环都由普通单模光纤组成，且环的长度相等。

(2)所述的激光器选用窄线宽激光器，其型号为C15。

(3)所述的第一半导体光放大器和第二半导体光放大器选用的型号为SOA-L-OEC-1550。

(4)所述的探测器选用的型号都为InGaAs/InP雪崩光电二极管探测器，其型号为DET10C。

本发明一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，能够解决现有耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗减小陀螺灵敏度的问题。本发明使用半导体光放大器实现高精度、高灵敏度的测量，具有光功率利用率高，信噪比高的优点。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明包括激光器(1)、第一耦合器(2)、第二耦合器(3)、第一半导体光放大器(4)、第三耦合器(5)、第二半导体光放大器(6)和探测器(7)，激光器(1)通过第一耦合器(2)光连接第二耦合器(3)，第二耦合器(3)连接第一光纤环(8)，第一半导体光放大器(4)设置在第一光纤环(8)上，第一光纤环(8)连接第三耦合器(5)，第二耦合器(3)通过第一耦合器(2)光连接探测器(7)，第三耦合器(5)连接第二光纤环(9)，第二半导体光放大器(6)设置在第二光纤环(9)上。激光器(1)输出的激光通过第一耦合器(2)按50∶50的比例分成两束，分别从顺、逆时针两个方向进入第二耦合器(3)，两个方向的光进入第二耦合器(3)后，一部分光沿原方向继续传播，从第一耦合器(2)耦合出来后由探测器(7)接收。另一部分光耦合进第一光纤环(8)。

顺、逆时针两个方向的光进入第一光纤环(8)后，在顺时针方向，光从第二耦合器(3)耦合出来后进入第一半导体光放大器(4)，经放大后进入第三耦合器(5)，其中一部分沿原方向继续传播，另一部分进入第二光纤环(9)。沿原方向继续传播的光耦合回第二耦合器(3)后，一部分继续在第一光纤环(8)中传播，另一部分从顺、逆时针两个方向进入第一耦合器(2)，最后由探测器(7)接收；在逆时针方向，光从第二耦合器(3)耦合出来后进入第三耦合器(5)，其中一部分进入第二光纤环(9)，另一部分沿原方向继续传播，经第一半导体光放大器(4)放大后进入第二耦合器(3)后，一部分继续在第一光纤环(8)中传播，另一部分从顺、逆时针两个方向进入第一耦合器(2)，最后由探测器(7)接收；顺、逆时针两个方向的光进入第二光纤环(9)后，在顺、逆时针两个方向，光从第三耦合器(5)耦合出来后分别进入第二半导体光放大器(6)，经放大后再耦合回第三耦合器(5)，其中一部分沿原方向继续传播，另一部分继续在第二光纤环(9)中传播；沿原方向继续传播的光耦合回第二耦合器(3)后，一部分继续在第一光纤环(8)中传播，另一部分从顺、逆时针两个方向进入第一耦合器(2)，最后由探测器(7)接收。

所述的第一光纤环(8)和第二光纤环(9)都由普通单模光纤组成，且环的长度相等。激光器(1)选用窄线宽激光器，其型号为C15；第一半导体光放大器和第二半导体光放大器选用的型号为SOA-L-OEC-1550；探测器(7)选用的型号都为InGaAs/InP雪崩光电二极管探测器，其型号为DET10C。

工作原理：对于基于耦合光学谐振腔的系统来说，考虑耦合器的附加损耗和光纤的熔接损耗，整个结构的透过率为：

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_2=\frac{r_2\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_2}-a_2{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)(1-{\mathrm{\γ}}_2)e^{\mathrm{i\φ}}}{1-r_2{a}_2{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_2}{e}^{\mathrm{i\φ}}},$ 其中，r₂，γ₂是耦合器c₂的反射系数和插入损耗，a为单环的衰减因子，α为光纤的熔接损耗，φ为单环相移。 ${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1=\frac{r_1\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_1}-a(1-\mathrm{\α})(1-{\mathrm{\γ}}_1)e^{\mathrm{i\φ}}}{1-r_{1}a(1-\mathrm{\α})\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_1}{e}^{\mathrm{i\φ}}},$ 其中r₁，γ₁是耦合器c₁的反射系数和插入损耗。当整个结构旋转起来后，顺、逆时针方向的Sagnac相移就是透过率的幅角，而耦合器的插入损耗和光纤的熔接损耗削弱了顺、逆时针方向的Sagnac相移，从而降低了旋转灵敏度。当本发明工作时，整个结构的透过率为： ${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_2=\frac{r_2\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_2}-a_2{g}_2{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)(1-{\mathrm{\γ}}_2)e^{\mathrm{i\φ}}}{1-r_2{a}_2{g}_2{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_2}{e}^{\mathrm{i\φ}}},$ 其中，g₂为第一半导体光放大器的增益系数， ${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_1=\frac{r_1\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_1}-a_1{g}_1(1-{\mathrm{\γ}}_1)\sqrt{1-{\mathrm{\η}}_1}{e}^{\mathrm{i\φ}}}{1-r_1{a}_1{g}_1\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}_1}{\sqrt{1-{\mathrm{\η}}_1}e}^{\mathrm{i\φ}}},$ 其中g₁为第二半导体光放大器的增益系数。当整个结构旋转起来后，半导体光放大器的增益系数抑制了耦合器的插入损耗和光纤的熔接损耗，顺、逆时针方向的Sagnac相移随增益系数的增加而增加，从而提高了旋转灵敏度。

实施例2：结合图1，本发明一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，它是由激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一半导体光放大器、第一光纤环、第三耦合器、第二光纤环、第二半导体光放大器和探测器组成的，激光器通过第一耦合器光连接第二耦合器，第二耦合器连接第一光纤环，第一半导体光放大器设置在第一光纤环上，第一光纤环连接第三耦合器，第二耦合器通过第一耦合器光连接探测器，第三耦合器连接第二光纤环，第二半导体光放大器设置在第二光纤环上。

本发明还有以下技术特征：

所述的第一光纤环和第二光纤环都由普通单模光纤组成，且环的长度相等。

所述的激光器选用窄线宽激光器，其型号为C15。

所述的第一半导体光放大器和第二半导体光放大器选用的型号为SOA-L-OEC-1550。

所述的探测器选用的型号都为InGaAs/InP雪崩光电二极管探测器，其型号为DET10C。

Claims (5)

1.一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，它是由激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一半导体光放大器、第一光纤环、第三耦合器、第二光纤环、第二半导体光放大器和探测器组成的，其特征在于：激光器通过第一耦合器光连接第二耦合器，第二耦合器连接第一光纤环，第一半导体光放大器设置在第一光纤环上，第一光纤环连接第三耦合器，第二耦合器通过第一耦合器光连接探测器，第三耦合器连接第二光纤环，第二半导体光放大器设置在第二光纤环上。

2.根据权利要求1所述的一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一光纤环和第二光纤环都由普通单模光纤组成，且环的长度相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的激光器选用窄线宽激光器，其型号为C15。

4.根据权利要求1所述的一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一半导体光放大器和第二半导体光放大器选用的型号为SOA-L-OEC-1550。

5.根据权利要求1所述的一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的探测器选用的型号都为InGaAs/InP雪崩光电二极管探测器，其型号为DET10C。

Images