CN103344231A - 一种保偏光子晶体光纤陀螺器件 - Google Patents

一种保偏光子晶体光纤陀螺器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种保偏光子晶体光纤陀螺器件。采用由细径保偏光子晶体光纤绕制的细径保偏光纤干涉环；光源发出的光通过保偏光纤耦合器分成两束；一束进入光学调制器，由光学调制器分为两等份，进入细径保偏光子晶体光纤干涉环；两束光分别沿着顺时针和逆时针方向传输，再分别通过光学调制器返回到保偏光纤耦合器，通过保偏光纤耦合器到达光电检测器，根据光电检测器上检测到的干涉信号，测量到顺时针和逆时针方向干涉光的频率差，再通过全数字闭环处理电路处理可得到载体的角速率，实现陀螺仪测角速率的功能。本发明光纤陀螺具有较好的温度稳定性，且适于光纤陀螺的小型化设计。

Description

一种保偏光子晶体光纤陀螺器件
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺器件，具体地说是一种测量旋转角速率的陀螺器件。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应测量运载体旋转角速率的器件。较传统的机械式转子陀螺，干涉式光纤陀螺具有全固态、无旋转部件、启动时间短、寿命长、结构简单等优点，基于此，光纤陀螺目前已成为引领惯性器件行业发展方向的主流仪器。因此，进一步提高光纤陀螺精度和可靠性，对惯性器件领域至关重要。而干涉式光纤陀螺的精度和可靠性极大地依赖于其重要组成部分光纤及光纤干涉环的性能及可靠性。在光纤中，温度的变化导致折射率、长度、交错区域尺寸以及压力分布的变化，这些依次会影响该光纤中光传播的相位。这种效应对光纤陀螺非常不利，因为它在环境和实物测量间引入联系：光纤陀螺的输出功率依赖于温度，其变化范围非常大。因此传播相位的温度依赖性是输出功率中漂移产生的一个重要原因。通常情况下采用改进光纤环的绕制技术、适当的热屏蔽等手段来降低温度效应引起的光纤陀螺漂移。这些措施虽然在一定程度上抑制了漂移的增长，但同时又加大了光纤陀螺的尺寸。而采用降低光纤环的直径的方法可以减小光纤陀螺的尺寸，但与此同时，随着光纤环直径的减小使得光纤的弯曲损耗逐渐加大，严重影响光纤陀螺的精度，违背降低光纤陀螺漂移的初衷。
光子晶体光纤的发展，特别是保偏光子晶体光纤的发展与研究为光纤陀螺解决环境适应性问题提供了全新的思想。对比传统光纤，光子晶体光纤具有灵活的设计自由度、低温度和压力敏感性以及低弯曲损耗等特性。细径保偏光子晶体光纤的发展为光纤陀螺的研究提供了广阔前景，令其在减小光学噪声、进一步缩小陀螺体积、提高陀螺温度稳定性和精度等方面，具备传统光纤陀螺所无法比拟的优越性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较好的温度稳定性，且适于小型化的保偏光子晶体光纤陀螺器件。
本发明的目的是这样实现的：
包含由连结光纤连接的光源1、光电检测器2、保偏光纤耦合器3、光学调制器4、全数字闭环处理电路6，还包含一个由细径保偏光子晶体光纤绕制的细径保偏光子晶体光纤干涉环5，所述细径保偏光子晶体光纤干涉环两端分别与光学调制器4的第一输出端b和第二输出端c相连，光源1发出的光通过保偏光纤耦合器3分成两束光，一束光通过保偏光纤耦合器3后由光学调制器的输入端a进入到光学调制器4，再由光学调制器的第一输出端b和第二输出端c输出，并注入细径保偏光子晶体光纤干涉环5中，然后同时沿顺时针和逆时针方向进行传输，再分别通过光学调制器返回到保偏光纤耦合器3，通过保偏光纤耦合器3到达光电检测器2，根据光电检测器上检测到的信号，测量顺时针和逆时针方向干涉光的频率差，通过全数字闭环处理电路6运算处理，得到运载体的角速率，保偏光纤耦合器3分成的另一束光进入死头被衰减。
本发明还可以包括：
1、所述连结光纤为单模熊猫型保偏光纤。
2、绕制细径保偏光子晶体光纤干涉环的细径保偏光子晶体光纤的纤芯由缺失空气孔的二氧化硅构成，所述空气孔有三层，各层空气孔排列呈正五边形，纤芯周围第一包层圈由五个空气孔构成，且最外层包层圈五边形顶点处的空气孔缺失。
3、纤芯周围第一包层圈中三个大空气孔501的直径为D、其余空气孔502的直径为d、孔间距为A，三者之间的关系为A=D=2d。
4、大空气孔501的直径D为1.6μm～2.4μm。
5、所述的细径保偏光子晶体光纤包层直径Dc为20μm～80μm。
所述光源为宽带掺铒光纤超荧光光源；所述光学调制器为铌酸锂集成光学调制器。
本发明细径保偏光子晶体光纤陀螺的优点在于：
本发明绕制细径保偏光子晶体光纤干涉环的细径保偏光子晶体光纤的的包层由三层空气孔构成，最内层中的三个大空气孔破坏了该光子晶体光纤的圆对称性，获得较高的双折射，适合偏振特性要求较高的光纤陀螺中。同时，该细径保偏光子晶体光纤由单一的二氧化硅材料和空气孔构成，无内应力，使得由其构成的光纤陀螺具有较高的温度稳定性。此外，该细径保偏光子晶体光纤的包层直径Dc为20μm～80μm，较传统保偏光子晶体光纤具有较小的光纤直径。因此，在相同光纤长度的前提下，使用该细径保偏光子晶体光纤绕制的光纤陀螺干涉环可以大大减小环圈的质量和体积，有利于光纤陀螺的小型化。
附图说明
图1是本发明基于细径保偏光子晶体光纤陀螺的结构示意图；
图2是本发明的细径保偏光子晶体光纤横截面图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细的说明
如图1所示，细径保偏光子晶体光纤陀螺包括宽带掺铒光纤超荧光光源1，光电检测器2，保偏光纤耦合器3，铌酸锂集成光学调制器4，细径保偏光子晶体光纤干涉环5，全数字闭环处理电路6组成，图中所有的器件均由单模熊猫型保偏光纤连接；宽带掺铒光纤超荧光光源1发出的光通过保偏光纤耦合器3分成两束；其中一束通过保偏光纤耦合器3后由铌酸锂集成光学调制器4的输入端a进入到铌酸锂集成光学调制器4，由光学调制器分为两等份，再由铌酸锂集成光学调制器4的输出端b和c输出，并注入细径保偏光子晶体光纤干涉环5中。
本发明中绕制细径保偏光子晶体光纤干涉环5的光子晶体光纤采用如图2所示的结构，该细径保偏光子晶体光纤由单一二氧化硅材料和空气孔组成，包层直径为20μm～80μm，大空气孔501直径为D，小空气孔502直径为d，且第一包层圈由三个大空气孔501和两个小空气孔502呈正五边形构成，第二包层圈由十个小空气孔502呈正五边形构成，第三包层圈由十个小空气孔502构成，呈顶点缺失的正五边形。
铌酸锂集成光学调制器4使光波被分成两束，两束光在细径保偏光子晶体光纤干涉环5中沿顺时针和逆时针方向进行传输，经过传输后两束光又重新会合、叠加并产生干涉效应。当细径保偏光子晶体光纤干涉环5相对惯性空间存在转动角速率时，基于Sagnac效应，此时沿顺时针和逆时针方向传播的两束光产生了正比于转动角度率的Sagnac相移。转动角速率与Sagnac相移之间的关系如下所示：
φ s = 4 πRL λ 0 c Ω
其中：φs为Sagnac相移，R为细径保偏光子晶体光纤环的半径，L细径保偏光子晶体光纤长度，λ0为宽带掺铒光纤超荧光光源发出的光波长，c为真空中的光速，Ω为转动角速率。
经过细径保偏光子晶体光纤干涉环5传播的两束光再分别通过铌酸锂集成光学调制器4返回到保偏光纤耦合器3，通过保偏光纤耦合器到达光电检测器2，光电检测器2检测到相应的光强，根据光电检测器上检测到的光强信号，测量顺时针和逆时针方向干涉光的频率差，通过全数字闭环处理电路运算处理，可得到光纤陀螺的输出信号，与此同时，该输出信号作为下一时刻的反馈信号被输入到铌酸锂集成光学调制器4中，构成闭合回路。通过运算最终解算出运载体的角速率，实现陀螺仪测量角速率的功能。

Claims (6)

1.一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，包含由连结光纤连接的光源（1）、光电检测器（2）、保偏光纤耦合器（3）、光学调制器（4）、全数字闭环处理电路（6），其特征是：还包含一个由细径保偏光子晶体光纤绕制的细径保偏光子晶体光纤干涉环（5），所述细径保偏光子晶体光纤干涉环两端分别与光学调制器（4）的第一输出端（b）和第二输出端（c）相连，光源（1）发出的光通过保偏光纤耦合器（3）分成两束光，一束光通过保偏光纤耦合器（3）后由光学调制器的输入端（a）进入到光学调制器（4），再由光学调制器的第一输出端（b）和第二输出端（c）输出，并注入细径保偏光子晶体光纤干涉环（5）中，然后同时沿顺时针和逆时针方向进行传输，再分别通过光学调制器返回到保偏光纤耦合器（3），通过保偏光纤耦合器（3）到达光电检测器（2），根据光电检测器上检测到的信号，测量顺时针和逆时针方向干涉光的频率差，通过全数字闭环处理电路（6）运算处理，得到运载体的角速率，保偏光纤耦合器（3）分成的另一束光进入死头被衰减。
2.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，其特征是：所述连结光纤为单模熊猫型保偏光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，其特征是：绕制细径保偏光子晶体光纤干涉环的细径保偏光子晶体光纤的纤芯由缺失空气孔的二氧化硅构成，所述空气孔有三层，各层空气孔排列呈正五边形，纤芯周围第一包层圈由五个空气孔构成，且最外层包层圈五边形顶点处的空气孔缺失。
4.根据权利要求3所述的一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，其特征是：纤芯周围第一包层圈中三个大空气孔（501）的直径为D、其余空气孔（502）的直径为d、孔间距为A，三者之间的关系为A=D=2d。
5.根据权利要求4所述的一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，其特征是：大空气孔（501）的直径D为1.6μm～2.4μm。
6.根据权利要求5所述的一种保偏光子晶体光纤陀螺器件，其特征是：所述的细径保偏光子晶体光纤包层直径Dc为20μm～80μm。
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