CN103499344B - 双谐振腔谐振式光学陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高灵敏度谐振式光学陀螺，具体为一种双谐振腔谐振式光学陀螺，包括隔离准直芯片可调谐光源Laser、第一耦合器C1、多功能集成光学调制器、第三耦合器C3、第二耦合器C2、第四耦合器C4、主谐振腔、第一光电探测器PD1、第一锁相放大器LIA1、第二光电探测器PD2、第二锁相放大器LIA2，反馈控制电路FBC，还包括其内中心位置设有欧姆结的环状的辅谐振腔、温控模块和第五耦合器C5，主谐振腔上在和输入口相对的位置还设有输出口，第五耦合器C5的输入端和主谐振腔的输出口接触，第五耦合器C5的输出端和辅谐振腔的输入口接触，温控模块通过MEMS工艺制作的导线和欧姆结连接，解决了谐振式光学陀螺灵敏度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高灵敏度谐振式光学陀螺，具体为一种双谐振腔谐振式光学陀螺。
背景技术
谐振式光学陀螺是继微机电陀螺、干涉式光纤陀螺、激光陀螺之后发展起来的一种微小体积、低功耗、高可靠性的新型角速度传感器，在国家深空探测、武器精确制导、北斗导航等重大计划和工程的带动下，高灵敏度、微小型化、高稳定性、抗高过载等特性成为未来陀螺惯性器件的发展趋势，而高灵敏度是谐振式光学陀螺的首要指标。近年来，谐振式光学陀螺的研究受到了国内外研究机构的广泛关注，也取得了一些研究成果，谐振式光学陀螺，包括隔离准直芯片可调谐光源Laser，隔离准直芯片可调谐光源Laser的输出端通过光波导和第一耦合器C1的输入端连接，第一耦合器C1的输出端通过光波导分别和多功能集成光学调制器中第一调制器PM1和第二调制器PM2的输入端连接，第一调制器PM1的输出端通过光波导和第三耦合器C3的输入端连接，第二调制器PM2的输出端通过光波导和第二耦合器C2的输入端连接，第二耦合器C2、第三耦合器C3的输出端通过光波导分别和第四耦合器C4的输入端连接，第四耦合器C4的输出端和环状的主谐振腔的输入口接触，第二耦合器C2的另一输出端通过光波导和第一光电探测器PD1的输入端连接，第一光电探测器PD1的输出端和第一锁相放大器LIA1的输入端连接，第三耦合器C3的另一输出端通过光波导和第二光电探测器PD2的输入端连接，第二光电探测器PD2的输出端和第二锁相放大器LIA2的输入端连接，第二锁相放大器LIA2的输出端和反馈控制电路FBC的输入端连接，反馈控制电路FBC的输出端和隔离准直芯片可调谐光源Laser的反馈输入端连接；工作时，隔离准直芯片可调谐光源Laser发出的光束经过第一耦合器C1后进入多功能集成光学调制器中，光束被多功能集成光学调制器中的第一调制器PM1和第二调制器PM2分为两路功率相同、频差较小（可认为零）的调制光波，一路调制光波经第二耦合器C2、第四耦合器C4进入主谐振腔，形成逆时针方向传输的光波，另一路调制光波经第三耦合器C3、第四耦合器C4进入主谐振腔，形成顺时针方向传输的光波，逆时针方向传输的光波在主谐振腔内传输完后经过第三耦合器C3输入到第二光电探测器PD2，第二光电探测器PD2将光波信号转换为电信号输送到第二锁相放大器LIA2，电信号再由反馈控制电路FBC输入到隔离准直芯片可调谐光源Laser的反馈输入端，第二锁相放大器LIA2和反馈控制电路FBC对隔离准直芯片可调谐光源Laser进行调频，使隔离准直芯片可调谐光源Laser的频率锁定在主谐振腔的本征透射谱峰中心频率处；顺时针方向传输的光波在主谐振腔内传输完后经过第二耦合器C2、第一光电探测器PD1和第一锁相放大器LIA1输出得到顺时针方向传输的光波的频率电信号；当光学陀螺静止时，由光电探测器PD1、PD2转换得到的两路光波的本征透射谱峰中心频率相同，当光学陀螺固定在被测物体上随着被测物体旋转时，由光电探测器PD1、PD2转换得到的两路光波的本征透射谱峰中心频率不同，两路光波出现谐振频差，根据Sagnac效应，谐振频差大小与旋转的被测物体角速度Ω成正比，通过分析输出光强与测量两路光波谐振频差之间的对应关系，即能检测提取出被测物体的旋转角速度Ω。但是传统的谐振式光学陀螺采用跟踪和锁定谐振腔的本征透射谱峰中心频率测量角速度，由于该本征透射谱峰较宽，其跟踪和锁定的精度不高，导致光学陀螺的输出信号灵敏度不高，灵敏度不高成为了制约谐振式光学陀螺发展的瓶颈。
发明内容
本发明为了解决谐振式光学陀螺灵敏度不高的问题，提供了一种双谐振腔谐振式光学陀螺。
本发明是采用如下的技术方案实现的：双谐振腔谐振式光学陀螺，包括隔离准直芯片可调谐光源Laser，隔离准直芯片可调谐光源Laser的输出端通过光波导和第一耦合器C1的输入端连接，第一耦合器C1的输出端通过光波导分别和多功能集成光学调制器中第一调制器PM1和第二调制器PM2的输入端连接，第一调制器PM1的输出端通过光波导和第三耦合器C3的输入端连接，第二调制器PM2的输出端通过光波导和第二耦合器C2的输入端连接，第二耦合器C2、第三耦合器C3的输出端通过光波导分别和第四耦合器C4的输入端连接，第四耦合器C4的输出端和环状的主谐振腔的输入口接触，第二耦合器C2的另一输出端通过光波导和第一光电探测器PD1的输入端连接，第一光电探测器PD1的输出端和第一锁相放大器LIA1的输入端连接，第三耦合器C3的另一输出端通过光波导和第二光电探测器PD2的输入端连接，第二光电探测器PD2的输出端和第二锁相放大器LIA2的输入端连接，第二锁相放大器LIA2的输出端和反馈控制电路FBC的输入端连接，反馈控制电路FBC的输出端和隔离准直芯片可调谐光源Laser的反馈输入端连接，还包括其内中心位置设有欧姆结的环状的辅谐振腔、温控模块和第五耦合器C5，主谐振腔上在和输入口相对的位置还设有输出口，第五耦合器C5的输入端和主谐振腔的输出口接触，第五耦合器C5的输出端和辅谐振腔的输入口接触，温控模块通过MEMS工艺制作的导线和欧姆结连接。
在主谐振腔内顺、逆时针传输的光波经第五耦合器C5进入辅谐振腔，在辅谐振腔内按逆、顺时针方向传输，然后进入主谐振腔，在主谐振腔内完成传输后由第二耦合器C2、第三耦合器C3分别传输到第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2；采用主、辅谐振腔双环耦合的微腔结构，增大了光程，使得Sagnac效应更加显著，同时更重要的是，当光学陀螺固定在被测物体上随着被测物体旋转时，在谐振腔内相向传输的两路光的光程不同，使得光子交换在谐振腔本征透射谱峰中心频率失谐位置出现拉比分裂的现象，产生谐振耦合诱导效应，该效应可以在谐振腔本征透射谱峰中心频率失谐位置产生一个更窄的诱导透射谱峰（如图2所示），光学陀螺可以跟踪和锁定诱导透射谱峰的中心频率测量角速度，由公式（λ为谐振光波长，为谐振谱峰半高宽）可知，较窄的诱导透射谱峰半高宽小，因此提高了谐振腔的品质因数Q值；进而由灵敏度公式（越小，灵敏度越高）可知，该效应可极大程度地提高光学陀螺的灵敏度及测试精度，可以将锁频精度提高1~2个数量级；谐振耦合诱导效应由于对谐振腔的匹配和控制要求较高而难以实现，本发明创造性的利用欧姆结和温控模块实现辅谐振腔温度调节，改变辅谐振腔有效折射率，进而改变相向传输光的有效光程，实现诱导透射谱峰输出，产生谐振耦合诱导效应。
本发明所述的温控模块为本领域技术人员所公知的结构。
上述的双谐振腔谐振式光学陀螺，所述欧姆结的形状为圆形，圆形的欧姆结使得辅谐振腔内受热均匀，利于产生谐振耦合诱导效应。
本发明的创新点在于：
1、提出基于高Q双微腔谐振耦合诱导透明效应的高灵敏惯性传感新机制，传统的谐振式光学陀螺是将激光锁在谐振腔的本征透射谱峰上，实现惯性参量的检测，但本征透射谱峰谱线太宽，锁频精度低，成为陀螺精度进一步提高的瓶颈。本发明提出利用高Q双微腔谐振耦合诱导透明效应获得极窄的谐振透射谱，可将锁频精度及稳定性提高1～2个数量级，提高谐振式光学陀螺的灵敏度；
2、提出基于高Q双微腔谐振耦合诱导效应的光学陀螺，谐振耦合诱导效应由于对谐振腔的匹配和控制要求较高而难以实现，本发明利用外部温度调节，改变微腔有效折射率，进而改变相向传输光的有效光程，实现诱导透射谱峰输出，产生谐振耦合诱导效应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本征透射谱峰和在本征透射谱峰上产生的诱导透射谱峰的对比图。
具体实施方式
双谐振腔谐振式光学陀螺，包括隔离准直芯片可调谐光源Laser，隔离准直芯片可调谐光源Laser的输出端通过光波导和第一耦合器C1的输入端连接，第一耦合器C1的输出端通过光波导分别和多功能集成光学调制器中第一调制器PM1和第二调制器PM2的输入端连接，第一调制器PM1的输出端通过光波导和第三耦合器C3的输入端连接，第二调制器PM2的输出端通过光波导和第二耦合器C2的输入端连接，第二耦合器C2、第三耦合器C3的输出端通过光波导分别和第四耦合器C4的输入端连接，第四耦合器C4的输出端和环状的主谐振腔的输入口接触，第二耦合器C2的另一输出端通过光波导和第一光电探测器PD1的输入端连接，第一光电探测器PD1的输出端和第一锁相放大器LIA1的输入端连接，第三耦合器C3的另一输出端通过光波导和第二光电探测器PD2的输入端连接，第二光电探测器PD2的输出端和第二锁相放大器LIA2的输入端连接，第二锁相放大器LIA2的输出端和反馈控制电路FBC的输入端连接，反馈控制电路FBC的输出端和隔离准直芯片可调谐光源Laser的反馈输入端连接，还包括其内中心位置设有欧姆结的环状的辅谐振腔、温控模块和第五耦合器C5，主谐振腔上在和输入口相对的位置还设有输出口，第五耦合器C5的输入端和主谐振腔的输出口接触，第五耦合器C5的输出端和辅谐振腔的输入口接触，温控模块通过MEMS工艺制作的导线和欧姆结连接。上述的双谐振腔谐振式光学陀螺，所述欧姆结的形状为圆形。具体实施时，欧姆结通过MEMS工艺制作，并淀积在固定在辅谐振腔底面上的硅基上，且使得欧姆结位于辅谐振腔的中心位置，温控模块通过控制流过欧姆结电流的大小，精确调节欧姆结的温度，进而调节辅谐振腔内光传输材料的有效折射率，产生谐振耦合诱导效应。
Claims (2)
1.双谐振腔谐振式光学陀螺，包括隔离准直芯片可调谐光源Laser，隔离准直芯片可调谐光源Laser的输出端通过光波导和第一耦合器C1的输入端连接，第一耦合器C1的输出端通过光波导分别和多功能集成光学调制器中第一调制器PM1和第二调制器PM2的输入端连接，第一调制器PM1的输出端通过光波导和第三耦合器C3的输入端连接，第二调制器PM2的输出端通过光波导和第二耦合器C2的输入端连接，第二耦合器C2、第三耦合器C3的输出端通过光波导分别和第四耦合器C4的输入端连接，第四耦合器C4的输出端和环状的主谐振腔的输入口接触，第二耦合器C2的另一输出端通过光波导和第一光电探测器PD1的输入端连接，第一光电探测器PD1的输出端和第一锁相放大器LIA1的输入端连接，第三耦合器C3的另一输出端通过光波导和第二光电探测器PD2的输入端连接，第二光电探测器PD2的输出端和第二锁相放大器LIA2的输入端连接，第二锁相放大器LIA2的输出端和反馈控制电路FBC的输入端连接，反馈控制电路FBC的输出端和隔离准直芯片可调谐光源Laser的反馈输入端连接，其特征在于还包括其内中心位置设有欧姆结的环状的辅谐振腔、温控模块和第五耦合器C5，主谐振腔上在和输入口相对的位置还设有输出口，第五耦合器C5的输入端和主谐振腔的输出口接触，第五耦合器C5的输出端和辅谐振腔的输入口接触，温控模块通过MEMS工艺制作的导线和欧姆结连接。
2.根据权利要求1所述的双谐振腔谐振式光学陀螺，其特征在于所述欧姆结的形状为圆形。
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