CN103697880A - 一种低随机游走系数的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺，由宽谱光源、光学探测器、2*2耦合器、集成光学调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器和光线环圈组成，2*2耦合器用于将宽谱光源发出的光分束后使之进入集成光学调制器，并将干涉后的光信号分束传入光学探测器；集成光学调制器用于实现光路的起偏和分束，第一保偏分束器、第二保偏分束器的快轴分支和慢轴分支都与集成光学调制器的尾纤的快轴耦合；集成光学调制器的第一分支与第一保偏分束器的快轴分支对轴熔接，集成光学调制器的第二分支与第二保偏分束器的慢轴分支对轴熔接；第一保偏分束器的慢轴分支与第二保偏分束器的快轴分支对轴熔接；第一保偏分束器和第二保偏分束器的单端尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤对轴熔接。

Description

一种低随机游走系数的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光学陀螺仪表，特别涉及一种采用保偏分束器与光纤环的连接方法，从而提高光纤陀螺随机游走系数的干涉型光纤陀螺仪表。

背景技术

光纤陀螺是一种以萨格奈克效应为原理的全固态光学陀螺。光纤陀螺自1976年首次面世以来就得到了飞速的发展，到目前为止，已经在很多领域完全取代了传统的机械陀螺，成为现代导航领域的主流器件。

光纤陀螺中一个重要的参数是随机游走系数。在不同的应用场合，要求光纤陀螺具有不同的精度，随机游走系数是光纤陀螺精度的重要指标，即在越高的导航系统中应用，要求光纤陀螺的随机游走系数越小。光纤陀螺的萨格奈克相移与转速的关系可表示为：

${\mathrm{\φ}}_s=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}C}\mathrm{\Ω}=K_{\mathrm{sF}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中：

是光源的平均波长，c是真空中的光速，L是光纤环长度，D是光纤环直径。从式(1)中可以看出，在光学陀螺的相位噪声固定的前提下，增加光源的波长，增大环圈的直径和使用更长的光纤能够减小光学陀螺的角速率白噪声，即随机游走系数。干涉式光纤陀螺通常为了抑制非互易相移，所以使用宽谱光源，通常为超辐射发光二极管或者掺铒光纤光源，波长通常为1310nm和1550nm。通过增大光纤环圈的直径和增加光线的长度，会带来体积的增大，限制光纤陀螺的应用范围，尤其保偏光纤价格比较昂贵，会给光纤陀螺带来成本的增加。所以，在不增大体积重量的前提下，通过光路设计减小光学陀螺的随机游走系数是有必要的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够对光纤陀螺中不增加光纤环圈体积重量但增加有效光路长度的光路，从而提高光纤陀螺的随机游走系数，进而实现一种低随机游走系数的光纤陀螺。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种光纤陀螺，由宽谱光源、光学探测器、2*2耦合器、集成光学调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器和光线环圈组成，所述宽谱光源用于产生宽谱光；所述光学探测器用于检测塞格纳克干涉的光信号强度；所述2*2耦合器用于将宽谱光源发出的光分束后使之进入集成光学调制器，并将干涉后的光信号分束传入光学探测器；所述集成光学调制器用于实现光路的起偏和分束，其包括铌酸锂波导芯片、尾纤和两个输出端，其尾纤的快轴与铌酸锂波导芯片的快轴对轴耦合，且尾纤为保偏光纤，所述两个输出端为第一分支和第二分支，第一分支和第二分支输出的光具有相同光强、相位和偏振态；所述第一保偏分束器、第二保偏分束器是分离快慢轴光的分束器，其快轴分支和慢轴分支都与所述集成光学调制器的尾纤的快轴耦合，其尾纤为保偏光纤；所述光纤环圈为保偏光纤绕制环圈；其中，所述集成光学调制器的第一分支与所述第一保偏分束器的快轴分支对轴熔接，所述集成光学调制器的第二分支与第二保偏分束器的慢轴分支对轴熔接；所述第一保偏分束器的慢轴分支与所述第二保偏分束器的快轴分支对轴熔接；所述第一保偏分束器和第二保偏分束器的单端尾纤分别与所述光纤环圈的两个尾纤对轴熔接。

根据本发明的一种实施方式，所述2*2耦合器为四端口光学器件，所述宽谱光源输出的宽谱光进入所述2*2耦合器的第一端口，经该2*2耦合器分束后，所述第三端口输出的光进入所述集成光学调制器，第四端口为空头；当光从所述集成光学调制器返回时，进入所述2*2耦合器的第三端口，经由所述2*2耦合器分束后，所述第二端口输出的光信号进入所述光学探测器被检测。

根据本发明的一种实施方式，所述宽谱光源是超辐射发光二极管或者掺铒光纤光源。

根据本发明的一种实施方式，所述集成光学调制器是Y波导集成光学调制器。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明通过在传统的光纤陀螺光路中加入了第一保偏分束器和第二保偏分束器，实现了对光纤环圈有效长度的扩展，将有效光路长度增加了一倍，在不增加体积重量的前提下，有效降低了光纤陀螺的随机游走系数，提高了光纤陀螺的短期零偏稳定性和扩大了应用范围。

附图说明

图1是本发明的光纤陀螺的结构示意图；

图中：1为宽谱光源，2为光学探测器，3为2*2耦合器，4为集成光学调制器，5为第一保偏分束器，6为第二保偏分束器，7为光纤环圈。8为第一保偏分束器的快轴分支，9为第二保偏分束器的慢轴分支，10为第一保偏分束器的慢轴分支，11为第二保偏分束器的快轴分支，12为集成光学调制器的第一分支，13为集成光学调制器的第二分支。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的光纤陀螺的结构示意图。如图1所示，本发明的低随机游走系数的光纤陀螺由宽谱光源1、光学探测器2、2*2耦合器3、集成光学调制器4、第一保偏分束器5、第二保偏分束器6、光线环圈7组成。

其中，宽谱光源1用于为整个光纤陀螺产生宽谱光，以有效降低光纤陀螺的各项非互易相移，可选用光纤陀螺中常用的超辐射发光二极管或者掺铒光纤光源。

光学探测器2用于检测塞格纳克干涉的光信号强度，其可以是通信通用光探测器，

2*2耦合器3在本发明中为单模光纤耦合器，用于将宽谱光源1发出的光分束后使之进入集成光学调制器4，并将干涉后的光信号分束传入光学探测器2，2*2耦合器3为四端口光学器件，宽谱光源1输出的宽谱光进入2*2耦合器的第一端口，经耦合器分束后，第三端口输出的光进入集成光学调制器，第四端口为空头。光由集成光学调制器返回时，进入耦合器第三端口，经由耦合器分束后，第二端口输出的光信号进入光学探测器被检测。

集成光学调制器4用于实现光路的起偏和分束，包括铌酸锂波导芯片和尾纤，其尾纤的快轴与铌酸锂波导芯片的快轴对轴耦合，且尾纤为保偏光纤。集成光学调制器4包括两个输出端，即第一分支12和第二分支13，第一分支12和第二分支13输出的光具有相同光强、相位和偏振态，集成光学调制器4可以采用光纤陀螺中常用的Y波导集成光学调制器。

第一保偏分束器5、第二保偏分束器6是分离快慢轴光的分束器，其快轴分支和慢轴分支都与集成光学调制器4的尾纤的快轴耦合。第一保偏分束器5、第二保偏分束器6的尾纤也为保偏光纤。

光纤环圈7为保偏光纤绕制环圈。

需要说明的是，除了集成光学调制器、第一保偏分束器和第二保偏分束器，其余器件的尾纤皆为单模光纤。

在集成光学调制器4分束后，经过第一保偏分束器5、第二保偏分束器6和光纤环圈7的光路部分为本发明的重点部分，光路的连接为：集成光学调制器4具有一个输入端和两个分支，第一分支12和第二分支13输出具有相同光强、相位的偏振光，其中，第一分支12与第一保偏分束器5的快轴分支8对轴熔接，第二分支13与第二保偏分束器6的慢轴分支9对轴熔接，第一保偏分束器5的慢轴分支10与第二保偏分束器6的快轴分支11对轴熔接，第一、第二保偏分束器5、6的单端尾纤分别与保偏光纤环圈的两个尾纤对轴熔接。由第一保偏分束器、第二保偏分束器和光纤环圈一起构成了一个有效光纤长度增加单元。

由此，宽谱光源1发出的光经过2*2耦合器3分成两等份，其中一份光经过集成光学调制器4，集成光学调制器4用于将光源发射出的宽普光分束，两次经过保偏分束器和光纤环圈，随后第二次经过2*2耦合器3进入光学探测器2，实现光纤陀螺对转速的传感。

具体来说，当集成光学调制器4尾纤快轴与铌酸锂波导芯片的快轴对轴耦合，光进入集成光学调制器4后，沿光纤快轴传播。顺时针光由集成光学调制器4的第二分支13进入第二保偏分束器6的慢轴分支9，此时顺时针光沿光纤快轴传播。经由第二保偏分束器6进入光纤环圈7，由于9为第二保偏分束器的慢轴分支，在光纤环圈7内，顺时针光沿慢轴传播。经过第一保偏分束器5后，顺时针光进入第一保偏分束器5的慢轴分支10，并沿其快轴传播，进入第二保偏分束器6的快轴分支11。第二次经过第二保偏分束器6，进入光纤环圈7，顺时针光沿光纤快轴传播，第二次进入第一保偏分束器5后，从第一保偏分束器5的快轴分支8传出，并进入集成光学调制器4。逆时针光的传播路径与顺时针光相似，只是方向相反。由于光两次经过光纤环圈4，使有效光路的长度增长一倍，使陀螺的随机游走系数降低为原来的一半。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤陀螺，由宽谱光源(1)、光学探测器(2)、2*2耦合器(3)、集成光学调制器(4)、第一保偏分束器(5)、第二保偏分束器(6)和光线环圈(7)组成，其特征在于：

所述宽谱光源(1)用于产生宽谱光；

所述光学探测器(2)用于检测塞格纳克干涉的光信号强度；

所述2*2耦合器(3)用于将宽谱光源(1)发出的光分束后使之进入集成光学调制器(4)，并将干涉后的光信号分束传入光学探测器(2)；

所述集成光学调制器(4)用于实现光路的起偏和分束，其包括铌酸锂波导芯片、尾纤和两个输出端，其尾纤的快轴与铌酸锂波导芯片的快轴对轴耦合，且尾纤为保偏光纤，所述两个输出端为第一分支(12)和第二分支(13)，第一分支(12)和第二分支(13)输出的光具有相同光强、相位和偏振态；

所述第一保偏分束器(5)、第二保偏分束器(6)是分离快慢轴光的分束器，其快轴分支和慢轴分支都与所述集成光学调制器(4)的尾纤的快轴耦合，其尾纤为保偏光纤；

所述光纤环圈(7)为保偏光纤绕制环圈；其中，

所述集成光学调制器(4)的第一分支(12)与所述第一保偏分束器(5)的快轴分支(8)对轴熔接，所述集成光学调制器(4)的第二分支(13)与第二保偏分束器(6)的慢轴分支(9)对轴熔接；所述第一保偏分束器(5)的慢轴分支(10)与所述第二保偏分束器(6)的快轴分支(11)对轴熔接；所述第一保偏分束器(5)和第二保偏分束器(6)的单端尾纤分别与所述光纤环圈(7)的两个尾纤对轴熔接。

2.如权利要求1所述的光纤陀螺，其特征在于，所述2*2耦合器(3)为四端口光学器件，所述宽谱光源(1)输出的宽谱光进入所述2*2耦合器的第一端口，经该2*2耦合器(3)分束后，所述第三端口输出的光进入所述集成光学调制器(4)，第四端口为空头；当光从所述集成光学调制器(4)返回时，进入所述2*2耦合器(3)的第三端口，经由所述2*2耦合器(3)分束后，所述第二端口输出的光信号进入所述光学探测器(2)被检测。

3.如权利要求1或2所述的光纤陀螺，其特征在于，所述宽谱光源(1)是超辐射发光二极管或者掺铒光纤光源。

4.如权利要求1或2所述的光纤陀螺，其特征在于，所述集成光学调制器(4)是Y波导集成光学调制器。

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