CN105352491A - 一种用于光纤陀螺延长光程的y波导结构 - Google Patents

一种用于光纤陀螺延长光程的y波导结构 Download PDF

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张鹏
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刘兴宇
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Abstract

一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，属于惯性导航的集成光波导领域。解决了光纤陀螺所用的长光纤环产生寄生效应，影响光纤陀螺的陀螺精度的问题。它包括反射腔结构；反射腔结构包括Y型分支波导、第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜沿Y型分支波导的中心轴镜像设置，光源发出的光传输到Y型分支波导中，通过Y型分支波导的两个分支臂将光源发射的光分成大小、方向等完全相等的两束光，分别透射过第一反射镜和第二反射镜后，传输到光纤环中，并将经过光纤环的光传回到镀有增透增反膜的第一反射镜和第二反射镜，使得一部分光传回到Y型分支波导，进入探测器中，另一部分光经过反射，又将光传输到光纤环中。它主要用于光传播。

Description

一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构
技术领域
本发明属于惯性导航的集成光波导领域。
背景技术
光纤陀螺是以保偏光纤构成敏感环，基于敏感线圈的Sagnac效应(即：萨格纳克效应)用于自发测量载体相对于惯性空间的旋转运动、载体相对于惯性空间的相对位置、方向等信息有关键性作用。干涉型光纤陀螺(IFOG)，由于光纤线圈中存在顺时针和逆时针传播的两束光，基于Sagnac效应(即：萨格纳克效应)发生干涉，建立相位差与陀螺旋转的位置关系实现惯性测量。
IFOG作为第一代光纤陀螺，原理技术都已经成熟，在军用惯导系统中得到了广泛的应用，而闭环式干涉型光纤陀螺是高精度光纤陀螺所采用的基本结构。
集成相位控制器(Y波导或Y分支)是光纤陀螺除光纤环以外最核心的器件。Y波导采用铌酸锂(LiNbO3)为基底，采用质子交换等工艺制成Y形状的光波导，将光束分束器、光波相位调制器和光的起偏器等多项功能集为一体，极大的减少了陀螺的尺寸。随着陀螺精度的提高，光纤环的长度逐步变长，而长光纤环对应的寄生效应越大是提高陀螺精度的瓶颈。
发明内容
本发明是为了解决光纤陀螺所用的长光纤环产生寄生效应，影响光纤陀螺的陀螺精度的问题，本发明提供了一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构。
一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，它包括反射腔结构；
所述的反射腔结构包括Y型分支波导、第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜沿Y型分支波导的中心轴镜像设置，
入射光经Y型分支波导形成两路光，其中，一路光经第一反射镜透射后，入射至光纤环，另一路光经第二反射镜透射后，入射至光纤环，光纤环出射的第一路光入射至第一反射镜，其中，一部分光透射至Y型分支波导，另一部分光反射至第二反射镜；
光纤环出射的第二路光入射至第二反射镜，其中，一部分光透射至Y型分支波导，另一部分光反射至第一反射镜；
第一反射镜靠近光纤环的一侧同时镀有反射膜和增透膜，
第二反射镜靠近光纤环的一侧同时镀有反射膜和增透膜。
所述的第一反射镜透射的光，通过第一尾纤入射至光纤环。
所述的第二反射镜透射的光，通过第二尾纤入射至光纤环。
一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，它还包括输入光纤，输入光纤的一端与Y型分支波导的入射端连接，另一端与探测器的信号输入输出端连接。
所述的第一反射镜与水平面的夹角为45°。
所述的第一反射镜和第二反射镜的结构完全相同。
所述的第一尾纤为保偏尾纤。
所述的第二尾纤为保偏尾纤。
一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的工作流程为：光源发出的光传输到Y型分支波导中，通过Y型分支波导的两个分支臂将光源发射的光分成大小、方向等完全相等的两束光，分别透射过第一反射镜和第二反射镜后，传输到光纤环中，并将经过光纤环的光传回到镀有增透增反膜的第一反射镜和第二反射镜，使得一部分光传回到Y型分支波导，进入探测器中，另一部分光经过反射，又将光传输到光纤环中，由此构成了反射腔，通过循环反射，增加了光在光纤环中传播的光程，由此增加了sagnac效应。
与现有专利技术相比，本发明用镀膜的反射镜构成反射腔，形成循环反射，代替了由光纤形成的循环反射结构，光直接在反射镜中进行循环反射，降低了使用光纤被动传输的损耗，真正意义上的零损耗；由光纤构成的循环反射结构，只能进行2次有效的循环反射，而本发明采用双反射镜的Y波导结构可以实现真正意义上的循环反射；本发明可以通过控制镀膜的比例，从而实现最大的有效传输光程。
本发明带来的有益效果是，由于新型Y波导结构采用反射腔结构，可以使光在光纤环内循环传播，增大了sagnac效应；与达到相同的陀螺精度采用的光纤环长度更短，降低了光纤环的寄生效应，提高了陀螺的精度，陀螺的精度提高了5％以上，短的保偏光纤环降低了陀螺的成本，使陀螺面向小型化，低成本方向发展。
说明书附图
图1为本发明所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，它包括反射腔结构1；
所述的反射腔结构1包括Y型分支波导1-1、第一反射镜1-2和第二反射镜1-3，第一反射镜1-2和第二反射镜1-3沿Y型分支波导1的中心轴镜像设置，
入射光经Y型分支波导1形成两路光，其中，一路光经第一反射镜1-2透射后，入射至光纤环2，另一路光经第二反射镜1-3透射后，入射至光纤环2，光纤环2出射的第一路光入射至第一反射镜1-2，其中，一部分光透射至Y型分支波导1-1，另一部分光反射至第二反射镜1-3；
光纤环2出射的第二路光入射至第二反射镜1-3，其中，一部分光透射至Y型分支波导1-1，另一部分光反射至第一反射镜1-2；
第一反射镜1-2靠近光纤环2的一侧同时镀有反射膜和增透膜，
第二反射镜1-3靠近光纤环2的一侧同时镀有反射膜和增透膜。
本实施方式中，其中考虑到由第一反射镜1-2和第二反射镜1-3来构成反射腔，同时又需保证有光能传回到探测器中，所用镜面必须同时镀有反射膜和增透膜，反射膜其作用为将光纤环传出的光，通过反射继续回到光纤环中传播，增透膜的作用是将经过光纤环的光作为输出光透射回探测器中，以实现测量。
通过增反膜和增透膜的比例来确定使用光纤环的长度。以增反膜反射率X为例，光纤环长度L0，有效的发生sagnac效应的光程为L0；使用反射率为X的反射膜构成的反射腔式Y波导结构其有效光程为：
L＝XL0+2X2L0+3X3L0+4X4L0+5X5L0+……+NXnL0
其中N＝∞，X为镀有增反膜的反射率，通过上式可以看出新型反射腔式Y波导结构可以有效的增加光在光纤环中传播的光程，从而增强的sagnac效应；考虑每次循环后有一半的光透射回探测器中，光强逐渐变小，而后的循环次数虽多，但是光强较弱，所以只能通过实验来确定N的有效次数，从而确定光程。通过实验来确定镀膜的反射率从而实现sagnac效应达到最强。
第一反射镜1-2和第二反射镜1-3沿Y型分支波导1的中心轴镜像设置，起到改变光反向的作用，使光可以循环的在光纤环2中传输。
第一反射镜1-2和第二反射镜1-3镶嵌到已刻蚀好的铌酸锂衬的Y型分支波导1-1中。
光纤环2用于对输入的光进行干涉。
Y型分支波导1-1的衬底材料是铌酸锂或其它衬底材料，Y型分支波导1-1的两个分支臂的衬底材料可以相同，也可以不同。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第一反射镜1-2透射的光，通过第一尾纤3入射至光纤环2。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第二反射镜1-3透射的光，通过第二尾纤4入射至光纤环2。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，它还包括输入光纤5，输入光纤5的一端与Y型分支波导1-1的入射端连接，另一端与探测器的信号输入输出端连接。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第一反射镜1-2与水平面的夹角为45°。
本实施方式中，所述的第一反射镜1-2表面采用镀膜技术，镜面表面镀有增透膜和增反膜，述的第一反射镜1-2与水平面的夹角为45°，保证光能无损耗的在镜面中传播。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第一反射镜1-2和第二反射镜1-3的结构完全相同。
具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第一尾纤3为保偏尾纤。
本实施方式中，第一尾纤3采用保偏尾纤，这样可以保证光波在光纤中传播时保持它的偏振态。
具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的区别在于，所述的第二尾纤4为保偏尾纤。
本实施方式中，第二尾纤4采用保偏尾纤，这样可以保证光波在光纤中传播时保持它的偏振态。
第一尾纤3和第二尾纤4采用保偏光纤，根据光源波长选取光纤响应的波长；本发明所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构的制作方法与传统波导相同，衬底由铌酸锂LiNbO3或其他合适的材料组成。波导材料为铌酸锂，采用质子交换或其他工艺在衬底上扩散形成波导区；其中在衬底上流出第一反射镜1-2和第二反射镜1-3的机械安装位置；第一反射镜1-2和第二反射镜1-3采用镀膜的玻璃，通过机械装调，安装到预留位置。

Claims (8)

1.一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，它包括反射腔结构(1)；
所述的反射腔结构(1)包括Y型分支波导(1-1)、第一反射镜(1-2)和第二反射镜(1-3)，第一反射镜(1-2)和第二反射镜(1-3)沿Y型分支波导(1)的中心轴镜像设置，
入射光经Y型分支波导(1)形成两路光，其中，一路光经第一反射镜(1-2)透射后，入射至光纤环(2)，另一路光经第二反射镜(1-3)透射后，入射至光纤环(2)，光纤环(2)出射的第一路光入射至第一反射镜(1-2)，其中，一部分光透射至Y型分支波导(1-1)，另一部分光反射至第二反射镜(1-3)；
光纤环(2)出射的第二路光入射至第二反射镜(1-3)，其中，一部分光透射至Y型分支波导(1-1)，另一部分光反射至第一反射镜(1-2)；
第一反射镜(1-2)靠近光纤环(2)的一侧同时镀有反射膜和增透膜，
第二反射镜(1-3)靠近光纤环(2)的一侧同时镀有反射膜和增透膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第一反射镜(1-2)透射的光，通过第一尾纤(3)入射至光纤环(2)。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第二反射镜(1-3)透射的光，通过第二尾纤(4)入射至光纤环(2)。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，它还包括输入光纤(5)，输入光纤(5)的一端与Y型分支波导(1-1)的入射端连接，另一端与探测器的信号输入输出端连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第一反射镜(1-2)与水平面的夹角为45°。
6.根据权利要求5所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第一反射镜(1-2)和第二反射镜(1-3)的结构完全相同。
7.根据权利要求2所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第一尾纤(3)为保偏尾纤。
8.根据权利要求3所述的一种用于光纤陀螺延长光程的Y波导结构，其特征在于，所述的第二尾纤(4)为保偏尾纤。
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