CN105705907A - 低损耗光学陀螺仪装置 - Google Patents

低损耗光学陀螺仪装置 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于光学干涉设备的光学陀螺仪装置和方法，可减少光损耗，从而增强设备能源效率。在一个实例中，在光学陀螺仪中采用光学偏振控制技术来减少光学传感光路中光传播带来的光损耗。

Description

低损耗光学陀螺仪装置
对相关申请的引用
本专利文件要求2013年6月11日在美国临时专利申请的专利号为No.61/833,633的题为“低损耗光学陀螺仪装置”的优先权益。上述提及的专利申请的全部内容通过引用并入本文作为公开内容的一部分。
背景
本专利文件涉及光学陀螺仪光学角度传感。角度传感应用广泛，包括如导航、动作传感、运动控制，包括物体稳定控制、游戏机控制器、掌上设备,如智能手机等。光学陀螺仪测量原理是利用两束反方向传播的光束由于转动引起的干涉图像的变化来测量转动。许多光学干涉仪是基于光学Sagnac干涉装置的，包括各种干涉型光纤陀螺仪(IFOGs)。这种光学陀螺仪的设计没有运动部件，从而不会有摆动和运动部件的陀螺仪的磨损因素。光纤陀螺干涉仪已经被商业化和大规模生产，可用于各种军事和民用领域的应用中，包括对飞机、船舶、和陆地车辆中精密旋转速度和旋转角度的检测。
图.1分别显示了基于在自由空间反射的光环路和光纤环形成的Sagnac干涉仪的光陀螺。图.1中的Sagnac干涉仪采用一个输入分束器(BS1)接收Sagnac干涉仪的输入光，并引导返回的光从Sagnac干涉仪进入光电探测器(PD)来检测Sagnac干涉仪的干涉信号。第二个分束器(BS2)耦合到Sagnac干涉仪的光学回路，如图所示，产生两个反方向传播的光束。把一个光学偏振片(起偏器)放在两个分束器(BS1和BS2)之间，确保第二个分束器两束耦合进光纤环的偏振光光束光功率相等。第二个分束器把入射光在光学回路中分成两束同等偏振态的反方向传播的光束，由于两束光有同样的偏振态，它们在同一分束器(BS2)重组相互干涉。在BS2的部分重组光与光干涉信息被引导到第一个分束器(BS1)，它使重组光的一部分进入光电探测器进行检测。为了增加灵敏度和可靠性，这个光环路可以设计成一个很长的回路，例如，用一个相对较长的光纤环(几百到几千米的光纤)来形成光学回路。
发明内容
本文件包括低损耗光学陀螺仪设计。基于光学干涉设备的光学陀螺仪装置和方法被用来减少光损耗和增强设备能源效率。在一个设计中，光学陀螺仪采用了光偏振控制，以减少进入及离开光环路时的光学损耗。
本设计提供的一种使用光学陀螺仪传感光环路进行角度传感的方法。该方法包括使用一个第一个光学偏振选择设备去接收输入光偏振器中的输入光偏振光，并使输出光没有大的损耗；使用一个偏振旋转装置接收来自第一个偏振选择设备的输出光，并将所接收光的偏振方向旋转45度形成偏振旋转光；使用一个第二个光学偏振选择器接收来自偏振旋转器的偏振旋转光，偏振旋转器将偏振旋转光分为两束不同偏振方向的光，第二束光与第一束光的偏振方向相互正交；将一个光环路通过第二偏振选择器将第一束光耦合进入光环路的第一端口，并沿着第一方向传输；通过第二偏振选择器将第二束光耦合进入光环路的第二端接口，并沿着与第一束光方向相反的第二方向进行传输；设置光环路和第二个光偏振选择设备，使来自光环路并在光环路传播后的第一和第二个光束能够重新汇合形成一个返回光束，并再次通过偏振旋转器和第一偏振选择设备，形成携带了光环路的转动信息的第一个光偏振选择设备输出光；通过对偏振旋转器和偏振选择设备进行设置，使得相向传输的两束光偏振方向相一致，所以在这个传输过程中光的损耗很小；使用一个光学探测器接收第一个光偏振选择设备的输出光，并根据这个返回输出光产生一个检测信号；处理该检测信号来提取光环路所感受的旋转。
另一个方案，一种通过传感光环路感受旋转的光学陀螺仪，包括一个第一个光学偏振选择设备，去接收输入偏振光中的输入光，并产生没有大的损耗的输出光；一个位于陀螺仪中的偏振旋转器接收来自第一偏振选择设备的输出光，并将所接收光的偏振方向旋转45度来产生偏振旋转光；一个位于陀螺仪中的第二个光偏振选择器接收来自偏振选择器的偏振旋转光，并将偏振旋转光分为两束偏振方向相互正交的光；一个光环路的第一端与第二个偏振选择器耦合接收第一种传播方向的光束，第二端与第二个偏振选择器耦合接收与第一束传播方向相反的第二束光；光环路和第二个光偏振选择器被设置成，使来自光环路传播后的第一和第二个光束能够重新结合，形成携带着光环路所经历的旋转信息的返回光束，这一束偏振光通过偏振旋转器到达第一个光偏振选择设备，将返回的光束作为输出光束；一个位于陀螺仪里的光学探测器接收第一个光偏振选择设备的输出光，根据返回输出光构造产生一个检测信号；一个信号处理单元处理检测信号提取光环路所经历的旋转信息。
上述各方面的说明和要求与它们的实施方案在附图中有更详细的描述。
附图的简要说明
图1展示了基于自由空间元器件搭建的干涉仪的光学陀螺仪设计。
图2展示了基于光纤干涉仪的光学陀螺仪设计。
图3展示了基于一种低损耗的光学陀螺仪的基本设计。
图4A和4B例举了另一种使用两个偏振分光棱镜的低损耗光学陀螺仪设计。其中图.4A使用立方体型偏振分束棱镜(偏振分束器)实现低损耗光纤陀螺(FOG)的一个说明。可以以一个芯片大小光源集成在虚线框内部，以减少体积和造价。在这种情况下，没有保偏光纤尾纤对光源的要求。图.4B：偏振分束器和波片的相对取向。偏振分束器2(PBS2)和PBS1有相同的方位(x,y)，波片的慢轴和快轴(s,f)很好的以45度角与PBS的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。为了有更好的性能，两个偏振光纤尾纤可以用来代替这两个保偏光纤尾纤。
图5A和5B例举了另一种使用一个偏振分光棱镜和一个渥拉斯顿棱镜低损耗的光学陀螺仪设计。其中图5.A：实现第二种低损耗光纤陀螺(FOG)的说明。也可以以一个芯片大小光源集成在虚线框内部，以减少体积和造价。在这种情况下光源对保偏光纤尾纤没有要求。图5.B：渥拉斯顿棱镜和波片与PBS1的相对取向。PBS1和渥拉斯顿棱镜具有相同的方位(x，y)，波片的慢轴和快轴(s,f)很好的以45度角与PBS的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。为了有更好的性能，两个偏振光纤尾纤可以用来代替这两个保偏光纤尾纤。
图6A和6B例举了另一种在图5基础上，使用低成本光源的低损耗的光学陀螺仪设计。其中图6.A：实现第二种无损耗光纤陀螺(FOG)的说明。一个低成本的光盘激光器或VCSEL激光器(垂直腔面发射激光器)可以集成在同一包装内。激光器在低相干长度操作阈值下很好的运行。图6.B：渥拉斯顿棱镜和波片与PBS1的相对取向。PBS1和渥拉斯顿棱镜具有相同的方位(x，y)，波片的慢轴和快轴(s,f)很好的以45度角与PBS的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。为了有更好的性能，两个偏振光纤尾纤可以用来代替这两个保偏光纤尾纤。
图7A和7B例举了另一种使用两个渥拉斯顿棱镜的低损耗的光学陀螺仪设计。图7.A：实现第三种低损耗光纤陀螺(P-FOG)的说明。图7.B：两个渥拉斯顿棱镜和波片与PBS的相对取向。两个渥拉斯顿棱镜具有相同的方位(x，y)，波片的慢轴和快轴(s,f)很好的以45度角与渥拉斯顿棱镜的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。
图8例举了另一种在图7A和图7B基础上，使用电光波导芯片进行相位调制的低损耗的光学陀螺仪设计。
详细说明
本专利文件公开了为了减少来自光学回路的光耦合损耗的基于高效率光学设计的用光来传感转动的技术和设备。基于这个公开的低损耗设计而构造出的光学陀螺仪有很广泛的应用，包括飞机、船舶、陆地车辆的应用，以及在各种传感设备上的应用，如手持通讯设备，掌上电脑和智能手机，游戏控制器和其他精密旋转速度和旋转角度的检测等，且不仅限于此。
图.2给出一类干涉型光纤陀螺仪的一个例子，其光学设计与图.1中的相同。在光纤中采用了相位调制，使得陀螺仪偏置于最敏感的区域，信号监测采用了闭环线路以增加检测动态范围以及灵敏度。如图.2所示两个光纤耦合器耦合器1和耦合器2对光偏振不敏感。在运行中这两个光纤耦合器独立的把偏振光分束或组合。基于Sagnac干涉仪的光学陀螺仪可以以这种构造或其他构造来实现，如图.1和图.2所示，依靠光环路中两束反方向传播的光干涉来检测光学回路的转动。
如图.1图.2和其它设计的光干涉型陀螺仪的主要问题是高插入损耗。来自光源的输入光通过图.1中的分束器BS1(或者是图.2中的耦合器1)时最少经受3dB的损耗。从第二个分束镜BS2或是耦合器2返回并再次通过第一个分束器BS1或耦合器1后，光功率会至少再损耗3dB。即便所有光学器件本身是无损耗的，在光电探测器中总的光损耗至少有6dB。实际情况下，假设每个分束器(或耦合器)和偏光镜都有0.5dB的额外损耗，那么各种设备总的光损耗大约有9dB或更多。如此高的损耗对光源提出了更高的功率要求，从而导致成本更多和更高的电力消耗。
假设所有的光学器件都是无损耗的，这里所公开的低损耗光学陀螺仪设计，可以被用来实现当光线从光源到光电检测器基本上没有光损耗的光学陀螺仪构造。
图.3显示了这种设计的一个例子，其中的偏振分束器(PBS1和PBS2)被用来替换图.1和图.2中不敏感的偏振分束器或耦合器，并且把一个偏振旋转器插入到两个偏振分束器PBS1和PBS2的光路之间。第二个偏振分束器PBS2既有作为分束器把光环路中的光分成两个相反方向传播的光束的作用，又有作为光偏振器来抑制光纤环中不必要的偏振耦合的功能。与图.1和图.2中的设计相比较，使用这种配置，光损耗至少可以降低6dB。考虑到两个偏振分束器每一个都至少有0.5dB的光损耗和许多实用装置中的偏振旋转器，与图.1和图.2中的陀螺仪设计对光源功率的要求相比，图.3所示的设计能够使对光源功率的要求至少降低9dB。相向传播的光束是来自正交偏振的分量。在光环路中采用了相位调制，使得陀螺仪偏置于最敏感的区域，就像它在干涉型光纤陀螺仪里的作用一样。在当前设计中，信号检测和信号处理可以在各种构造中实现，包括类似于干涉型光纤陀螺仪中的处理电路。
图4.A显示了在图.3中设计的第一种低损耗光学陀螺仪的实现，这里使用了立方体型偏振分束棱镜。这些立方体可以用电解质涂层分光或双折射晶体制成。在图.4A中保偏光纤被用来传输光。两个立方体型偏振分束镜的传输轴或本征轴是一致的。这个偏振旋转器可以是一个光轴与第一个偏振分束镜光轴成45度的半波片，或者是一个45度的法拉第旋转器，因此，源自第二个偏振分束镜的两个输出分量有相同的光强。两个源自第二个偏振分束镜的输出在光纤环两个保偏光纤光纤尾纤的慢轴(或快轴)耦合，所以它们可以在光纤环的同一个光路传播后在没有损耗下重新组合。返回通过波片或法拉第旋转器后，偏振光将会相对于之前通过的光的偏振方向旋转90度，从第一个偏振分束镜的偏振输入，到最后进入光电检测器之前，将在没有损耗的情况下被引导到第一个偏振分束器的第三个端口。图.4B显示了偏振分束器和波片的相对取向。PBS1和PBS有相同的方位(x,y)，波片的慢轴和快轴(s,f)以45度角与PBS的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。这里还提供了一个驱动相位调制器的电路，来处理光电检测器的信号检测并执行解调，并作为陀螺仪信号处理的一部分来确定由光纤环组成的光环路的旋转。
光束到达图.4A中的第一个偏振分束器PBS之前的电场可以被写为：
公式中的和表示第一个偏振分束器PBS的传输轴或主轴，和是波片的慢轴和快轴。通过波片后电场变为：
在两束偏振方向相互正交的光束被第二个偏振分束器分为两束后，在光环路里变为两个相向传播的光束，在光环路里循环后，于第二个偏振分束器重组，在第二个偏振分束器的重组光束的电场是：
Δφ是干涉型光学陀螺仪的光环路里相反方向传播的光由物理旋转导致的相位差。由光环路的旋转导致的相位差可以被表示为：
Δφ＝2πDGD/λ0＝(4πA/λ0c)ω,(4)
A是被光束包围的区域的面积，λ0是中心波长，c是光速，ω是转速。假设它们在环路里传播时两个偏振分量没有其他的相位偏移。
在重新组合的光束第二次通过波片时，在波片输出的重组光束的电场为：
对于四分之一波片，φp＝π/2，式(5)变为：
由四分之一波片输出的光束在最后通过第一个偏振分束器后，x和y方向的光功率为：
当光环路没有旋转时，Δφ＝0,Py＝0,表明所有到达光电检测器的光功率都没有损耗。式(7)的表达式对于干涉型光纤陀螺仪来说是一样的。为了使检测信号对旋转引发的相位差Δφ更敏感，与干涉型光纤陀螺仪完全相同，在光环路中，采用一种相位调制方法，使得光学陀螺仪偏置于90度，就像IFOG。利用这个相位调制器，开环和闭环的光纤陀螺仪配置都可以实现，正如一个干涉型光纤陀螺仪。图.4中设计的优点是减少了光损耗，并且6-dB的功率通过减少总信号6dB的损耗被节省下来。为了增加消光比，可以在光纤尾纤之前的第二个偏振分束器的两个输出端放置两个光学偏振器。另外，两偏振光纤尾纤可以用来取代图.4A中的保偏光纤尾纤。偏振光纤段分别耦合在光纤环和第二偏振分束器之间，每段偏振光纤都设置为可将通过的光变成所需要的偏振方向。
图.5A显示了图.3低损耗设计的第二种实现方案，为了提高偏振消光比和减小尺寸，用渥拉斯顿棱镜来代替图.4A中的第二个偏振分束镜(PBS2)。双光纤准直器置于棱镜输出端，来聚焦正交偏振光束于两个保偏光纤并与它们的慢轴对齐。图5.B显示了渥拉斯顿棱镜和波片与PBS的相对取向。PBS1和渥拉斯顿棱镜具有相同的方位(x,y)，波片的慢轴和快轴(s,f)以45度角与PBS的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。图.5A中，可以用两个偏振光纤尾纤来代替这两个保偏光纤尾纤来提高偏振消光比和性能。
图.6A显示了图.3低损耗设计的第二种实现方案，一个低成本的激光器，如光盘激光器，或TO46或类似集成的VCSEL激光器(垂直腔面发射激光器)，和虚线框内光学器件的其余部分集成到一起。和在干涉型光纤陀螺仪中一样，为了陀螺仪更好的性能，该激光器可以通过控制驱动电流低于激光器的激光抽运阈值电流，来确保短的相干长度。由于激光器在激光阈值以下低的光功率，所以这里公开的无损耗配置非常节能。为了有更好的性能，两个偏振光纤尾纤可以用来代替这两个保偏光纤尾纤。
图.7A显示了图.3低损耗设计的第三种实现方案，为了进一步减小设备的尺寸，图.4A中的两个PBS被渥拉斯顿棱镜更换。整个光学封装包括两个渥拉斯顿棱镜、两个双光纤准直器和一个偏振旋转器，可以小到例如直径3mmx长15mm。假设在自由空间每对棱镜和准直器的单程损耗低于0.4dB，偏振旋转器的单程损耗低于0.1dB，总的实际损耗可以被控制为低于2dB。图7.B展示了两个渥拉斯顿棱镜与波片的相对取向。两个渥拉斯顿棱镜具有相同的方位(x,y)，波片的慢轴和快轴(s,f)很好的以45度角与渥拉斯顿棱镜的光轴对准。如果使用了法拉第旋转器，那么它在(x,y)平面的方位并不需要确定。同样，为了提高偏振消光比和更好的性能，两个偏振光纤尾纤可以被用来代替右边的两个保偏光纤尾纤。
图.8显示了图.3低损耗设计的第四种实现方案。与图.7A的设计类似，一个电光波导装置耦合在光纤环和作为第二光偏振选择设备的沃拉斯顿棱镜之间，通过响应电调制控制信号，为系统提供波导电光相位调制。这个电光波导装置可以做成一个电光材料(如LiNbO3)的波导芯片，通过电调制信号进行相位调制。例如，可以用质子交换法制造的高偏振波导。
虽然本文件包含许多细节，这些不应该被认为是对本发明范围声称或被声称内容的限制，而是对本发明体现的特定特性的具体描述。在本文档上下文中描述的单独的实施方案中的某些特征也可以在一个单独的实施例子中组合实施。相反地，在上下文中描述的一个单独实施例案的各种特性也可以在多个实施例案中单独或在任何合适的子组合中实现。此外，虽然一些特征像上文描述的一样，可以在某些特定组合中甚至像最初声称的那样运行，来自专利范围的一个或多个特点可以在某些情况下从组合中删除，并且这个专利范围可以被定向到一个子组合或子组合的变化。
只有几个例子和实现被描述。其它对于本描述的例子的实现、变化、修改和增强或许可以成功。

Claims (20)

1.一种传感光环路所经历的旋转光学陀螺仪，包括：
一个第一光学偏振选择设备去接收输入偏振光中的输入光，并产生输出光。
一个偏振旋转器接收来自第一偏振选择设备的输出光，并将所接收光的偏振方向旋转45度，产生一个偏振旋转光。
一个第二光偏振选择设备接收来自偏振旋转器的偏振旋转光，并将偏振旋转光分为两束偏振方向相互垂直的第一偏振光和第二偏振光。
一个光环路的第一端口接收来自第二光偏振选择设备的第一偏振光，其第二端口接收来自第二光偏振选择设备的第二偏振光，并使第一偏振光和第二偏振光在光环路中沿着相反的方向传播；光环路和第二个光偏振选择器，使来自光环路并在光环路中传播后的第一偏振光和第二偏振光能够重新结合；通过光环路和第二偏振选择设备的重新结合好的携带着光环路转动信息示的返回光束，通过偏振旋转器到达第一偏振选择设备，并产生一个输出光。
一个光学探测器接收第一偏振选择设备的输出光，产生一个检测信号；并处理该检测信号提取光环路的转动信息。
2.权项1中，包括：
第一和第二偏振选择设备是偏振分束器，以实现偏振分光作用。
3.权项1中，包括：
偏振旋转器是一个四分之一波片。
4.权项1中，包括：
偏振旋转器是一个45°法拉第旋转器。
5.权项1中，包括：
光环路由光纤环构成。
6.权项5中，包括：
光纤环的两端被耦合到第二光偏振选择设备，分别接收第二光偏振选择设备的第一偏振输出光和第二偏振输出光，并使第一偏振输出光和第二偏振输出光在光纤环里沿着一条共偏振轴相对方向传输，并使在光纤环里传输后的第一偏振输出光和第二偏振输出光在第二光偏振选择设备合并并形成一个偏振方向相同的合并输出光。
7.权项5中，包括：
所述光纤环是保偏光纤环，保偏光纤环的第一端口的保偏光纤偏振慢轴(或快轴)与第二光学偏振选择设备的第一偏振输出光的偏振轴对齐，保偏光纤环的第二端口的保偏光纤偏振慢轴(或快轴)与第二光学偏振选择设备的第二偏振输出光的偏振轴对齐。
8.权利要求1中的光学陀螺仪，包括
一个在光环路中的光学调制装置，用来引起返回光束中的相位偏差，使光环路的旋转引起的相位变化非常敏感。
9.权利要求1中的光学陀螺仪，包括：
第一和第二光偏振选择设备中的其中之一是一个可输出两束偏振相互正交的光的渥拉斯顿棱镜，和一个有两根光纤的、分别和渥拉斯顿棱镜连接来接收这两束光的双光纤准直器，另一个光偏振选择器是一个偏振分束器。
10.权利要求1中的光学陀螺仪，包括：
第一和第二光偏振选择设备都是一个可输出两束偏振相互正交的光的渥拉斯顿棱镜，并分别配有一个有两根光纤的、分别和对应渥拉斯顿棱镜连接来接收这两束光的双光纤准直器。
11.权利要求1中的光学陀螺仪，进一步包括：
保偏光纤段耦合在光环路和第二偏振选择设备之间，每个偏振光纤段按照预设偏振方向提供所需的传输偏振光。
12.权利要求1中的光学陀螺仪，进一步包括：
一个耦合在光纤环和第二偏振选择设备之间波导装置，通过响应电调制控制信号，为波导提供相位调制。
13.一种使用光学陀螺仪来传感光环路所经历的旋转的方法，包括：
使用一个第一光学偏振选择设备去接收来自一个输入光起偏器的输出光，并产生一个第一光学偏振选择设备输出光；
使用一个偏振旋转装置接收来自第一光学偏振选择设备的输出光，并将所接收光的偏振方向旋转45度来产生偏振旋转的光；
使用一个第二个光学偏振选择设备接收来自偏振旋转器的偏振旋转光，将偏振旋转器偏振旋转光分为两束偏振方向垂直的的第一偏振光和第二偏振光；
使用一个光环路，使其第一端口接收第一偏振光，经过环路传播后在第二端口输出，使其第二端口接收第二偏振光，经过环路传播后在第一端口输出；
设置光环路和第二个光偏振选择器，使来自光环路并在光纤环传播后的第一偏振光和第二偏振光两个光束能够重新合束，作为通过光环路的返回偏振光束携带着光环路转动过程的信息指示的光束，该光束通过偏振旋转器到达第一光偏振选择设备，并通过第一光偏振选择设备形成一个与第一次通过第一光偏振选择设备相比损耗很小的输出光；
使用一个光学探测器接收第一光偏振选择器的输出光，并根据返回输出光构造产生一个检测信号；并处理检测信号来提取光环路所经历的旋转信息。
14.权项13中方法，包括：
第一和第二偏振选择设备是偏振分束器。
15.权项13中方法，包括：
偏振旋转器是一个四分之一波片。
16.权项13中方法，包括：
偏振旋转器是一个45°法拉第偏振旋转器。
17.权项13中方法，包括：
光环路是由光纤环构成。
18.权项15中方法，包括：
将光纤环的两端耦合到第二光偏振选择设备上，用来接收第一和第二束光，使之沿着光纤环相同的偏振轴传播。
19.权利要求15中方法，包括：
所述光纤环是保偏光纤环，保偏光纤环的第一端口的保偏光纤偏振慢轴(或快轴)与第二光学偏振选择设备的第一偏振输出光的偏振轴对齐，保偏光纤环的第二端口的保偏光纤偏振慢轴(或快轴)与第二光学偏振选择设备的第二偏振输出光的偏振轴对齐。
第一和第二偏振选择设备是偏振分束器，或其中一个是或者都是包含双光纤准直器的沃拉斯顿棱镜，以实现偏振分光作用。
20.权项13方法中，包括：
对返回光束进行相位偏置，使因光环路的旋转引起的相位变化非常敏感。
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