CN105783904B - 一种谐振式光纤陀螺频率锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式光纤陀螺频率锁定装置，包括光源驱动模块、窄线宽激光光源、Y波导调制器、第一调制模块、保偏光纤谐振腔、信号解调检测模块、第二调制模块、数字输出模块、铌酸锂直波导调制器；本发明中激光器处于恒温恒流稳态工作，频率稳定性好，有效减小由激光器频率调制引入的频率噪声；本发明不同于传统PZT腔内调制方法，腔内无可动部件，通过调制施加于铌酸锂波导的电场大小及方向，调制其有效折射率大小，实现等效腔长调制，可靠性高本发明调制电压小，不需冗杂的外部驱动，结构简单，易于减小陀螺体积及功耗；本发明的铌酸锂波导调制器具有起偏功能，在腔内起到偏振选择作用，提高腔内偏振消光比，有效抑制偏振相关噪声。

Description

一种谐振式光纤陀螺频率锁定装置

技术领域

本发明为一种谐振式光纤陀螺频率锁定装置，属于惯性导航技术领域。

背景技术

谐振式光纤陀螺锁频路工作在谐振频率点，锁频精度直接影响陀螺最终精度。传统锁频方式通过调节激光器中心频率来跟随谐振腔谐振频率，该调制过程会导致激光器频率展宽，造成扫频波形分辨率下降，限制了陀螺锁频精度的进一步提高。

同时，谐振式光纤陀螺基于多光束干涉原理，采用窄线宽偏振激光器作为光源，谐振腔由保偏光纤绕制而成，主次偏振态存在传输相位差，由次偏振态引起的偏振相关噪声是该种陀螺的主要噪声之一，因此提高腔内偏振消光比、抑制次偏振态传输是改善陀螺性能的关键技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决谐振式光纤陀螺激光器调节锁频方式精度不足以及谐振腔存在次偏振态严重影响检测精度的问题，提出一种结构简单、锁频精度高的单偏振谐振式光纤陀螺频率锁定装置。本发明中，在谐振腔内加入铌酸锂直波导相位调制器，这是实现腔长调整、单偏振谐振腔和谐振腔频率锁定的关键器件；同时腔外采用铌酸锂Y波导调制器实现入腔光频率的方波调制，为频率锁定提供数据参考。

本发明中基于腔内直波导相位调制特性实现腔长调整的单偏振谐振式光纤陀螺频率锁定技术的核心设计思想，是基于直波导相位调制特性、起偏特性，谐振腔选频特性以及三角波相位调制等效频率方波调制的原理。

铌酸锂波导调制器由强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成，通过在波导两侧施加电场改变其等效折射率，从而实现波导中光相位延迟量的调制；采用离子注入工艺制作的铌酸锂波导具有起偏功能，其本质是因为该工艺下形成的波导结构决定了在其内部仅允许TE偏振态光传输。

本发明的优点在于：

(1)激光器处于恒温恒流稳态工作，频率稳定性好，有效减小由激光器频率调制引入的频率噪声；

(2)不同于传统PZT腔内调制方法，腔内无可动部件，通过调制施加于铌酸锂波导的电场大小及方向，调制其有效折射率大小，实现等效腔长调制，可靠性高；

(3)调制电压小，不需冗杂的外部驱动，结构简单，易于减小陀螺体积及功耗；

(4)铌酸锂波导调制器具有起偏功能，在腔内起到偏振选择作用，提高腔内偏振消光比，有效抑制偏振相关噪声。

附图说明

图1为本发明频率锁定技术的陀螺工作原理流程框图。

图2为本发明频率锁定技术的谐振腔结构示意图。

图中：

1-光源驱动模块 2-窄线宽激光光源 3-Y波导调制器

4-第一调制模块 5-保偏光纤谐振腔 6-信号解调检测模块

7-第二调制模块 8-数字输出模块 9-铌酸锂直波导调制器

10-第一光纤耦合器 11-第二光纤耦合器 12-第三光纤耦合器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种结构简单、锁频精度高的单偏振谐振式光纤陀螺频率锁定装置，如图1所示，包括光源驱动模块1、窄线宽激光光源2、Y波导调制器3、第一调制模块4、保偏光纤谐振腔5、信号解调检测模块6、第二调制模块7、数字输出模块8、铌酸锂直波导调制器9。

光源驱动模块1连接并驱动窄线宽激光光源2，Y波导调制器3通过光纤接头与窄线宽激光光源2连接，同时第一调制模块4在Y波导调制器3上施加有高频相位调制信号；保偏光纤谐振腔5两入腔端a，b与Y波导调制器3连接，保偏光纤谐振腔5内设有铌酸锂直波导调制器9，铌酸锂直波导调制器9与第二调制模块7信号输出端连接；保偏光纤谐振腔5两出腔端c，d与信号解调检测模块6连接，信号解调检测模块6生成两路输出信号，一路 与第二调制模块7连接，另一路与数字输出模块8连接。

如图2所示，保偏光纤谐振腔5中，设有第一光纤耦合器10，第二光纤耦合器11，第三光纤耦合器12，铌酸锂直波导调制器9，第一光纤耦合器10的分光比90:10，第二光纤耦合器11和第三光纤耦合器12的分光比50:50，第一光纤耦合器10与铌酸锂直波导调制器9熔接形成闭和光纤环路，第二光纤耦合器11、第三光纤耦合器12分别通过光纤熔接技术与第一光纤耦合器10相连。

本发明频率锁定方案的原理：

窄线宽激光光源2发出的光首先被施加有周期性电压信号的Y波导调制器3调制形成频率方波信号，1:1分光后经保偏光纤谐振腔5(a端入射光经保偏光纤耦合器11、10，经铌酸锂直波导调制器9，再次经保偏光纤耦合器10，而后经保偏光纤耦合器12由c端出射；b端入射光经保偏光纤耦合器12、10，经铌酸锂直波导调制器9，再次经保偏光纤耦合器10，而后经保偏光纤耦合器11由d端出射)，光路出射光强受到保偏光纤谐振腔5传递函数的调制，形成时域上的强度周期信号，信号幅值及相位由窄线宽激光光源2频率偏离谐振腔谐振频率点的距离和方向决定。c端输出信号被信号解调检测模块6接收，形成电压输出信号进入第二调制模块7，解调后生成反馈信号施加于腔内铌酸锂直波导调制器9上的电场强度，改变谐振腔等效腔长，进而改变谐振腔谐振频率点位置，将其调制到窄线宽激光光源2频率，实现陀螺锁频路频率锁定。

具体实施中，谐振腔结构的尺寸及参数可以设置为：

光纤环：采用单模保偏光纤制作，光纤长度为1～100m，光纤环直径5～50cm；

耦合器：采用熔融拉锥或微光学耦合等工艺制作，耦合部分长度为5～50mm，所用光纤为单模保偏光纤，分光比为50:50～99:1；

铌酸锂直波导调制器：材料为铌酸锂晶体，通过质子交换工艺制作，波导长度为5～100mm，半波调制电压2V～20V。

综上所述，本发明提出一种基于腔内直波导相位调制特性的单偏振谐振式光纤陀螺频率锁定技术，由于采用调节腔长的方法实现谐振腔谐振频率点跟踪激光器输出频率，解除了对激光器本身的调制，所以由激光器调制引入的线宽展宽被抑制，避免了因激光器频率噪声造成的锁频精度下降。由于采用直波导调制，通过改变有效折射率的方式改变等效腔长，腔内 无可动部件，且不需冗杂的外部驱动模块，因此系统的可靠性高，结构简单，易于陀螺整体小型化。同样由于采用直波导调制，由于直波导的起偏特性，腔内偏振消光比大大增加，陀螺偏振相关噪声被很好的抑制。

Claims (1)

1.一种谐振式光纤陀螺频率锁定装置，包括光源驱动模块、窄线宽激光光源、Y波导调制器、第一调制模块、保偏光纤谐振腔、信号解调检测模块、第二调制模块、数字输出模块、铌酸锂直波导调制器；

光源驱动模块连接并驱动窄线宽激光光源，Y波导调制器与窄线宽激光光源连接，同时第一调制模块在Y波导调制器上施加高频相位调制信号，保偏光纤谐振腔两入腔端a，b与Y波导调制器连接，保偏光纤谐振腔内设有铌酸锂直波导调制器，铌酸锂直波导调制器与第二调制模块信号输出端连接；保偏光纤谐振腔两出腔端c，d与信号解调检测模块连接，信号解调检测模块生成两路输出信号，一路与第二调制模块连接，另一路与数字输出模块连接；

所述的保偏光纤谐振腔中，设有第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，铌酸锂直波导调制器，第一光纤耦合器的分光比90:10，第二光纤耦合器和第三光纤耦合器的分光比50:50，第一光纤耦合器与铌酸锂直波导调制器熔接形成闭和光纤环路，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器分别通过光纤熔接技术与第一光纤耦合器相连；

所述的锁定装置频率锁定方案的原理：

窄线宽激光光源发出的光首先被施加有周期性电压信号的Y波导调制器调制形成频率方波信号，1:1分光后经保偏光纤谐振腔，a端入射光经保偏光纤耦合器，经铌酸锂直波导调制器，再次经保偏光纤耦合器，而后经保偏光纤耦合器由c端出射；b端入射光经保偏光纤耦合器，经铌酸锂直波导调制器，再次经保偏光纤耦合器，而后经保偏光纤耦合器由d端出射；光路出射光强受到保偏光纤谐振腔传递函数的调制，形成时域上的强度周期信号，信号幅值及相位由窄线宽激光光源频率偏离谐振腔谐振频率点的距离和方向决定；c端输出信号被信号解调检测模块接收，形成电压输出信号进入第二调制模块，解调后生成反馈信号施加于腔内铌酸锂直波导调制器上的电场强度，改变谐振腔等效腔长，进而改变谐振腔谐振频率点位置，将其调制到窄线宽激光光源频率，实现陀螺锁频路频率锁定。