CN105928501B - 一种集成光路结构光纤陀螺及其工作方法 - Google Patents
一种集成光路结构光纤陀螺及其工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集成光路结构光纤陀螺及其工作方法，包括光源，光源通过第一光纤连接至第一透镜，第一透镜的后侧依次设有第一偏振分光器、法拉第旋转片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透镜，还包括连接在一起的光纤环和相位调制器，所述光纤环通过第二光纤和第三光纤连接至第二透镜，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由两个光轴正交的单轴双折射晶体组成，还包括探测器，探测器通过第四光纤连接至第一透镜。本发明无需细径特种光纤，也不需要高精密的在线制作光器件的平台，大大降低产品组装工艺难度，在保证产品精度的同时提高了产品的可靠性，为光纤陀螺的市场普及奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种集成光路结构光纤陀螺及其工作方法。
背景技术
光纤陀螺具有体积小、重量轻、结构简单及优异的性能在惯性测量领域具有广阔市场潜力。
目前经典光纤陀螺技术方案如图1所示，它的工作过程是：光源SLD发出的光经光源耦合器分光后，有一半的光进入偏振器，并产生单模单偏振态的光。起偏后的光进入光纤环耦合器，被分成顺时针方向和逆时针方向的两束光满足相干条件，并在光纤环中传播。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而使在光纤环耦合器处的干涉光强发生变化。由光电探测器PIN检测出变化的光强，经处理后便得到转动角速度。在光路中加入了相位调制器PZT。经过调制、解调后，得到能区分正反转的线性化输出。但是该经典方案光路制作复杂，加工工艺不成熟，需要高成本的专用设备，需要独立制作出三个光器件才能实现基本功能，导致光路系统体积偏大，且现有工艺制作出的偏振器消光比只有26dB,导致光纤陀螺系统精度偏低，而在线耦合的光电器件耦合效率低下，为提高系统信号信噪比需要加大光源的驱动电流，直接导致光纤陀螺系统功耗过大，限制了其行业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成光路结构光纤陀螺及其工作方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明无需细径特种光纤，也不需要高精密的在线制作光器件的平台，大大降低产品组装工艺难度，在提高产品精度的同时保证了产品的可靠性，为光纤陀螺的市场普及奠定了基础。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成光路结构光纤陀螺，包括光源，光源通过第一光纤连接至第一透镜，第一透镜的后侧依次设有第一偏振分光器、法拉第旋转片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透镜，第二透镜上连接有光纤环，光纤环上连接有相位调制器，且光纤环通过第二光纤和第三光纤连接至第二透镜，还包括探测器，探测器通过第四光纤连接至第一透镜。
进一步地，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由两个光轴正交的单轴双折射晶体组成。
进一步地，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由两个光轴正交的钒酸钇晶体组成。
进一步地，偏振片的偏振方向与经过第一偏振分光器的光的偏振方向之间的夹角为45度。
进一步地，所述第三光纤以及第四光纤均为保偏光纤。
进一步地，所述第一透镜和第二透镜均为双纤准直器。
进一步地，所述第一透镜、第一偏振分光器、法拉第旋转片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透镜通过封装组合在一起。
进一步地，所述相位调制器为PZT；所述光源为SLED光源。
进一步地，所述光源采用同轴封装或蝶型封装；所述探测器采用同轴封装。
一种集成光路结构光纤陀螺的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：光源发出的光通过第一光纤进入第一透镜，经第一透镜后进入第一偏振分光器分成两束等光强，偏振方向正交的光；
步骤二：经过第一偏振分光器后的两束光经法拉第旋转片后偏振方向旋转45度；
步骤三：经过法拉第旋转片后的两束光中与偏振片偏振方向平行的光束通过偏振片，另一路与偏振片偏振方向正交的光被吸收；
步骤四：通过偏振片后的光经过第二偏振分光器，分成光强相等，偏振方向正交的两束光；
步骤五：经过第二偏振分光器后的两束光通过第二透镜分别进入第二光纤和第三光纤；
步骤六：第二光纤的光经过光纤环后再通过相位调制器进入第三光纤，第三光纤的光通过相位调制器后再通过光纤环进入第二光纤；或者相反，第二光纤的光经过通过相位调制器后再通过光纤环进入第三光纤，第三光纤的光经过光纤环后再通过相位调制器进入第二光纤，当光纤环绕其中心轴方向发生转动时，两束相对传输的偏振光携带相位信息，但不满足干涉条件；
步骤七：两束光再通过第二透镜后经过第二偏振分光器合为正交的一束光，该光通过偏振片后，正交方向偏振光同时被吸收一半，形成同一偏振态的两束光，满足干涉条件；
步骤八：两束光再经法拉第旋转片后形成相对于入射光90度偏振方向光后，通过第一偏振分光器及第一透镜进入第四光纤，最终到达探测器，对探测器接收到的光强进行处理最后得到光纤环轴向的角运动信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在产品设计和生产过程中均采用光通信行业中微光学材料和技术工艺，将传统光路中偏振器和两个保偏耦合器集成为一个微型化器件，利用微光学技术将三个器件集成为一个器件，大大减小了光路体积并提高了系统的可靠性，同时晶体偏振片可以提供高达40dB的消光比，大幅减少了光路的偏振串音对系统精度的影响，采用分立小型化器件在降低系统插损的基础上实现了易组装，易维护，低功耗，高可靠，高精度等特性，相对成熟可靠，封装体积非常小且成本低，满足小型化光纤陀螺的需求，而传统方案中偏振器和耦合器需要在线拉锥和晶体生长，需求设备复杂高昂，工艺难度大，成品率低，其拉锥结构也决定其耐冲击性能差，存在固有3dB插损等缺陷，本发明无需细径特种光纤，也不需要高精密的在线制作光器件的平台，大大降低产品组装工艺难度，在保证产品精度的同时提高了产品的可靠性，为光纤陀螺的市场普及奠定了基础。
进一步地，本发明中光纤采用技术工艺成熟的包层为80μm的熊猫保偏光纤，偏振串音小，成本低，配套设备齐全，传统方案中采用40μm椭圆光纤，生产难度大，成本高，加工配套设备需定制，不利于规模生产。
进一步地，本发明的光源可采用同轴封装或蝶型封装等多种形式光源，光强，结构等参数易于调节，可靠性高，批次性好，现有技术仅限于裸芯片耦合光源，需要特种设备，耦合难度大，批量生产一致性差,且裸光源结构在恶劣环境下有易失效等缺陷；本发明的探测器可选用同轴封装，可靠性高，抗电磁干扰，产品一致性好，现有技术采用单纤在线耦合探测器芯片，操作难度大，可靠性差。
本发明工作方法利用微光学技术实现的集成器件取代原有拉锥式三个光器件方案，在集成光路结构上减少了6dB的光强插损，同时器件保证了高消光比的信号光产生与传输，大大提高了系统的信噪比与精度。
附图说明
图1是目前采用开环结构的单光纤光纤陀螺原理图；
图2是本发明的集成光路结构光纤陀螺原理图。
其中，1、光源；2、探测器；3、光纤环；4、相位调制器；5、第一透镜；6、第一偏振分光器；7、法拉第旋转片；8、偏振片；9、第二偏振分光器；10、第二透镜；11、第一光纤；12、第二光纤；13、第三光纤；14、第四光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图2，一种集成光路结构光纤陀螺，包括SLED光源1，光源1采用同轴封装或蝶型封装，SLED光源1通过第一光纤11连接至第一透镜5，第一透镜5的后侧依次设有第一偏振分光器6、法拉第旋转片7、偏振片8、第二偏振分光器9以及第二透镜10，且第一透镜5、第一偏振分光器6、法拉第旋转片7、偏振片8、第二偏振分光器9以及第二透镜10通过封装组合在一起，偏振片8的偏振方向与经过第一偏振分光器6的光的偏振方向之间的夹角为45度，所述第一偏振分光器6和第二偏振分光器9均为两个光轴正交的钒酸钇分光器，还包括连接在一起的光纤环3和相位调制器4，光纤环3通过第二光纤12和第三光纤13连接至第二透镜10，还包括探测器2，探测器2采用同轴封装，探测器2通过第四光纤14连接至第一透镜5，所述第一光纤11、第二光纤12、第三光纤13以及第四光纤14均为包层为80μm的熊猫保偏光纤，第一透镜5和第二透镜10均为双纤准直器。
一种集成光路结构光纤陀螺的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：光源1发出的光通过第一光纤11进入第一透镜5，经第一透镜5后进入第一偏振分光器6分成两束等光强，偏振方向正交的光；
步骤二：经过第一偏振分光器6后的两束光经法拉第旋转片7后偏振方向旋转45度；
步骤三：经过法拉第旋转片7后的两束光中与偏振片8偏振方向平行的光束通过偏振片8，另一路与偏振片8偏振方向正交的光被吸收；
步骤四：通过偏振片8后的光经过第二偏振分光器9，分成光强相等，偏振方向正交的两束光；
步骤五：经过第二偏振分光器9后的两束光通过第二透镜10分别进入第二光纤12和第三光纤13；
步骤六：第二光纤12的光经过光纤环后再通过相位调制器4进入第三光纤13，第三光纤13的光通过相位调制器4后再通过光纤环3进入第二光纤12；或者相反，第二光纤12的光经过通过相位调制器4后再通过光纤环3进入进入第三光纤13，第三光纤13的光经过光纤环3后再通过相位调制器4进入第二光纤12，当光纤环3绕其中心轴方向发生转动时，两束相对传输的偏振光携带相位信息，但不满足干涉条件；
步骤七：两束光再通过第二透镜10后经过第二偏振分光器9合为正交的一束光，该光通过偏振片8后，正交方向偏振光同时被吸收一半，形成同一偏振态的两束光，满足干涉条件；
步骤八：两束光再经法拉第旋转片7后形成相对于入射光90度偏振方向光后，通过第一偏振分光器6及第一透镜5进入第四光纤14，最终到达探测器2，经过处理探测器2处光强变化信息最后得到转动角速度信息。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
本发明原理如图2所示。它的工作过程是：SLED光源1发出的光到达双纤准直器的第一光纤11，经第一透镜5入射后再经过两个光轴正交的单轴双折射晶体组成的第一偏振分光器6后分成两束等光强，偏振方向正交的光，两束光经过法拉第旋转片7后偏振方向旋转45度，其中后置的偏振片8偏振方向与未通过法拉第旋转片7时的光偏振方向成45度夹角，与偏振片8偏振方向平行的光束将通过，另一路与偏振方向正交的光被吸收，经过偏振片8的光再次经过两个光轴正交的单轴双折射晶体组成的第二偏振分光器9，分开成为光强相等，偏振方向正交的两束光，这两束光通过第二透镜10分别进入第二光纤12和第三光纤13，其中两个正交光分别进入光纤环3的慢轴传播，第二光纤12的光经过光纤环3后再通过PZT相位调制器4进入第三光纤13，第三光纤13的光通过PZT相位调制器4后再通过光纤环3进入第二光纤12，或者相反，第二光纤12的光经过通过相位调制器4后再通过光纤环3进入进入第三光纤13，第三光纤13的光经过光纤环3后再通过相位调制器4进入第二光纤12，当光纤环3绕其中心轴方向发生转动时，两束相对传输的偏振光携带相位信息，但不满足干涉条件；两束光再通过第二透镜10后经过第二偏振分光器9合束成为正交的一束光，该光通过45度偏振方向的偏振片8后，正交方向偏振光同时被吸收一半，形成同一偏振态的两束光，满足干涉条件，该光再经法拉第旋转片7后形成相对于入射光90度偏振方向光后，通过第一偏振分光器6，进入第一透镜5，然后进入第四光纤14，最终到达探测器2，经过处理探测器2处光强变化信息最后得到转动角速度信息。
Claims (1)
1.一种集成光路结构光纤陀螺的工作方法，其特征在于，所述集成光路结构光纤陀螺包括光源(1)，光源(1)通过第一光纤(11)连接至第一透镜(5)，第一透镜(5)的后侧依次设有第一偏振分光器(6)、法拉第旋转片(7)、偏振片(8)、第二偏振分光器(9)以及第二透镜(10)，第二透镜(10)上连接有光纤环(3)，光纤环(3)上连接有相位调制器(4)，且光纤环(3)通过第二光纤(12)和第三光纤(13)连接至第二透镜(10)，还包括探测器(2)，探测器(2)通过第四光纤(14)连接至第一透镜(5)；
所述工作方法包括以下步骤：
步骤一：光源(1)发出的光通过第一光纤(11)进入第一透镜(5)，经第一透镜(5)后进入第一偏振分光器(6)分成两束等光强，偏振方向正交的光；
步骤二：经过第一偏振分光器(6)后的两束光经法拉第旋转片(7)后偏振方向旋转45度；
步骤三：经过法拉第旋转片(7)后的两束光中与偏振片(8)偏振方向平行的光束通过偏振片(8)，另一路与偏振片(8)偏振方向正交的光被吸收；
步骤四：通过偏振片(8)后的光经过第二偏振分光器(9)，分成光强相等，偏振方向正交的两束光；
步骤五：经过第二偏振分光器(9)后的两束光通过第二透镜(10)分别进入第二光纤(12)和第三光纤(13)；
步骤六：第二光纤(12)的光经过光纤环(3)后再通过相位调制器(4)进入第三光纤(13)，第三光纤(13)的光通过相位调制器(4)后再通过光纤环(3)进入第二光纤(12)；或者相反，第二光纤(12)的光经过通过相位调制器(4)后再通过光纤环进入第三光纤(13)，第三光纤(13)的光经过光纤环(3)后再通过相位调制器(4)进入第二光纤(12)，当光纤环(3)绕其中心轴方向发生转动时，两束相对传输的偏振光携带相位信息，但不满足干涉条件；
步骤七：两束光再通过第二透镜(10)后经过第二偏振分光器(9)合为正交的一束光，该光通过偏振片(8)后，正交方向偏振光同时被吸收一半，形成同一偏振态的两束光，满足干涉条件；
步骤八：两束光再经法拉第旋转片(7)后形成相对于入射光90度偏振方向光后，通过第一偏振分光器(6)及第一透镜(5)进入第四光纤(14)，最终到达探测器(2)，对探测器(2)接收到的光强进行处理最后得到光纤环轴向的角运动信息。
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