CN107727090A - 一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法 - Google Patents

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Abstract

一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，将光纤陀螺的光路划分为A部分和B部分两部分，分别对光源的波长、输出功率和谱宽、各通道光电器件的损耗进行匹配，保证各通道性能的一致性及光源切换时标度因数的稳定性。本发明简单易行，并且精度高，在空间用低功耗、小型化、多轴冗余光纤陀螺中有着十分重要的应用。

Description

一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法
技术领域
本发明属于双光源四轴冗余光纤陀螺光路领域，尤其涉及一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法。
背景技术
双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法主要应用于小型化、低功耗光纤陀螺中，通过利用主备份光源的波长及输出功率，并结合各光电器件的损耗特性，制定相应的匹配方案，实现四通道损耗的一致性，同时通过对波长的匹配将光源切换时由于波长变化导致的标度因数波动降到最低。现有的双光源四轴冗余产品中并未对各光电器件的特性进行匹配，各通道陀螺的性能由于输入光功率固定，将会产生由于损耗不同带来的性能差异，导致光源切换时两个光源的标度因数差异最大可达1000ppm以上。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足之处，提出一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法；该方法通过使用主备份光源的输出功率、波长和各光电器件的损耗，通过制定参数一致性匹配方法，实现各通道光纤陀螺性能的一致性，尤其是提高主备份光源切换时标度因数的稳定性。
本发明的技术方案是：一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，所述方法包括下列步骤：
步骤1：将双光源四轴冗余光纤陀螺光路分为A部分和B部分两个模块，其中，A部分包括：第一光源、第二光源、第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器、第五2×2耦合器和第六2×2耦合器；B部分包括：第一1×3耦合器、第一Y波导、第一光纤环和第一光电探测器，第二1×3耦合器、第二Y波导、第二光纤环和第二光电探测器，第三1×3耦合器、第三Y波导、第三光纤环和第三光电探测器，第四1×3耦合器、第四Y波导、第四光纤环和第四光电探测器；
步骤2：匹配第一光源和第二光源的中心波长、光功率和谱宽，使得中心波长的差异≤0.8nm，光功率差异≤300μW，谱宽差异≤5nm；
步骤3：对第一2×2耦合器和第二2×2耦合器的损耗进行匹配，使得两者的损耗差异≤0.1dB；
步骤4：对第三2×2耦合器、第四2×2耦合器、第五2×2耦合器和第六2×2耦合器的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；分别计算第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的损耗和、第一2×2耦合器和第五2×2耦合器的损耗和、第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的损耗和、第二2×2耦合器和第六2×2耦合器的损耗和，并计算四个损耗和的最大值与最小值之差，使之≤0.2dB；
步骤5：对第一1×3耦合器、第二1×3耦合器、第三1×3耦合器和第四1×3耦合器的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；对第一Y波导、第二Y波导、第三Y波导和第四Y波导的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；
步骤6：对A部分各分支输出端的损耗标记为A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’和H’，对应的B部分的各分支的损耗标记为A、B、C、D、E、F、G和H，损耗标记A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’和H’分别对应的损耗为αA'、αB'、αC'、αD'、αE'、αF'、αG'和αH'，损耗标记A、B、C、D、E、F、G和H分别对应的损耗为βA、βB、βC、βD、βE、βF、βG和βH；
步骤7：计算αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG，并计算αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG四者的最大值与最小值之差，使之≤0.6dB；
步骤8：计算αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH，并计算αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH四者的最大值与最小值之差，使之≤0.6dB。
上述双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法中，在步骤7中，还包括：如果αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG四者的极差不满足≤0.6dB，则调整A’、C’、E’和G’与A、C、E和G的对应顺序。
上述双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法中，调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序包括以下步骤：将A’、C’、E’、G’中的损耗最大端口和A、C、E、G中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ1；将A’、C’、E’、G’中的损耗次大端口和A、C、E、G中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ2；将A’、C’、E’、G’中的损耗第三大端口和A、C、E、G中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ3；将A’、C’、E’、G’中的损耗第四大端口和A、C、E、G中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ4；计算Δ1、Δ2、Δ3和Δ4的极差，使之满足≤0.6dB。
上述双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法中，在步骤8中，还包括：如果αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH四者的最大值与最小值之差不满足≤0.6dB，则调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序。
上述双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法中，调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序包括以下步骤：将B’、D’、F’、H’中的损耗最大端口和B、D、F、H中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ5；将B’、D’、F’、H’中的损耗次大端口和B、D、F、H中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ6；将B’、D’、F’、H’中的损耗第三大端口和B、D、F、H中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ7；将B’、D’、F’、H’中的损耗第四大端口和B、D、F、H中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ8；计算Δ5、Δ6、Δ7和Δ8的极差，使之满足≤0.6dB。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
随着空间应用航天器的飞速发展，小型化、微型化和集成化的应用需求逐步增加，具备低功耗、轻重量的惯性姿态敏感器具有重要的意义。现有的各通道独立设计的光纤陀螺产品，其体积和功耗较大，远远无法满足应用需求。双光源四轴冗余光纤陀螺产品作为一种微小型、低功耗惯性姿态敏感器为其提供了一种解决方案。本发明提出的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法具有如下优点：
(1)通过对光源的波长和谱宽进行匹配，可将双光源下标度因数的差异性降到最小，实现双光源切换时产品输出的稳定性；
(2)通过对光源输出光功率和各环节光电器件的损耗进行匹配，可实现到达各通道光电探测器的光信号的一致性，提高产品批量生产时的一致性，从而提高产品的稳定性；
(3)通过对A部分和B部分进行匹配，可进一步提升各通道陀螺光路的一致性，提升产品性能在双光源切换时的一致性。
附图说明
图1是本发明的双光源四轴冗余光纤陀螺光路的示意图；
图2是本发明的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配的流程图；
图3是本发明的A部分的优先级匹配图；
图4是本发明的A部分的光路的示意图。
具体实施方式
1)模块化分配：将光路划分为A部分和B部分两个模块，如图1所示：A部分组成包括：第一光源10、第二光源11、第一2×2耦合器12、第二2×2耦合器13、第三2×2耦合器14、第四2×2耦合器15、第五2×2耦合器16和第六2×2耦合器17；B部分光路共四个通道，通道一包括：第一1×3耦合器18、第一Y波导19、第一光纤环20和第一光电探测器21；通道二包括：第二1×3耦合器22、第二Y波导23、第二光纤环24和第二光电探测器25；通道三包括：第三1×3耦合器26、第三Y波导27、第三光纤环28和第三光电探测器29；通道四包括：第四1×3耦合器30、第四Y波导31、第四光纤环32和第四光电探测器33。
2)匹配流程：光路匹配1包括A部分匹配2和B部分匹配3，匹配完毕后再对A+B部分4进行匹配，匹配流程图如图2所示。
3)优先级：匹配优先级如图3所示，A部分匹配2按照优先级依次进行中心波长匹配5、光功率匹配6、谱宽匹配7和损耗匹配8等四部分，各部分的优先级为中心波长匹配5>光功率匹配6>谱宽匹配7>损耗匹配8，匹配过程中按照优先级优先进行匹配各项指标直至匹配结束9；
4)A部分匹配：如图4所示，A部分按照组成划分为第一光源10、第二光源11、第一2×2耦合器12、第二2×2耦合器13、第三2×2耦合器14、第四2×2耦合器15、第五2×2耦合器16和第六2×2耦合器17等部分，匹配时按照图3的优先级进行匹配，具体步骤如下：
步骤1：匹配第一光源10和第二光源11的中心波长，挑选并测试光源的中心波长，使之差异≤0.8nm、光功率差异≤300μW、谱宽差异≤5nm，测试时可使用光谱仪测量并直接读出三者的指标；
步骤2：对第一2×2耦合器12和第二2×2耦合器13的损耗进行匹配，匹配前需进行多个器件的损耗的测试和挑选，根据测试数据计算两者的损耗差异≤0.1dB；
步骤3：以同样的测试和挑选方法对第三2×2耦合器14、第四2×2耦合器15、第五2×2耦合器16和第六2×2耦合器17的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；最后分别计算第一2×2耦合器12和第三2×2耦合器14的损耗和、第一2×2耦合器12和第五2×2耦合器16的损耗和、第二2×2耦合器13和第四2×2耦合器15的损耗和、第二2×2耦合器13和第六2×2耦合器17的损耗和，并计算四个的损耗和的最大值与最小值之差，使之≤0.2dB；
步骤4：若匹配结果不满足要求需重新对步骤2中的第一2×2耦合器12和第二2×2耦合器13的损耗进行匹配，并重复步骤2和步骤3直至满足要求；
5)B部分匹配：B部分按照组成主要进行损耗的匹配，匹配步骤如下：
步骤1：分别挑选1×3耦合器、Y波导、光纤环各四只；
步骤2：挑选并计算4个耦合器的损耗极差(即最大值与最小值之差)使之满足本表要求
步骤3：挑选并计算4个Y波导的损耗极差使之满足本表要求
步骤4：分别计算4个通道损耗之和，记录四者的极差，若不满足本表要求，重复步骤2、步骤3和步骤4直至满足要求为止。
6)A+B部分匹配
步骤1：匹配过程中将A部分输出端划分为分支一～分支八共8部分如图4中所示，各分支输出端对应以字母A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’和H’，对应的B部分的各分支的损耗标记为A、B、C、D、E、F、G和H，如图1中所示。基于此，A部分各分支的损耗标记如下：分支一的损耗为αA'、分支二的损耗为αB'、分支三的损耗为αC'、分支四的损耗为αD'、分支五的损耗为αE'、分支六的损耗为αF'、分支七的损耗为αG'、分支八的损耗为αH'。B部分各通道对应的损耗标记为βA、βB、βC、βD、βE、βF、βG和βH。具体的，对第三2×2耦合器14的一个输出端处理得到损耗为αA'，另一个输出端处理得到损耗为αC'；对第四2×2耦合器15的一个输出端处理得到损耗为αB'，另一个输出端处理得到损耗为αC'；对第五2×2耦合器16的一个输出端处理得到损耗为αE'，另一个输出端处理得到损耗为αG'；对第六2×2耦合器17的一个输出端处理得到损耗为αF'，另一个输出端处理得到损耗为αH'；
步骤2：根据步骤1的标记，第一光源10分别对应的分支损耗值为αA'、αC'、αE'和αG，B部分与第一光源10对应的端口为A、C、E和G，其中，A’和A对应、C’和C对应、E’和E对应、G’和G对应。匹配前首先计算损耗：αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG，并计算四者的极差，使之≤0.6dB；
步骤3：若步骤2中的损耗极差不满足指标要求，需调整，A’、C’、E’和G’与A、C、E和G的对应顺序，具体方法为：
(1)将A’、C’、E’、G’中的损耗最大端口和A、C、E、G中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ1；
(2)将A’、C’、E’、G’中的损耗次大端口和A、C、E、G中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ2；
(3)将A’、C’、E’、G’中的损耗第三大端口和A、C、E、G中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ3；
(4)将A’、C’、E’、G’中的损耗第四大端口和A、C、E、G中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ4。
步骤4：计算Δ1、Δ2、Δ3和Δ4的极差，使之满足≤0.6dB的指标要求。
步骤5：根据步骤1的标记，第二光源11分别对应的分支损耗值为B’、D’、F’和H’，B部分与第二光源11对应的端口为B、D、F和H，其中，B’和B对应、D’和D对应、F’和F对应、H’和H对应。匹配前首先计算损耗：αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH，并计算四者的极差，使之≤0.6dB；
步骤6：若不满足该指标要求，需调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序，具体方法为：
(1)将B’、D’、F’、H’中的损耗最大端口和B、D、F、H中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ5；
(2)将B’、D’、F’、H’中的损耗次大端口和B、D、F、H中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ6；
(3)将B’、D’、F’、H’中的损耗第三大端口和B、D、F、H中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ7；
(4)将B’、D’、F’、H’中的损耗第四大端口和B、D、F、H中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ8。
步骤7：计算Δ5、Δ6、Δ7和Δ8的极差，使之满足≤0.6dB的指标要求。
步骤8：若≤0.6dB的指标无法满足，则需对A部分和B部分进行重新匹配，然后重复A+B部分匹配。
本发明通过对光源的波长和谱宽进行匹配，可将双光源下标度因数的差异性降到最小，实现双光源切换时产品输出的稳定性；本发明通过对光源输出光功率和各环节光电器件的损耗进行匹配，可实现到达各通道光电探测器的光信号的一致性，提高产品批量生产时的一致性，从而提高产品的稳定性；本发明通过对A部分和B部分进行匹配，可进一步提升各通道陀螺光路的一致性，提升产品性能在双光源切换时的一致性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤1：将双光源四轴冗余光纤陀螺光路分为A部分和B部分两个模块；
步骤2：匹配第一光源(10)和第二光源(11)的中心波长、光功率和谱宽，使得中心波长的差异≤0.8nm，光功率差异≤300μW，谱宽差异≤5nm；
步骤3：对第一2×2耦合器(12)和第二2×2耦合器(13)的损耗进行匹配，使得两者的损耗差异≤0.1dB；
步骤4：对第三2×2耦合器(14)、第四2×2耦合器(15)、第五2×2耦合器(16)和第六2×2耦合器(17)的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；
步骤5：对第一1×3耦合器(18)、第二1×3耦合器(22)、第三1×3耦合器(26)和第四1×3耦合器(30)的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；对第一Y波导(19)、第二Y波导(23)、第三Y波导(27)和第四Y波导(31)的损耗进行匹配，使四者的损耗差异≤0.1dB；
步骤6：对A部分各分支输出端的损耗标记为A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’和H’，对应的B部分的各分支的损耗标记为A、B、C、D、E、F、G和H，损耗标记A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’和H’分别对应的损耗为αA'、αB'、αC'、αD'、αE'、αF'、αG'和αH'，损耗标记A、B、C、D、E、F、G和H分别对应的损耗为βA、βB、βC、βD、βE、βF、βG和βH；
步骤7：计算αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG，并计算αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG四者的最大值与最小值之差，使之≤0.6dB；
步骤8：计算αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH，并计算αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH四者的最大值与最小值之差，使之≤0.6dB。
2.根据权利要求1所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，在步骤1中，A部分包括：第一光源(10)、第二光源(11)、第一2×2耦合器(12)、第二2×2耦合器(13)、第三2×2耦合器(14)、第四2×2耦合器(15)、第五2×2耦合器(16)和第六2×2耦合器(17)；B部分包括：第一1×3耦合器(18)、第一Y波导(19)、第一光纤环(20)和第一光电探测器(21)，第二1×3耦合器(22)、第二Y波导(23)、第二光纤环(24)和第二光电探测器(25)，第三1×3耦合器(26)、第三Y波导(27)、第三光纤环(28)和第三光电探测器(29)，第四1×3耦合器(30)、第四Y波导(31)、第四光纤环(32)和第四光电探测器(33)。
3.根据权利要求1所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，在步骤7中，还包括：如果αA'+βA、αC'+βC、αE'+βE和αG'+βG四者的最大值与最小值之差不满足≤0.6dB，则调整A’、C’、E’和G’与A、C、E和G的对应顺序。
4.根据权利要求3所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序包括以下步骤：
将A’、C’、E’、G’中的损耗最大端口和A、C、E、G中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ1；
将A’、C’、E’、G’中的损耗次大端口和A、C、E、G中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ2；
将A’、C’、E’、G’中的损耗第三大端口和A、C、E、G中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ3；
将A’、C’、E’、G’中的损耗第四大端口和A、C、E、G中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ4；
计算Δ1、Δ2、Δ3和Δ4中的最大值与最小值之差，使之满足≤0.6dB。
5.根据权利要求1所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，在步骤8中，还包括：如果αB'+βB、αD'+βD、αF'+βF和αH'+βH四者的最大值与最小值之差不满足≤0.6dB，则调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序。
6.根据权利要求5所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，调整B’、D’、F’和H’与B、D、F和H的对应顺序包括以下步骤：
将B’、D’、F’、H’中的损耗最大端口和B、D、F、H中的损耗最小端口对应，并计算两者的损耗和，标记为Δ5；
将B’、D’、F’、H’中的损耗次大端口和B、D、F、H中的损耗次小端口对应，并计算两者的损耗和Δ6；
将B’、D’、F’、H’中的损耗第三大端口和B、D、F、H中的损耗第三小端口对应，并计算两者的损耗和Δ7；
将B’、D’、F’、H’中的损耗第四大端口和B、D、F、H中的损耗第四小端口对应，并计算两者的损耗和Δ8；
计算Δ5、Δ6、Δ7和Δ8中的最大值与最小值之差，使之满足≤0.6dB。
7.根据权利要求1所述的双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法，其特征在于，在步骤4中，还包括：分别计算第一2×2耦合器(12)和第三2×2耦合器(14)的损耗和、第一2×2耦合器(12)和第五2×2耦合器(16)的损耗和、第二2×2耦合器(13)和第四2×2耦合器(15)的损耗和、第二2×2耦合器(13)和第六2×2耦合器(17)的损耗和，并计算四个损耗和的最大值与最小值之差，使之≤0.2dB。
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