CN108680152A - 一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺 - Google Patents
一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，针对现有陀螺因采用光纤拉锥和晶体生长、Y波导等传统起偏器带来的开环光纤陀螺可靠性隐患、难以实现更小体积以及功耗较大等一系列问题，提供一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其包括光源、探测器、第一耦合器、第二耦合器、光纤环和相位调制器；所述光源为SLD光源或ASE光源；光源和探测器分别与第一耦合器连接；第二耦合器与光纤环的两端相连；其特殊之处在于：还包括45°倾斜光纤光栅起偏器，所述45°倾斜光纤光栅起偏器两端分别与第一耦合器和第二耦合器相连。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺是一种用来检测载体运动角速率的传感器，是导航仪器中的关键器件，其产品已经广泛应用在航空与航天、航海与深海探测、铁路、通信等广泛领域。其中，开环光纤陀螺具有体积小、重量轻、结构简单以及相对优异的性能，在中低精度光纤陀螺领域具有广阔市场潜力。
随着科研和工程应用的不断拓展，开环光纤陀螺工作的环境越来越复杂，对开环光纤陀螺的稳定性、体积、重量及功耗也有着更高的要求。
传统的开环光纤陀螺方案中采用的起偏器为在线光纤拉锥和晶体生长，这种起偏方案需求设备复杂、工艺难度大、成品率低，其拉锥结构也决定其耐冲击性能差、存在可靠性隐患。近年，部分企业及研究机构对于起偏方案进行了一些改进，开始采用Y波导的起偏方案，但仍存在如下缺陷：
(1)Y波导本身并非全光纤结构，在光纤陀螺系统中需空间耦合至光纤输出，该处空间分离耦合部分需经过专门的固定及封装，存在因环境剧烈振动导致耦合效率降低甚至失效的风险。另外，为获得更小的陀螺体积，甚至会拆除Y波导封装，进一步降低了光纤陀螺稳定性。
(2)由于Y波导为块状结构，在某些开环光纤陀螺方案中，为实现更小体积光纤陀螺，一般只能将Y波导同超辐射发光二极管(SLD)光源、电路板固定在光纤环的两侧，从而引入一根光纤纵向穿过陀螺。为保护该光纤，光纤环需经过特殊机械设计，此外还要对该段纵向光纤添加套管保护。尽管如此，在高频振动、剧烈振动的环境下，该光纤依然存在损坏的风险，进而导致系统故障。
(3)Y波导的插损较大，因此基于Y波导的开环光纤陀螺对于光源的功率有着更高的要求，同时使得开环光纤陀螺功耗增加，不利于光纤陀螺的应用。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提供一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，解决了现有陀螺因采用光纤拉锥和晶体生长、Y波导等传统起偏器带来的开环光纤陀螺可靠性隐患、难以实现更小体积以及功耗较大等一系列问题。在保证开环光纤陀螺精度的同时，可有效提高其稳定性、可靠性，提高开环光纤陀螺的多项性能，实现开环光纤陀螺的更小型化、更轻质量、更低功耗、更低成本、更简单结构设计及工艺，为开环光纤陀螺性能提升、应用、拓展及市场普及奠定了重要基础。
本发明的发明构思是：SLD(超辐射发光二极管)光源或ASE(放大自发辐射)光源发出的光经第一耦合器后进入45°倾斜光纤光栅偏振器，它产生单偏振光并进入到第二耦合器，经第二耦合器后分为等光强等偏振态的两束光进入光纤环，这两束光在光纤环中分别沿顺时针和逆时针方向相向传播，且两束光满足相干条件。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而在第二耦合器处的干涉光强发生变化；由光电探测器检测出变化的光强，经处理后即得转动角速度。
本发明提供的技术方案是：一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，包括光源、探测器、第一耦合器、第二耦合器、光纤环和相位调制器；所述光源为SLD光源或ASE光源；光源和探测器分别与第一耦合器连接；第二耦合器与光纤环的两端相连；其特殊之处在于：还包括45°倾斜光纤光栅起偏器，所述45°倾斜光纤光栅起偏器两端分别与第一耦合器和第二耦合器相连。
进一步地，上述第一耦合器和第二耦合器通过其尾纤相连；所述第二耦合器采用保偏耦合器，其尾纤为保偏光纤，在第二耦合器的尾纤上刻写45°倾斜光纤光栅，形成45°倾斜光纤光栅起偏器；或者，当所述第一耦合器采用保偏耦合器时，其尾纤为保偏光纤，在第一耦合器的尾纤上刻写45°倾斜光纤光栅，形成45°倾斜光纤光栅起偏器。
进一步地，上述45°倾斜光纤光栅的工作中心波长为850nm或1310nm或1550nm，其工作波长带宽为100nm～200nm，其起偏方向沿保偏光纤快轴或慢轴方向，且消光比为20dB～50dB。
进一步地，上述相位调制器为压电陶瓷相位调制器；在光路中加入压电陶瓷相位调制器，进一步提高了检测系统的灵敏性，经过调制、解调后，该系统得到了灵敏度高且同时又能区分正反转的线性化输出。
进一步地，上述光源采用同轴封装光源或蝶型封装光源或直插封装光源。根据实际需要可选择多种形式封装光源，能够使光强、结构等参数更易于调节，可靠性高，批次性好。
进一步地，上述第一耦合器采用拉锥耦合器或晶体分光耦合器；第二耦合器采用拉锥耦合器或晶体分光耦合器或微光学耦合器。
进一步地，上述探测器采用同轴封装，其可靠性高、抗电磁干扰、产品一致性好。
进一步地，上述保偏光纤除了可采用传统包层为125μm的保偏光纤，还可采用包层为80μm或60μm的保偏光纤，其偏振串音小，成本低，配套设备齐全。
目前，公开报道的45°倾斜光纤光栅主要应用于光纤激光器、光纤器件及成像方面。
最初，英国Aston大学报道了利用45°倾斜光纤光栅实现1.5μm波段锁模光纤激光器(Optics Express,Vol.18,No.18,18906,2010)。
中国科学院西安光学精密机械研究所利用45°倾斜光纤光栅实现了1μm波段单偏振锁模光纤激光器(Optics Express,Vol.20,No.17,19000,2012)。
英国Aston大学利用45°倾斜光纤光栅设计了全光纤偏振干涉滤波器(OpticsLetters,Vol.37,No.3,353,2012)，并用该滤波器实现了对激光器输出孤子边带的滤波(Optics Letters,Vol.37,No.21,4522,2012)。
近两年的文章报道也依然集中于光纤激光器的应用，例如：利用45°倾斜光纤光栅制作了1.5μm窄线宽锁模激光器(Optics Express,Vol.25,No.14,16708,2017)、纳秒调Q激光器(Applied Optics,Vol.56,No.12,3583,2017)以及其他一些种类光纤激光器(OpticsCommunications,Vol.406,151,2017；25th International Conference on OpticalFiber Sensors(OFS),SPIE,10323,2017)。
此外，2016年，45°倾斜光纤光栅被应用于成像系统中(Optics Letters,Vol.41,No.11,2398,2016)。
由于45°倾斜光纤光栅主要的研究、制作单位为英国的Aston大学，国内具备该器件制作能力的更是局限于中国科学院西安光学精密机械研究所、华中科技大学等极少数单位，市场上未见具有高消光比的45°倾斜光纤光栅产品，自主研发、制作具有高消光比的45°倾斜光纤光栅技术难度大、门槛高；更为重要的是，因45°倾斜光纤光栅的工作波长主要为1μm及1.5μm波段，工作波长缺少850nm、1310nm波段的局限限制了其在光纤陀螺中的应用，公众对于45°倾斜光纤光栅起偏器的特点及制作方法认识有限，未发现其在开环光纤陀螺中应用的潜力。
45°倾斜光纤光栅的起偏原理为：由紫外光制作的光纤光栅折射率改变很小(10-5～10-3量级)，不同折射率比值近乎为1，经计算其布儒斯特角为45°。因此，当光纤光栅倾斜角度为45°时，根据布儒斯特定律，一束非偏振光经过45°倾斜光纤光栅，s偏振态的光被反射出去，p偏振态的光继续传输，从而产生起偏效果。
与现有技术相比，本发明采用45°倾斜光纤光栅起偏器取代原有Y波导起偏器实现单偏振光的产生，可实现开环光纤陀螺多项性能的提升，具有如下有益效果：
1、提升了开环光纤陀螺的稳定性及可靠性。45°倾斜光纤光栅本身即为光纤输入输出且具有良好耐冲击性(>100G)，采用45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺不存在空间光耦合，实现了系统的全光纤结构，稳定性、可靠性得到极大提升，可应对更剧烈、复杂的应用环境。
2、实现开环光纤陀螺的更小型化。45°倾斜光纤光栅起偏器具有全光纤结构、体积小、可弯曲，适合小型化开环光纤陀螺的光路组装与集成，相比采用块状结构的Y波导，可极大的减小开环光纤陀螺的体积。
3、实现开环光纤陀螺更低功耗。现有技术采用的Y波导一般存在3dB固有插损和2～4dB耦合损耗，而45°倾斜光纤光栅起偏器由于其全光纤结构，几乎仅存在3dB固有插损，因此开环光纤陀螺功耗性能可提升约1倍。
4、实现开环光纤陀螺更简单的结构设计及工艺。采用45°倾斜光纤光栅起偏器相对于采用Y波导的方案，不需要专门进行起偏器件在光纤陀螺中空间结构设计及固定，无需特殊封装，具有更简单的工艺及制作流程。
5、实现开环光纤陀螺的更低成本。Y波导的制作及封装相对复杂，价格昂贵；而45°倾斜光纤光栅的价格低于Y波导，对于大量的开环光纤陀螺市场需求，可节省大量的成本。
附图说明
图1是本发明开环光纤陀螺一个实施例光路部分结构原理图；
图2是本发明45°倾斜光纤光栅起偏器一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，包括SLD光源、探测器、第一耦合器、45°倾斜光纤光栅起偏器、第二耦合器、光纤环和相位调制器；相位调制器采用压电陶瓷相位调制器，第一耦合器、第二耦合器均采用拉锥耦合器。。
SLD光源由一光源驱动电路驱动。参见图1，SLD光源和探测器位于第一耦合器的同一侧，其分别与第一耦合器连接；第二耦合器与光纤环的两端通过保偏光纤尾纤相连；第一耦合器和第二耦合器通过其尾纤相连；第二耦合器采用保偏耦合器，其尾纤为保偏光纤，在第二耦合器的尾纤上刻写45°倾斜光纤光栅，45°倾斜光纤光栅的中心波长为850nm或1310nm或1550nm，其工作波长带宽为100nm～200nm，其起偏方向沿保偏光纤快轴或慢轴方向，且消光比为20dB～50dB。最终形成45°倾斜光纤光栅起偏器，参见图2。
本实施例采用1.3μm波段的45°倾斜光纤光栅，其制作过程如下：
首先对1.3μm保偏光纤进行48小时光敏化处理，然后通过放大对轴系统标定保偏光纤的快慢轴向，经过理论计算选定掩膜板的周期参数1515nm、倾斜角度参数33.7度，利用244nm紫外光扫描相位掩膜板的方法沿保偏光纤快轴或慢轴制作1.3μm波段倾斜光纤光栅。
经实测，制作的1.3μm波段45°倾斜保偏光纤光栅的消光比＞20dB，光谱带宽＞100nm。
应用45°倾斜光纤光栅起偏器实现开环光纤陀螺的方案得到了实际验证。利用在保偏光纤上制作的1.3μm波段45°倾斜光纤光栅起偏器，实现了开环光纤陀螺，该结构开环光纤陀螺技术指标达到国外同类产品水准，并通过了高低温环境测试，展现了良好的稳定性。
Claims (8)
1.一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，包括光源、探测器、第一耦合器、第二耦合器、光纤环和相位调制器；所述光源为SLD光源或ASE光源；光源和探测器分别与第一耦合器连接；第二耦合器与光纤环的两端相连；
其特征在于：还包括45°倾斜光纤光栅起偏器，所述45°倾斜光纤光栅起偏器两端分别与第一耦合器和第二耦合器相连。
2.根据权利要求1所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述第一耦合器和第二耦合器通过其尾纤相连；
所述第二耦合器采用保偏耦合器，其尾纤为保偏光纤，在第二耦合器的尾纤上刻写45°倾斜光纤光栅，形成45°倾斜光纤光栅起偏器；
或者，当所述第一耦合器采用保偏耦合器时，其尾纤为保偏光纤，在第一耦合器的尾纤上刻写45°倾斜光纤光栅，形成45°倾斜光纤光栅起偏器。
3.根据权利要求2所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述45°倾斜光纤光栅的工作中心波长为850nm或1310nm或1550nm，其工作波长带宽为100nm～200nm，其起偏方向沿保偏光纤快轴或慢轴方向，且消光比为20dB～50dB。
4.根据权利要求3所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述相位调制器为压电陶瓷相位调制器。
5.根据权利要求4所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述光源采用同轴封装光源或蝶型封装光源或直插封装光源。
6.根据权利要求5所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述第一耦合器采用拉锥耦合器或晶体分光耦合器，所述第二耦合器采用拉锥耦合器或晶体分光耦合器或微光学耦合器。
7.根据权利要求6所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述探测器采用同轴封装。
8.根据权利要求7所述的基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺，其特征在于：所述保偏光纤可采用包层为60μm或80μm或125μm的保偏光纤。
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