CN109724584A - 一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构，包括保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及光电探测器。本发明的保偏ASE光源为偏振输出，输出的光经过1×2保偏耦合器后保持偏振特性输入法拉第旋转器，经过滤光片，95％的光透射、5％的光反射，反射光与输入光的偏振方向相同，二者叠加，实现源相对强度噪声对消。透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°输出，经保偏光纤环后形成干涉光，干涉光通过1×2保偏耦合器进入探测器。本发明实现了光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消，结构设计合理，复杂度较低，可容易利用成熟的光学元件实现。

Description

一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，特别涉及一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声抑制方案。

背景技术

光纤陀螺中最基本的噪声包括散粒噪声、相对强度噪声和热噪声，散粒噪声是由光电流的不平滑和不连续引起的，为光子量子性的表现，相对强度噪声是指光源输出能量的振荡，而热噪声是由于光纤折射率随环境的温度变化热涨落而引起的相位噪声。这三种噪声决定了光纤陀螺的极限精度。三种噪声的影响表示为：

其中，ΔΩ表示光纤陀螺精度变化，λ₀为中心波长，D为光纤直径，L为光纤长度，e为电子电荷，P_d为光信号功率，R为跨阻阻值，R_L为负载电阻，t为时间变量，Φ_m为光纤陀螺调制深度，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Δλ为谱线宽度，c为光速。该公式等号后面括号中的三项分别对应为散粒噪声、热噪声和相对强度噪声。

降低光纤陀螺中的噪声，提高信噪比是提高光纤陀螺检测灵敏度的重要方式，散粒噪声和热噪声随着光功率的增加而减小，而相对强度噪声只与光谱宽度有关。对于高精度光纤陀螺，由于ASE(放大自发辐射)光源功率较大、谱宽较窄等特点，成为主要光源。当ASE光源较小时，光纤陀螺精度主要受到散粒噪声和热噪声的限制，但当功率逐渐增加时，相对强度噪声的影响将超过热噪声和散粒噪声，成为高精度光纤陀螺精度最主要的噪声源。

表征光纤陀螺的性能指标主要包括零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围以及带宽。零偏稳定性为一定平均时间下陀螺输出角速率的标准差，由静态输出中漂移和噪声共同决定。随机游走系数为陀螺中表征白噪声的重要特征参数，当陀螺仅有白噪声的情况下，不同带宽下标准差不同，但随机游走系数不变。根据公式(1)，虽然通过增加光源的光谱宽度可以减小相对强度噪声的影响，但会影响调制的线性度和标度因数的稳定性，若无其他措施，只能通过改变光纤环的长度和光纤直径来降低噪声。强度噪声抑制技术可抵消掉一部分相对强度噪声，在不改变光纤环的情况下使陀螺精度提高，因此，抑制相对强度噪声成为进一步提高光纤陀螺精度的关键。

针对于抑制相对强度噪声，国内外专利提出了一些方案，如一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，通过将参考信号通道和陀螺信号通道探测器采集到的电压相减的方式对相对强度噪声进行抑制，增加了电路元器件，诸如此类电路方式抑制相对强度噪声，结构复杂，有可能叠加电学噪声，实施难度大，限制了应用。而对于一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法这种抑制相对强度噪声抑制方案，在耦合器的一端增加了光电探测器通道，当两通道中探测器部完全相同时，可能会叠加探测器噪声，增加了抑制噪声的复杂性，限制了应用。

发明内容

针对于现有抑制相对强度噪声技术中存在的结构复杂、可能叠加电学噪声增加抑制噪声复杂性等不足，本发明提供了一种设计合理，结构复杂度较低，利用成熟的光学元件，实现一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构。

本发明提供的一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声的对消结构，包括保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及光电探测器。其中，保偏ASE光源的输出端连接1×2保偏耦合器的输入端；1×2保偏耦合器的一个输出端连接法拉第旋转器，另一个输出端连接探测器。

保偏ASE光源输出的光源信号为线偏振光信号。保偏ASE光源输出的光信号经过1×2保偏耦合器后保持偏振特性，光信号输入法拉第旋转器，经法拉第旋转器内部的滤光片将5％的光信号反射，与光源信号发生叠加，实现光源相对强度噪声对消，而另外95％的光信号透射输出；经法拉第旋转器输出的光信号经过Y波导集成光学器件分成两路进入保偏光纤环发生干涉，从保偏光纤环输出的干涉光依次通过法拉第旋转器、1×2保偏耦合器后进入探测器。

所述的保偏ASE光源，将ASE光源的内部光隔离器结构设计为Displacer型保偏光隔离器单级结构，或者Displacer型保偏光隔离器双级结构，或者Wedge型保偏光隔离器结构。

所述的保偏ASE为高偏振保偏尾纤输出，并利用所述1×2保偏耦合器保持光源偏振特性。

所述的法拉第旋转器为本发明的核心，将其置于1×2保偏耦合器与Y波导集成光学器件之间，输入法拉第旋转器的线偏振光沿输入光纤的快轴传输，经滤光片，95％透射、5％反射，反射光与输入光偏振方向相同，5％的反射光与输入光叠加，实现噪声的对消；95％的透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°，耦合到输出光纤的快轴。

相对于现有技术，本发明设计合理、结构复杂度较低，其还具有的优点与积极效果在于：

(1)本发明需为保偏光路，采用保偏ASE光源，高偏振保偏尾纤输出；而传统高精度光纤陀螺的ASE光源为单模输出，需要对其进行起偏并采用保偏耦合器；因此本发明所使用的保偏ASE光源更适合强度噪声对消光路中。

(2)本发明要求法拉第旋转器插入损耗和分光比不变，Y波导集成光学器件和光纤环损耗也稳定不变，比较容易实现。反射光与输入光偏振方向相同，二者叠加，实现强度噪声对消，而透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°，耦合到输出光纤的快轴。干涉后返回的信号光，同样沿输出尾纤的快轴，经法拉第晶体后，再旋转45°。由于Farady效应的非互易性，耦合到输入光纤的慢轴。所以干涉光与反射光的偏振态正交。返回的干涉光，经反射片后，有5％的光反射至正向传输，但沿光纤慢轴。再经过法拉第晶体后，同样沿输出光纤慢轴，经Y波导集成光学器件被吸收，因此对陀螺没有影响。

附图说明

图1为本发明的光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构的整体示意图；

图2为本发明的法拉第旋转器的结构示意图；

图3为Displacer型保偏光隔离器单级光路结构图；

图4为Displacer型保偏光隔离器双级光路结构图；

图5为Wedge型保偏光隔离器双级光路结构图。

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。

本发明实现的一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消(抑制)结构，如图1所示，包括：保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器(FR)、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及探测器。1×2保偏耦合器的输入端为保偏ASE光源，一个输出端连接法拉第旋转器，另一个输出端连接探测器。法拉第旋转器的输出端连接Y波导集成光学器件，Y波导集成光学器件连接保偏光纤环。

ASE光源为偏振输出，保偏ASE光源输出的光源信号经过1×2保偏耦合器后保持偏振特性。保偏ASE光源输出的光信号经过1×2保偏耦合器后输入法拉第旋转器。输入法拉第旋转器的线偏振光沿输入光纤的快轴传输，经滤光片，95％透射、5％反射，其中5％的反射光与输入光偏振方向相同，与光源信号叠加，实现光源相对强度噪声的对消，95％的透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°，耦合到输出光纤的快轴。经法拉第旋转器输出的光信号，经过Y波导集成光学器件分成两路光输入保偏光纤环，两路光在保偏光纤环干涉后输出，干涉光经过法拉第旋转器之后，再旋转45°，由于法拉第效应的非互易性，耦合到光纤的慢轴。干涉光和反射光的偏振态正交，不发生干涉。干涉光经1×2保偏耦合器进入到探测器中转换为电信号。

光路结构中的法拉第旋转器为本发明的核心，其结构图如图2所示，保偏光纤通过毛细管与法拉第旋转器的接口连接，法拉第旋转器中的滤光片包括准直透镜和法拉第反射镜等，通过调整设计滤光片的参数，使输入的光经过滤波片后实现95％透射和5％反射，Farady旋转镜用于将光信号偏振态旋转45°。输入法拉第旋转器的线偏振光沿输入光纤的快轴传输，经滤光片，95％透射、5％反射，反射光与输入光偏振方向相同。透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°，耦合到输出光纤的快轴。干涉后返回的干涉光，同样沿输出尾纤的快轴，经法拉第晶体后，再旋转45°。由于Farady效应的非互易性，耦合到输入光纤的慢轴。所以干涉光与反射光的偏振态正交。返回的干涉光，经反射片后，有5％的光反射至正向传输，但沿光纤慢轴。再经过法拉第晶体后，同样沿输出光纤慢轴，经Y波导集成光学器件被吸收，因此对陀螺没有影响。输入的光源中5％的反射光与入射光偏振方式相同，发生叠加，实现强度噪声对消。

本发明中的光源为高偏振的ASE光源，此种光源并非只是将传统高精度光纤陀螺中的底片ASE光源加起偏级保偏尾纤输出，而是光源内部的光隔离器结构有所改变。内部光隔离器的结构可设计为Displacer型保偏光隔离器单级结构、Displacer型保偏光隔离器双级结构、或者Wedge型保偏光隔离器结构。偏振输出的保偏ASE光源，具有偏振自发放大辐射、极高的光-光转换效率以及优异的光谱平坦度，偏振态确定。

Displacer型保偏光隔离器单级结构如图3所示，本发明对现有的与偏振无关的Displacer型光隔离器改进，减少该光隔离器中的λ/2波片，将原有的非保偏结构改进为保偏结构，所实现的Displacer型保偏光隔离器结构更为简单。另外通过旋转Displacer型保偏光隔离器中钒酸钇晶体的角度，使其中一束光一直走O光，所以一直处于中心；而另一束光，如图3所示的E光，经两次偏移后位移量更大而耦合不进光纤。所以该方案的保偏光隔离器比单模方案隔离度更高，且可以保证较高的消光比。Displacer型保偏光隔离器双级结构如图4所示，改进之处和单级是一样的，输入的光分成两束，O光始终处于中心位置，而E光越分越偏离中心。第二级的E光线是由对轴精度误差或Farady旋转角度偏差引起的二阶小量，基本可以忽略不计。Displacer型保偏光隔离器光路居中，易于耦合。但要求双折射晶体的长度要足够长，才能保证两束光分开的间距足够大，才能保证足够的隔离度。

本发明对现有的偏振无关的Wedge型光隔离器进行改进，对其中楔角片的角度进行将改进，实现Wedge型保偏光隔离器。Wedge型保偏光隔离器设计为前后级楔角片的角度不同，O光和E光在前后级互换，输出光存在一个偏角，无法耦合到同一根光纤中。通过仿真，楔角片前后级的角度分别设计为13.0°和12.1°，其中一束偏振光平行输出，另一束光有一个2.1°的偏角。Wedge型保偏光隔离器可以做成双级结构，如图5所示，反射通光是透过该功能书成2.1°的偏角，可保证隔离器大于60dB。Wedge型光隔离器具有尺寸小、成本低的优点。由于大量应用于光通信系统中，其性能和可靠性都经过了验证，适合于批量生产。

由于本方案中使用的所有的器件均很成熟，容易实现，通过陀螺的精度表征强度噪声对消的效果，陀螺精度越高，强度噪声对消越明显。本发明所述实例为说明性，而非限制性，本发明包括但不限于具体实施方式中所述的实施例，所有本领域中根据本发明的实施的技术方案得到的其他实施例，均是本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种光纤陀螺中光源相对强度噪声对消结构，包括保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器、Y波导集成光学器件、保偏光纤环及探测器，其特征在于：保偏ASE光源的输出端连接1×2保偏耦合器的输入端；1×2保偏耦合器的一个输出端连接法拉第旋转器，另一个输出端连接探测器；

保偏ASE光源输出的光源信号为线偏振光信号；保偏ASE光源输出的光信号经过1×2保偏耦合器后保持偏振特性，光信号输入法拉第旋转器中，经滤光片将5％的光信号反射，与光源信号发生叠加，对消光源相对强度噪声，另外95％的光信号透射输出；经法拉第旋转器输出的光信号经过Y波导集成光学器件分成两路进入保偏光纤环发生干涉，从保偏光纤环输出的干涉光通过1×2保偏耦合器进入探测器。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的法拉第旋转器，输入其的线偏振光信号沿输入光纤的快轴传输，经滤光片后，将光信号95％透射、5％反射；5％的反射光与输入的线偏振光信号方向相同，与光源信号叠加，对消光源相对强度噪声；95％的透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°，耦合到输出光纤的快轴。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的保偏ASE光源，将ASE光源的内部光隔离器结构设计为Displacer型保偏光隔离器单级结构，或者Displacer型保偏光隔离器双级结构，或者Wedge型保偏光隔离器结构。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：所述的保偏ASE光源，其内部使用的Displacer型保偏光隔离器单级结构或者双级结构，是将与偏振无关的Displacer型光隔离器中的λ/2波片减少实现。

5.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：所述的保偏ASE光源，其内部使用的Wedge型保偏光隔离器结构，是将与偏振无关的Wedge型光隔离器的前后级楔角片的角度分别设计为13.0°和12.1°实现。