CN110579204A - 一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，以及采用上述光纤耦合器阵列的三轴一体光纤陀螺光路，包括1个光源，5个膜片式1×2光纤耦合器，3个Y波导，3个探测器和3个光纤环，其中，耦合器A的分光比为1:2，耦合器B、C、D、E的分光比为1:1，通过耦合器的合理摆放与连接方式，实现了三轴一体光纤陀螺中三个光纤线圈复用单一光源的功能，本发明同时还提出一种用于该光路的器件盘设计和光纤耦合器摆放设计方案。具有小型化，无熔点的优点，具有高可靠性和实用性，且适合于批量生产，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列。

背景技术

光纤耦合器(Fiber coupler)是将光从一条光纤分至多条光纤的双向无源器件。作为最基本的光功率分配器件，光纤耦合器已经成为光纤技术领域的核心元器件。光纤耦合器应用广泛，例如在光纤通信中的电信网络、有线电视网络、区域网络等领域，在光纤传感中的光纤陀螺、光纤温度传感器、光纤水听器等领域。

光纤耦合器按照输入输出端的数目可以分为X型耦合器、Y型耦合器、树形耦合器和星形耦合器。X型耦合器是指具有2×2端口组态的耦合器。Y型耦合器是指具有1×2端口组态的耦合器。星形耦合器是指具有N×N(N＞2)端口组态的耦合器。树形耦合器是指具有1×N(N＞2)端口组态的耦合器。常用的光纤耦合器有1×2，2×2，3×3，1×N，N×N等。分光比(Coupling ratio)(或称耦合比)是光纤耦合器的一个重要参数，它是光纤耦合器各输出端口的光功率的比值,在具体应用中有时也用相对于输出总功率的百分比来表示。

光纤陀螺是采用Sagnac干涉原理,利用光纤绕成环形光路并检测出转动产生的正向反向的两路光束之间的相位差,由此计算出旋转角速度的。光纤陀螺不仅具有环形激光陀螺的各项优点,而且它无高电压电源、无机械抖动，在这些方面还优于环形激光陀螺，无论在军用还是民用领域里都拥有极强的竞争能力和广阔的潜在市场。

三轴一体光纤陀螺是一种将惯性导航所需3个正交方向的陀螺设计成一体化的光纤陀螺，它对光路、电路和结构等方面均进行了综合考虑，能够共用光源、共用检测电路，并进行了一体化结构设计。它与传统的光纤陀螺相比具有资源共享、体积减小、降低功耗等特点。三轴一体光纤陀螺在光路上采用了:基于集成技术的集成光学相位调制器、基于器件小型化技术的细径光纤、基于器件小型化技术的光源、基于光源共用技术的三轴陀螺等小型化技术。

三轴一体光纤陀螺为了实现三个光纤线圈复用一个光源的功能，必须采用光纤耦合器。现有技术中目前基本采用两种方案：一种方案是直接采用一个1×3(或3×3)的光纤耦合器，如申请号为201110090604.6的中国发明专利所公开的，这种耦合器在制作时，由于对耦合比的要求较精确，附加损耗要求小，因此难度较大，采用1×3(或3×3)光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路结构示意图如图1所示。另一种方案是采用两级两个1×2(或2×2)的光纤耦合器，其中第一级耦合器的分光比为1：2，第二级耦合器的分光比为1：1，这种方案的器件制作工艺已相当成熟，耦合比可以相当精确，是目前采用较多的方案。采用两级两个1×2(或2×2)光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路结构示意图如图2所示。

目前，三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器均采用熔融拉锥(Fused BiconicalTaper,FBT)技术制作，这种方案的两级耦合器之间需要采用熔接的方式连接，会增加熔接损耗，而且因为有熔点存在，光纤陀螺光路的可靠性降低，而且光纤耦合器不能批量生产，生产效率低。

发明内容

为了解决上述现有三轴一体光纤陀螺光纤耦合器存在的问题，本发明提出了一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，该发明的特点是小型化，无熔点，具有高可靠性，且适合于批量生产，以及采用上述光纤耦合器阵列的三轴一体光纤陀螺光路。

一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，包括5个膜片式1×2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第四光纤耦合器，第五光纤耦合器，所述5个膜片式1×2光纤耦合器均具有单端口侧和双端口侧，所述第一光纤耦合器分光比为1:2，第二、第三、第四、第五光纤耦合器的分光比为1:1；

光纤耦合器之间通过光纤连接，第一光纤耦合器的双端口侧与第二光纤耦合器的双端口侧连接，第二光纤耦合器的双端口侧与第五光纤耦合器的单端口侧连接，第一光纤耦合器的单端口侧与第三光纤耦合器的单端口侧连接，第二光纤耦合器的单端口侧与第四光纤耦合器的单端口侧连接，

第一光纤耦合器的双端口侧输出一根尾纤，用以连接光源，第三光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的X轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；第四光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的Y轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；第五光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的Z轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；

所述5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放，摆放顺序依次为第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光纤耦合器、第五光纤耦合器，其中第一、第三、第四光纤耦合器的单端口侧，与第二、第五光纤耦合器的双端口侧朝向相同，第一、第三、第四光纤耦合器的双端口侧，与第二、第五光纤耦合器的单端口侧朝向相同。

在一些优选的实施方式中，用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列还包括器件盘，所述器件盘为圆形，器件盘上设有环形槽，环形槽中间有用于摆放光纤耦合器的矩形槽，5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放在矩形槽中，矩形槽的两侧各有两个用于固定器件盘的安装孔。

在一些优选的实施方式中，光纤耦合器阵列输出的尾纤盘绕在环形凹槽中，其中连接Y波导及探测器的6根尾纤，与连接光源的尾纤盘绕方向相反。

在一些优选的实施方式中，5个光纤耦合器在器件制作时对齐做在一起。

在一些优选的实施方式中，光纤耦合器与器件盘之间用胶固定。

基于所述阵列的三轴一体光纤陀螺光路，包括光源，光纤耦合器阵列，3个Y波导，3个探测器和3个光纤环，

(1)光源发出的光经过分光比为1:2的第一膜片式1×2光纤耦合器后，其中1/3的光透射过第一光纤耦合器，2/3的光被反射，透射过第一光纤耦合器的1/3的光经过分光比为1:1的第三膜片式1×2光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺X轴；

(2)反射的2/3的光经过分光比为1:1的第二膜片式1×2光纤耦合器后，1/3的光透射过第二光纤耦合器，1/3的光被反射，透射过第二光纤耦合器的1/3的光经过分光比为1:1的第四膜片式1×2光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺Y轴；

(3)再次被反射的1/3的光经过一个分光比为1:1的膜片式1×2第五光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺Z轴。

基于所述光路的光纤陀螺旋转角速度测量方法，包括：

(4)三束经过Y波导的光进入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的光纤环中发生Sagnac效应，包含有旋转角速度信息的光束入射到探测器上，探测器将光信号转换成电信号，最后通过后续检测电路处理，得到X轴、Y轴和Z轴的旋转角速度信息。

本发明的优点和积极效果在于：

1.相对于现有技术中传统的透射式的耦合器光路设计，本发明创造性地采用透射+反射的光路设计方式，并采用多个具有反射功能的膜片式光纤耦合器满足了三轴一体光纤陀螺光路需求。

2.本发明采用的膜片式1×2光纤耦合器可以在制造时多个耦合器同时制造，实现批量生产，有利于实现设备的产业化。

3.本发明提出的光纤耦合器阵列区别现有技术中的熔接方式，采用光纤直接连接，光纤直接连接的优势是根据三轴一体光纤陀螺光路的实际要求，选择合适长度的两级耦合器之间的光纤，这样在光纤耦合器阵列制造完成后，两级耦合器之间已经用光纤直接连接上，不需要采用熔接的方式连接，降低了损耗，增加了光纤陀螺光路的可靠性。

4.本发明提出的器件盘设计和器件摆放设计方案可以充分利用光纤陀螺内部的空间，有利于光纤陀螺的小型化设计，而且有很强的可行性和实用性。

附图说明

图1是现有技术中采用1×3光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路结构示意图；

图2是现有技术中采用两级两个2×2光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路结构示意图；

图3是本发明提供的一种基于5个膜片式1×2光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路结构示意图；

图4是本发明提供的器件盘设计图；

图5是本发明提供的器件盘尺寸图；

图6是本发明提供的光纤耦合器摆放设计图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提出的一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列做进一步的详细说明。

本发明首先提出一种基于5个膜片式1×2光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路方案，如图3所示。该方案包括1个光源，5个膜片式1×2光纤耦合器，3个Y波导，3个探测器和3个光纤环，其中，耦合器A的分光比为1:2(即33:66)，耦合器B、C、D、E的分光比为1:1(即50:50)。该方案的实现具体包括以下步骤：

步骤一、光源发出的光经过分光比为1:2的膜片式1×2光纤耦合器A，其中透射过光纤耦合器A的三分之一的光用于光纤陀螺X轴，这部分光经过另一个分光比为1:1的膜片式1×2光纤耦合器C进入Y波导中；

步骤二、另外反射的三分之二的光经过分光比为1:1的膜片式1×2光纤耦合器B，透射三分之一的光和反射三分之一的光分别用于光纤陀螺Y轴和Z轴，这两部分光也分别经过一个分光比为1:1的膜片式1×2光纤耦合器D和E，进入Y波导中；

步骤三、三束经过Y波导的光进入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的光纤环中发生Sagnac效应，包含有旋转角速度信息的光束经过膜片式1×2光纤耦合器C、D、E的反射，入射到探测器上，探测器可以将光信号转换成电信号，最后通过后续检测电路处理，就能得到X轴、Y轴和Z轴的旋转角速度信息。

本发明提供的器件盘设计图如图4所示。器件盘为圆形，中间有用于摆放光纤耦合器的矩形槽，5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放在矩形槽中，矩形槽的两侧各有两个用于固定器件盘的安装孔。

本发明提供的器件盘尺寸图如图5所示，图中数字的单位均为毫米(mm)。器件盘的厚为3mm，器件盘外周的直径为30mm，器件盘外周的壁厚为0.5mm，器件盘外周的内径为29mm(即环形凹槽的外径为29mm)，环形凹槽的内径为25mm，环形凹槽的厚为1.7mm，矩形槽的长为20mm，宽为11mm，矩形槽上下两侧的壁厚为0.5mm，矩形槽包含槽壁的宽为12mm，矩形槽的厚为0.8mm，四个用于固定器件盘的安装孔的直径为2mm，位于矩形槽同侧的两个安装孔的间距(两个安装孔圆心的距离)为10mm，位于矩形槽异侧的两个安装孔的间距(两个安装孔圆心的距离)为16mm，矩形槽四个角的外壁与环形凹槽的外壁之间加工为倒圆，倒圆的半径R为1mm。

本发明提供的光纤耦合器摆放设计图如图6所示。5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放在矩形槽中，在设计光纤耦合器摆放顺序时，要使尾纤盘绕时的弯曲半径尽可能大，可靠性更高，还要使相连的耦合器尽可能排在一起，综合考虑这些因素，光纤耦合器的摆放顺序从上到下依次为C、D、B、A、E，其中C、D、A光纤耦合器的一个端口的一端朝左，两个端口的一端朝右，B、E光纤耦合器的一个端口的一端朝右，两个端口的一端朝左。5个光纤耦合器中间有4处连接，在器件制作时比点做在一起，光纤耦合器与器件盘之间用胶固定。光纤耦合器阵列共输出7根尾纤，其中3根接Y波导，3根接探测器，1根接光源，7根尾纤盘绕在外围的环形凹槽中，Y波导及探测器的6根尾纤为顺时针盘绕，光源尾纤为逆时针盘绕。上述设计综合考虑了尾纤盘绕时的弯曲半径和可靠性问题，比如假设将E耦合器的双端口侧改向，再让其顺时针盘绕，则光纤的曲率半径就很小，容易断。因此本发明采用了上述的摆放和盘绕方法，增加了光纤的曲率半径，同时提高了可靠性。

本发明针对现有三轴一体光纤陀螺光纤耦合器存在的问题，提出了一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列。首先提出一种基于5个膜片式1×2光纤耦合器的三轴一体光纤陀螺光路方案，还提出一种用于该光路的器件盘设计和光纤耦合器摆放设计方案。该发明的特点是小型化，无熔点，具有高可靠性和实用性，且适合于批量生产，具有广阔的应用前景。

上述仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，其特征在于，包括5个膜片式1×2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第四光纤耦合器，第五光纤耦合器，所述5个膜片式1×2光纤耦合器均具有单端口侧和双端口侧，所述第一光纤耦合器分光比为1:2，第二、第三、第四、第五光纤耦合器的分光比为1:1；

光纤耦合器之间通过光纤连接，第一光纤耦合器的双端口侧与第二光纤耦合器的双端口侧连接，第二光纤耦合器的双端口侧与第五光纤耦合器的单端口侧连接，第一光纤耦合器的单端口侧与第三光纤耦合器的单端口侧连接，第二光纤耦合器的单端口侧与第四光纤耦合器的单端口侧连接，

第一光纤耦合器的双端口侧输出一根尾纤，用以连接光源，第三光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的X轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；第四光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的Y轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；第五光纤耦合器的双端口侧输出2根尾纤，1根尾纤用以通过Y波导连接三轴一体光纤陀螺的Z轴光纤环，另1根尾纤用以连接探测器；

所述5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放，摆放顺序依次为第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光纤耦合器、第五光纤耦合器，其中：

第一、第三、第四光纤耦合器的单端口侧，与第二、第五光纤耦合器的双端口侧朝向相同；

第一、第三、第四光纤耦合器的双端口侧，与第二、第五光纤耦合器的单端口侧朝向相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，其特征在于，还包括器件盘，所述器件盘为圆形，器件盘上设有环形槽，环形槽中间有用于摆放光纤耦合器的矩形槽，5个膜片式1×2光纤耦合器并排摆放在矩形槽中，矩形槽的两侧各有两个用于固定器件盘的安装孔。

3.根据权利要求2所述的一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，其特征在于，光纤耦合器阵列输出的尾纤盘绕在环形凹槽中，其中连接Y波导及探测器的6根尾纤，与连接光源的尾纤盘绕方向相反。

4.根据权利要求3所述的一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，其特征在于，5个光纤耦合器在器件制作时对齐做在一起。

5.根据权利要求4所述的一种用于三轴一体光纤陀螺的光纤耦合器阵列，其特征在于，光纤耦合器与器件盘之间用胶固定。

6.基于权利要求1-5任一项所述阵列的三轴一体光纤陀螺光路，包括光源，权利要求1-5任一项所述光纤耦合器阵列，3个Y波导，3个探测器和3个光纤环，其特征在于，

(1)光源发出的光经过分光比为1:2的第一膜片式1×2光纤耦合器后，其中1/3的光透射过第一光纤耦合器，2/3的光被反射，透射过第一光纤耦合器的1/3的光经过分光比为1:1的第三膜片式1×2光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺X轴；

(2)反射的2/3的光经过分光比为1:1的第二膜片式1×2光纤耦合器后，1/3的光透射过第二光纤耦合器，1/3的光被反射，透射过第二光纤耦合器的1/3的光经过分光比为1:1的第四膜片式1×2光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺Y轴；

(3)再次被反射的1/3的光经过一个分光比为1:1的膜片式1×2第五光纤耦合器进入Y波导中，用于光纤陀螺Z轴。

7.基于权利要求6所述光路的光纤陀螺旋转角速度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(4)三束经过Y波导的光进入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的光纤环中发生Sagnac效应，包含有旋转角速度信息的光束入射到探测器上，探测器将光信号转换成电信号，最后通过后续检测电路处理，得到X轴、Y轴和Z轴的旋转角速度信息。