CN110849345A - 一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、微纳光纤线圈、输入端尾纤、输出端尾纤、低折射率介质棒、分束器、1#光电探测器、2#光电探测器、1#锁相放大器、信号发生器、伺服控制模块、2#锁相放大器和解调模块。本发明利用基于多圈微纳光纤三维谐振腔作为谐振式光学陀螺的核心敏感单元，降低了成本；在信号检测方面，该系统采用单边频率调制解调的方案，在减小非互易性误差的同时，可以获得良好的线性工作区域。另一方面，该方案减少了谐振式光学陀螺的器件数量，降低了系统成本，缩减了系统体积，从而实现了谐振式光学陀螺低成本、微型化、高灵敏度、高精度的设计。

Description

一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺

技术领域

本发明属于微型化谐振式光学陀螺的技术领域，具体涉及一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺。

背景技术

陀螺仪作为一种角速度传感器，在飞行器导航、导弹制导、舰船、潜艇和智能控制等领域都有很广泛的应用，是惯性导航系统的重要组成部分。随着科学技术的飞速发展，人们对陀螺仪的性能指标提出了更高的要求。比如在一些深空或深海探测等需要长期作业的领域，需要陀螺仪具有低功耗，高稳定性等性能；在小型飞行器、导弹制导等领域，需要陀螺仪具有高精度、微型化、抗高过载等性能；另外在医疗器械、智能机器人、灾难救援装备等智能控制领域，也迫切需要高精度、微型化、低成本的陀螺仪。光学陀螺相比传统的机械陀螺有许多独特的优势，比如抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、高稳定性等。激光陀螺和干涉式光纤陀螺都已经在航空航天，潜艇舰船等领域得到了广泛的应用，然而在上述需要陀螺仪具有微型化、低功耗、低成本等特殊领域，这两种光学陀螺并不适用。谐振式光学陀螺是集激光陀螺和干涉式光纤陀螺优势于一身的第三代光学陀螺，不仅具有高灵敏度、高精度等性能，而且可以满足微型化、低成本、低功耗、高精度的要求。采用微型环形谐振腔作为敏感单元的谐振式光学陀螺，可以做到芯片级大小。通常微型化谐振式光学陀螺采用集成光波导技术制作微型谐振腔。然而，集成光波导制作工艺复杂，价格昂贵，同时由于光波导环形谐振腔损耗较大，并且存在与光纤器件耦合损耗等问题，目前在实现高精度方面还存在较大困难。微纳光纤是指直径在微米甚至纳米量级的光纤，它是对光在微纳尺度上进行调控的优秀平台，也是连结微光光子学与宏观光学的桥梁。微纳光纤可以采用普通单模光纤高温拉制而成，其表面粗糙度可以达到原子尺度，传输损耗远低于同等尺度的集成光波导。同时，微纳光纤两端尾纤与普通光纤自然连接，不仅方便光波的耦合输入输出，而且耦合损耗极低，与现有的通讯系统具有良好的兼容性。光在微纳光纤中传输时，光场很大一部分能量以倏逝场的形式分布在光纤表面，利用这一特性可以制作出耦合结构，进行可以制作出微型谐振腔。这就为制作微型化、低成本、高精度、高灵敏度的谐振式光学陀螺提供了新的思路。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，采用低成本、低损耗的微纳光纤来制作微型谐振腔，在大大降低成本和体积的同时，可以获得超高的品质因数，使陀螺仪拥有超高灵敏度和精度。在信号检测方面，该谐振式光学陀螺采用单边频率调制方案，在减小非互易性误差的同时，可以获得良好的线性工作区域。同时，该方案减少了谐振式光学陀螺的器件数量，降低了系统成本，进一步减小了系统体积，从而实现了谐振式光学陀螺低成本、微型化、高灵敏度、高精度的设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、微纳光纤线圈、输入端尾纤、输出端尾纤、低折射率介质棒、分束器、1#光电探测器、2#光电探测器、1#锁相放大器、信号发生器、伺服控制模块、2#锁相放大器和解调模块。

其中，可调谐激光器输出与隔离器连接，隔离器输出与偏振控制器输入相连接，偏振控制器输出与相位调制器输入连接，相位调制器输出通过输入端尾纤与微纳光纤线圈连接，微纳光纤线圈由导光纤维绕在低折射率介质棒上制成，微纳光纤线圈输出通过输出端尾纤与分束器连接，分束器的其中一端输出与光电探测器输入连接，光电探测器输出与锁相放大器连接，信号发生器一端输出与相位调制器连接，另一端输出与光电探测器输出一同与伺服控制模块输入端连接，伺服控制模块输出与可调谐激光器连接，对可调谐激光器输出进行反馈控制。分束器另一端输出与光电探测器连接，光电探测器输出与锁相放大器输入端连接，锁相放大器的输出作为解调模块的输入，解调模块对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。

其中，可调谐激光器为频率连续可调的窄线宽可调谐激光器，一般内部应集成有驱动电路和温控电路，隔离器连接，以保护激光器。

其中，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器，用于对可调谐激光器的输出光进行相位调制。

其中，所述低折射率介质棒采用低射率材料制成，例如聚四氟乙烯、氟化钙等低折射率材料，也可以在普通介质棒上涂敷低折射率材料制成，如涂敷聚四氟乙烯、氟化钙、气凝胶等。总之，其表面有效折射率应小于微纳光纤的有效折射率。

其中，所述微纳光纤线圈由直径在微米或纳米尺度的导光纤维绕在低折射率介质棒上制成，微纳光纤可由普通单模光纤或保偏光纤拉制而成，也可以由掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物等材料制备。根据陀螺系统不同性能的要求，微纳光纤直径和线圈螺距可以进行相应的调节。

其中，所述微纳光纤线圈、输入端尾纤、输出端尾纤和低折射率介质棒共同组成微谐振腔，输入端尾纤和输出端尾纤结构相同。微纳光纤线圈均匀缠绕在低折射率介质棒上后，外层须涂敷上一层与介质棒表面相同的低折射率材料以增加结构的稳定性。

其中，所述信号发生器同时与相位调制器和1#锁相放大器连接，根据不同的调制解调方案可以为系统提供同步的正弦波、三角波或锯齿波等信号。

其中，所述1#光电探测器和2#光电探测器结构相同，1#锁相放大器和2#锁相放大器结构相同。在实际中，1#光电探测器和2#光电探测器、1#锁相放大器和2#锁相放大器也可以是一体化集成的带锁相放大和滤波的光电探测器。

其中，所述伺服控制模块一般为比例积分电路模块，为窄线宽可调节激光器提供反馈输入，使其输出光源频率锁定在谐振腔谐振频率上。

其中，此技术方案中除微型谐振腔外的其他光学器件，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、分束器、光电探测器等光学器件，都可以通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，实现系统的高度集成，从而进一步减小系统体积和成本。

本发明的有益效果是：

1、采用多圈微纳光纤环形谐振腔作为谐振式光学陀螺的敏感单元，与采用平板光波导技术获得的硅基等环形谐振腔相比，制作工艺简单，成本更低，同时因为微纳光纤一般利用光纤通过高温拉制而成，其表面粗糙度可以达到原子级别，因此损耗更低，理论品质因子可以达到10¹⁰。与采用光纤和耦合器组合获得光纤环形谐振腔相比，采用微纳光纤获得的微型谐振腔可以达到芯片级别，更适合用来搭建微型化谐振式光学陀螺系统。另一方面，采用多圈微纳光纤环形谐振腔是一种三维的谐振腔结构，可以通过优化微纳光纤参数，增大微纳光纤环圈数，从而获得更大的等效长度，进一步提高谐振式光学陀螺系统的精度和灵敏度。

2、采用单频率调制解调技术方案可以在减小非互易性误差的同时，可以获得良好的线性工作区域。相比于传统双边频率调制解调方案，该方案只需要单个的信号发生器和相位调制器，因此，缩小了系统体积和成本。另一方面，此技术方案中除微型谐振腔外的其他光学器件，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、分束器、光电探测器等光学器件，都可以通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，从而进一步减小系统体积和成本。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

附图标记列表：

可调谐激光器1、隔离器2、偏振控制器3、相位调制器4、微纳光纤线圈5、输入端尾纤51和输出端尾纤52、低折射率介质棒6、分束器7、1#光电探测器8、2#光电探测器9、1#锁相放大器10、信号发生器11、伺服控制模块12，2#锁相放大器13，解调模块14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的一种基于多圈微纳光纤环形谐振腔的谐振式光学陀螺包括可调谐激光器1、隔离器2、偏振控制器3、相位调制器4、微纳光纤线圈5、输入端尾纤51、输出端尾纤52、低折射率介质棒6、分束器7、1#光电探测器8、2#光电探测器9、1#锁相放大器10、信号发生器11、伺服控制模块12、2#锁相放大器13和解调模块14。其中，可调谐激光器1为窄线宽的可调谐激光器，为系统提供窄线宽光源，并与作为防护器件的隔离器2进行连接；偏振控制器3对可调谐激光器1出射的激光进行偏振调节，使进入系统的激光为线偏振光；相位调制器4结合信号发生器11产生的调制信号对从偏振控制器出射的激光进行相位调制；经调制后的激光经输入端尾纤51进入多圈环形谐振腔5，并在谐振腔内产生谐振；微纳光纤线圈5均匀缠绕在低折射率介质棒6上，透射的激光经过输出端尾纤52输入，并经由分束器7分成两路；其中一路输入1#光电探测器8，通过1#锁相放大器，结合信号发生器11产生的同步调制信号，进入伺服控制模块12；伺服控制模块12与可调谐激光器1的驱动电路连接，使激光器的输出频率锁定在谐振腔的谐振频率上。分束器7的另一路输出通过2#光电探测器9和2#锁相放大器13作为系统的输出信号。

所述的可调谐激光器1为窄线宽的可调谐激光器，为系统提供窄线宽光源，并与作为防护器件的隔离器2进行连接。

所述的偏振控制器3对可调谐激光器1出射的激光进行偏振调节，使进入系统的激光为线偏振光。

所述的微纳光纤5可以基于普通单模光纤、掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物等材料，通过火焰加热拉制、激光加热拉制、电流加热拉制等方法制备，其直径和长度可以根据系统所需要的参数进行调节。

所述的低折射介质棒6采用低射率材料制成，例如聚四氟乙烯、氟化钙等低折射率材料，也可以在普通介质棒上涂敷低折射率材料制成，如涂敷聚四氟乙烯、氟化钙、气凝胶等。总之，其表面有效折射率应小于微纳光纤的有效折射率。

所述的微型谐振腔由微纳光纤线圈5、输入端尾纤51和输出端尾纤52、低折射率介质棒6共同组成。输入端尾纤51和输出端尾纤52结构相同。微纳光纤线圈均匀缠绕在低折射率介质棒6上后，外层须涂敷上一层与介质棒6表面相同的低折射率材料以增加结构的稳定性。根据陀螺系统不同性能的要求，微纳光纤直径和线圈螺距可以进行相应的调节。

所述的信号发生器11同时与相位调制器4和1#锁相放大器10连接，根据不同的调制解调方案可以为系统提供同步的正弦波、三角波或锯齿波等信号。

所述的1#光电探测器8和2#光电探测器9结构相同，1#锁相放大器10和2#锁相放大器13结构相同。在实际中，1#光电探测器8和2#光电探测器9、1#锁相放大器10和2#锁相放大器13也可以是一体化集成的带锁相放大和滤波的光电探测器。

所述的伺服控制模块12一般为比例积分电路模块，为窄线宽可调节激光器1提供反馈输入，使其输出光源频率锁定在谐振腔谐振频率上。

另外，此技术方案中除微型谐振腔外的其他光学器件，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、分束器、光电探测器等光学器件，都可以通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，从而进一步减小系统体积和成本。

本发明所述的一种基于多圈微纳光纤环形谐振腔的微型谐振式光学陀螺的工作原理为：可调谐激光器1为窄线宽的可调谐激光器，为系统提供窄线宽光源，并与作为防护器件的隔离器2进行连接；偏振控制器3对可调谐激光器1出射的激光进行偏振调节，使进入系统的激光为线偏振光；相位调制器4结合信号发生器11产生的调制信号对从偏振控制器出射的激光进行相位调制；经调制后的激光经输入端尾纤51进入多圈环形谐振腔5，并在谐振腔内产生谐振；透射的激光经过输出端尾纤52输入，并经由分束器7分成两路；其中一路输入1#光电探测器8，通过1#锁相放大器，结合信号发生器11产生的同步调制信号，进入伺服控制模块12；伺服控制模块12与可调谐激光器1的驱动电路连接，使激光器的输出频率锁定在谐振腔的谐振频率上。分束器7的另一路输出通过2#光电探测器9和2#锁相放大器进入解调模块14，解调模块14通过对输入进行计算处理作为系统的输出信号。

基于多圈微纳光纤的环形谐振腔是一种三维周期性结构，当光波进入这种结构后，一方面光波沿着光纤轴向绕微纳光纤线圈进行传播，另一方面在相邻的光纤之间通过倏逝场进行耦合传播。这种特殊的传播方式使得基于多圈微纳光纤的环形谐振腔具有很好的结构色散和谐振特性。另外，根据对陀螺系统不同的体积、灵敏度、精度等方面性能的需求，可以通过选择所采用的微纳光纤的半径、微纳光纤线圈半径和螺距、低折射率介质棒直径和其表面折射率等参数来调节微型谐振腔的谐振特性和参数。

谐振式光学陀螺是通过检测环形谐振腔中由Sagnac效应引起的谐振频差来实现对旋转角速度测量的。在该方案中，基于多圈微纳光纤的环形谐振腔作为测量角速度的敏感单元。在工作时，将该系统固定在被测载体中心。当载体静止时，可调谐激光器的输出波长被锁定在微型谐振腔的谐振频率上，系统输出频率即为可调谐激光器的中心频率；当载体发生旋转时，微谐振腔的谐振频率由于Sagnac效应将发生偏移，谐振腔的谐振频率与可调谐的中心频率将存在一个频差Δf，频差的大小与转动角速度的Ω大小成线性关系，即：

其中D微微纳光纤线圈的直径，n为微纳光纤的有效折射率，λ为谐振腔的谐振波长。此时进入2#光电探测器的光信号即可反应系统的谐振频差，再经解调模块计算处理就可以得到旋转角速度。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：包括可调谐激光器（1）、隔离器（2）、偏振控制器（3）、相位调制器（4）、微纳光纤线圈（5）、输入端尾纤（51）、输出端尾纤（52）、低折射率介质棒（6）、分束器（7）、1#光电探测器（8）、2#光电探测器（9）、1#锁相放大器（10）、信号发生器（11）、伺服控制模块（12）、2#锁相放大器（13）和解调模块（14）；其中，可调谐激光器（1）输出与隔离器（2）连接，隔离器（2）输出与偏振控制器（3）输入相连接，偏振控制器输出与相位调制器（4）输入连接，相位调制器（4）输出通过输入端尾纤（51）与微纳光纤线圈（5）连接，微纳光纤线圈（5）输出通过输出端尾纤（52）与分束器（7）连接，分束器（7）的其中一端输出与光电探测器（8）输入连接，光电探测器（8）输出与锁相放大器（10）连接，信号发生器（11）一端输出与相位调制器（4）连接，另一端输出与光电探测器输出一同与伺服控制模块（12）输入端连接，伺服控制模块（12）输出与可调谐激光器（1）连接，对可调谐激光器（1）输出进行反馈控制；分束器（7）另一端输出与光电探测器（9）连接，光电探测器（9）输出与锁相放大器（13）输入端连接，锁相放大器（13）的输出作为解调模块（14）的输入，解调模块（14）对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。

2.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述低折射率介质棒（6）采用低射率材料制成，或者在普通介质棒上涂敷低折射率材料制成，其表面有效折射率小于微纳光纤的有效折射率。

3.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述微纳光纤线圈（5）由直径在微米或纳米尺度的导光纤维绕在低折射率介质棒（6）上制成，微纳光纤可由普通单模光纤或保偏光纤拉制而成，或者由掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物来制备。

4.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述微纳光纤线圈（5）、输入端尾纤（51）和输出端尾纤（52）、低折射率介质棒（6）共同组成基于多圈微纳光纤三维谐振腔，微纳光纤线圈（5）均匀缠绕在低折射率介质棒（6）上后，外层涂敷上一层与低折射率介质棒（6）表面相同的低折射率材料。

5.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述1#光电探测器（8）和2#光电探测器（9）结构相同，1#锁相放大器（10）和2#锁相放大器（13）结构相同。

6.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述的微型谐振式光学陀螺系统采用单边频率调制解调的方案，在减小非互易性误差的同时，获得良好的线性工作区域；同时，该方案减少了谐振式光学陀螺的器件数量，降低了系统成本，进一步减小了系统体积；所述的1#光电探测器（8）、1#锁相放大器（10）、信号发生器（11）和伺服控制模块（12）共同组成系统的反馈回路，使可调谐激光器（1）的输出频率锁定在微型谐振腔的谐振频率上；所述的2#光电探测器（9）、2#光电探测器（13）和解调模块共同组成系统的解调回路，输出正比于旋转角速度的陀螺信号。

7.根据权利要求书1所述的一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，其特征在于：所述可调谐激光器（1）、隔离器（2）、偏振控制器（3）、相位调制器（4）、分束器（7）、1#光电探测器（8）、（9）通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，实现系统的高度集成，从而进一步减小系统体积和成本。

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