CN111854726A - 一种空芯反谐振光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空芯反谐振光纤陀螺，包括光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导、光纤环圈；所述光纤环圈由空芯反谐振光纤绕制而成；所述光纤耦合器，用于接收光源发出的光，将输入光分为两束输出，一束进入空端被衰减掉，另一束进入Y波导；所述Y波导，用于将输入光起偏并分为两束进行推挽式相位调制，并输出，两束输出光分别传输至光纤环圈尾纤两端；所述光纤环圈，用于供两束输入光相向传播，并使两束光在传输尾端返回Y波导形成干涉；所述光电探测器，用于接收干涉光进入耦合器的分束光，实现信号接收。本发明采用空芯反谐振光纤作为光纤陀螺传感核心材料，提升了陀螺环境适应性，解决了光纤陀螺光纤应用长度与环境适应性成反比的问题。

Description

一种空芯反谐振光纤陀螺

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种空芯反谐振光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种全固态的惯性元件，具有可靠性高、寿命长、体积小、质量轻、精度覆盖范围广、适合大批量生产等特点，但在面向长航时高精度导航应用需求时，大纤长大尺寸的保偏光纤环圈在复杂环境多物理场(温度、磁和应力等场)作用下导致光纤陀螺性能劣化，不得不采用多种技术措施，例如温度控制、多重磁屏蔽和密闭封装等，以降低陀螺环境敏感性，导致其体积、质量和功耗增大，弱化了光纤陀螺在长航时高精度导航应用中的优势。光纤陀螺光纤应用长度反比于环境适应性是一个亟待解决的物理问题。

随着微结构光纤技术的发展，开启了光纤传输介质颠覆性技术变革，为光纤陀螺环境适应能力提升提供了新技术途径。相比传统光纤，空芯微结构光纤采用独特的周期微孔结构形成全新的导光机制，使光在理想介质空气中传输，展现出诸多性能优势，例如环境敏感性低、互易性噪声低等，是高精度光纤陀螺理想的传感材料。

空芯微结构光纤领域存在两次重大技术突破。在21世纪初的十年中，基于光子带隙效应的第一代空芯光纤(空芯光子晶体光纤)在实验和理论上均取得快速进步，但其本身固有复杂包层微孔构型要求致使传输损耗无法突破表面散射极限，传输损耗接近传统光纤难度极大，不适合高精度光纤陀螺光纤长距离应用。与空芯光子带隙光纤复杂的包层结构不同，空芯反谐振光纤(也称为负曲率光纤)具有精简的微结构包层，随着反谐振光纤设计和制备关键技术突破，已在传输损耗、单模性、损伤阈值方面展现出优秀的光学特性。经理论分析，通过设计合理的光纤构型，空芯反谐振光纤传输损耗可降至0.1dB/km，低于石英光纤的理论损耗极限，该损耗特性极为适合干涉型高精度光纤陀螺对光纤长度的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种空芯反谐振光纤陀螺，以解决光纤陀螺光纤应用长度与环境适应性成反比的瓶颈问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：

一种空芯反谐振光纤陀螺，包括光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导、光纤环圈，其特征在于：所述光纤环圈由空芯反谐振光纤绕制而成；

所述光纤耦合器，用于接收光源发出的光，将输入光分为两束输出，一束进入空端被衰减掉，另一束进入Y波导；

所述Y波导，用于将输入光起偏并分为两束进行推挽式相位调制，并输出，两束输出光分别传输至光纤环圈尾纤两端；

所述光纤环圈，用于供两束输入光相向传播，并使两束光在传输尾端返回Y波导形成干涉；

所述光电探测器，用于接收干涉光进入耦合器的分束光，实现信号接收。

进一步的：所述Y波导为基于铌酸锂晶体的集成光学调制器，半波电压2V，无尾纤。

进一步的：所述Y波导与光纤环圈尾纤直接空间对准耦合封装。

进一步的：在Y波导与光纤环圈之间设置有辅助定位结构，所述辅助定位结构采用陶瓷微夹具，陶瓷微夹具用于加持固定光纤环圈两端尾纤，并与波导芯片模式中心轴基准配合。

进一步的：绕制光纤环圈的空芯反谐振光纤采用两层嵌套6管式结构或三层嵌套6管式结构。

进一步的：所述的光源采用DFB激光器，中心波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW。

本发明具有的优点和积极效果：

(1)本发明采用空芯反谐振光纤作为光纤陀螺传感核心材料，以极简包层结构形成全新的导光机制，使光在理想介质空气中传输，根本上提升了传感基础材料的抗干扰性，降低了陀螺互易性噪声，提升了陀螺环境适应性，更为重要的是，空芯反谐振光纤能够突破石英光纤的理论损耗极限，能够打破由传输损耗决定的空芯光纤传感应用长度极限，是高精度光纤陀螺大纤长大尺寸光纤环圈理想的传感材料。

(2)本发明针对光纤陀螺光纤应用特点，所提出的空芯反谐振光纤具备结构力学增强设计特点，可经受光纤陀螺研制生产过程中光纤后处理操作带来的各类应力冲击，例如光纤环圈制作过程中光纤受迫弯曲产生的内部应力和填充胶体固化产生的挤压或拉伸力、光纤熔接产生的热应力等，能够解决光纤陀螺用空芯反谐振光纤可加工性和可靠性瓶颈问题。

(3)传统光纤陀螺光路体系下，Sagnac干涉仪构建是通过熔接光纤环圈和Y波导尾纤来实现。而空芯反谐振光纤与传统光路尾纤熔接，纤芯折射率失配导致背向反射问题，严重影响陀螺精度。本发明基于波导传输模式和耦合效率分析，借助陶瓷微夹具实现空芯反谐振光纤环圈与Y波导空间耦合一体封装，空气纤芯空间耦合无背向反射，同时消除了两个易受环境影响的环圈熔接点，提升了空芯反谐振光纤陀螺性能与可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明空芯反谐振光纤环圈与Y波导空间耦合一体封装的示意图；

图3是本发明空芯反谐振光纤的截面示意图：3a、两层嵌套6管式结构；3b、三层嵌套 6管式结构。

具体实施方式

下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1是本发明提出的一种空芯反谐振光纤陀螺的结构示意图，包括光源1、光纤耦合器2、光电探测器5、Y波导3、空芯反谐振光纤环圈4。

光源发出的光经耦合器分束，一束进入空端被衰减掉，另一束进入Y波导，Y波导将光起偏并分为两束进行推挽式相位调制，随后两束光分别传输至光纤环圈尾纤两端，Y波导无尾纤光输出端与光纤环圈尾纤采用空间耦合一体封装方式进行光路集成装配，光纤环圈采用空芯反谐振光纤绕制，两束光在光纤环圈内相向传播，最终返回Y波导形成干涉，干涉光进入耦合器分束至光电探测器完成信号接收，通过干涉信号中两束光的相位差，得到测量载体的旋转速率。

所述的光源采用DFB激光器，中心波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW，根据应用需求结合线宽展宽技术可适当调整光源相干长度，亦可采用宽带光纤光源；

所述的Y波导为基于铌酸锂晶体的集成光学调制器，半波电压2V，无尾纤，其与空芯反谐振光纤环圈尾纤直接空间对准耦合封装，以消除空芯光纤与传统光纤熔接由传输介质折射率失配导致的严重背向反射效应；

所述的光纤环圈采用对称绕法绕制，针对空芯反谐振光纤力学特性，采用小张力精密排纤技术，降低空芯反谐振光纤受外力压迫程度。特别是在光纤换层绕制时，极易产生张力较大波动和光纤微弯，对空芯光纤产生极大伤害。通过建立精确张力控制模型，在换层启停调整时，合理调整收纤和放纤速度以规避张力波动，此外充分利用高精度光纤陀螺环圈尺寸较大的先天优势，设计合理的光纤跃层曲率避免光纤微弯现象。

图2为空芯反谐振光纤环圈与Y波导空间耦合一体封装示意图，基于波导模式耦合效率分析，采用陶瓷微夹具辅助定位实现Y波导与空芯反谐振光纤环圈尾纤空间对准耦合，陶瓷微夹具用于加持固定光纤环圈两端尾纤，并与波导芯片模式中心轴基准配合。首先调整一端陶瓷微夹具，以通光功率为反馈信息，使光纤环圈一端尾纤与Y波导输出端完成低损耗空间耦合，随后将另一端陶瓷夹具6与波导另一输出端低损耗准直，并旋转此端陶瓷夹具，同样以通光功率为反馈信息，实现无几何特征的空芯反谐振光纤偏振对轴空间耦合。在不破坏对准状态下，选用低收缩率低应力的粘接胶体固定陶瓷微夹具与波导基准面，避免耦合损耗增加。

图3为本发明可采用的两种包层管环嵌套式空芯反谐振光纤横截面几何结构示意图。其中浅色孔洞所示为构成空芯反谐振光纤微结构的空气孔，深色结构为均匀分布的石英材料。根据空芯反谐振光纤损耗机理，增加包层管环层数有利于降低传输损耗。一般增加管环层数势必导致连接节点增加，基于空芯反谐振光纤机械强度影响机理研究，包层连接节点是机械强度薄弱点，因而空芯光纤强度势必降低。此外，连接节点处也易产生基模耦合现象，形成块状模，导致空芯反谐振光纤传输损耗劣化。本发明采用包层管环嵌套方式解决了管环层数增加产生附加连接节点问题，使传输损耗降低又不负面影响空芯光纤的机械强度。包层管环嵌套方式是在已有包层石英管环内中添加小尺寸嵌套管环，嵌套管环共用连接节点，如图所示，其中3a为两层嵌套6管式结构，3b为三层嵌套6管式结构。

综上，本发明提出一种空芯反谐振光纤陀螺，以解决光纤陀螺光纤应用长度与环境适应性成反比的瓶颈问题，采用构型优化设计的低损耗高强度空芯反谐振光纤绕制光纤陀螺敏感环圈，突破了传统光纤陀螺框架下由传输介质决定的本征物理问题(例如易受环境影响、噪声高等)和由传输损耗决定的空芯光纤传感应用长度极限，从根本上提升了高精度光纤陀螺环境适应性，可推动光纤陀螺技术跨代式发展。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种空芯反谐振光纤陀螺，包括光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导、光纤环圈，其特征在于：所述光纤环圈由空芯反谐振光纤绕制而成；

所述光纤耦合器，用于接收光源发出的光，将输入光分为两束输出，一束进入空端被衰减掉，另一束进入Y波导；

所述Y波导，用于将输入光起偏并分为两束进行推挽式相位调制，并输出，两束输出光分别传输至光纤环圈尾纤两端；

所述光纤环圈，用于供两束输入光相向传播，并使两束光在传输尾端返回Y波导形成干涉；

所述光电探测器，用于接收干涉光进入耦合器的分束光，实现信号接收。

2.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤陀螺，其特征在于：所述Y波导为基于铌酸锂晶体的集成光学调制器，半波电压2V，无尾纤。

3.根据权利要求2所述的空芯反谐振光纤陀螺，其特征在于：所述Y波导与光纤环圈尾纤直接空间对准耦合封装。

4.根据权利要求3所述的空芯反谐振光纤陀螺，其特征在于：在Y波导与光纤环圈之间设置有辅助定位结构，所述辅助定位结构采用陶瓷微夹具，陶瓷微夹具用于加持固定光纤环圈两端尾纤，并与波导芯片模式中心轴基准配合。

5.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤陀螺，其特征在于：绕制光纤环圈的空芯反谐振光纤采用两层嵌套6管式结构或三层嵌套6管式结构。

6.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤陀螺，其特征在于：所述的光源采用DFB激光器，中心波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW。

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