CN112129279A - 光纤陀螺的光信号增程设计结构及小型化高精度的光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺的光信号增程设计结构及小型化高精度的光纤陀螺，在全保偏闭环光纤陀螺的结构基础上，在Y波导集成光学相位调制器和光纤环圈之间增设两只偏振合/分束器；Y波导集成光学相位调制器的两输出尾纤分别与偏振合/分束器1的分束端对应于O光轴的尾纤及偏振合/分束器2的分束端对应于E光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的分束端对应于E光轴的尾纤和偏振合/分束器2的分束端对应于O光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的合束端尾纤和偏振合/分束器2的合束端尾纤分别与光纤环圈两端的尾纤通过对轴保偏的方式熔接。本发明提高了光纤陀螺的精度，实现了高精度小型化陀螺设计。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种光纤陀螺的光信号增程设计结构及小型化高精度的光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，基于光纤陀螺的捷联式惯性导航系统广泛应用于航天航空、舰艇导航等领域。随着高精度惯导技术发展，提高光纤陀螺精度的需求日益迫切。但由光纤陀螺工作原理可以知道，提高光纤陀螺精度需要增加绕制光纤的长度和环圈的直径，这给光纤环圈绕制带来较大的难度，目前光纤拉制厂家正在尝试将光纤的纤径进一步降低，绕制相同长度的光纤可以减小体积，这进一步增加了绕环的难度。另一方面，增加光纤长度和环圈直径使得敏感环圈的热场分布更为复杂，影响陀螺温度性能的shupe误差同时变得不易消除，造成高精度陀螺难以实现工程化应用。在对陀螺体积有要求的应用场景，限于陀螺的体积限制了光纤陀螺的应用。
现阶段光纤陀螺基本都采用保偏闭环方案，绕制环圈的光纤以熊猫型保偏光纤为主，保偏光在该种光纤中有两个传输途径，分别对应快轴和慢轴，这两种途径都具备保偏能力，已有的光纤陀螺的光信号仅选择了一个传输路径，快轴或慢轴，另外一个路径无信号传输。
光纤陀螺可通过增加调制深度、加大光源功率、采用宽谱光源等技术手段提升精度，已有工程化的光纤陀螺基本都应用了上述手段，陀螺精度提升达到了一个瓶颈。急需技术突破，进一步提升光纤陀螺的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种光纤陀螺的光信号增程设计结构及小型化高精度的光纤陀螺。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：
一种光纤陀螺的光信号增程设计结构，其特征在于：在全保偏闭环光纤陀螺的结构基础上，在Y波导集成光学相位调制器和光纤环圈之间增设两只偏振合/分束器，分别为偏振合/分束器1和偏振合/分束器2；
Y波导集成光学相位调制器的两输出尾纤分别与偏振合/分束器1的分束端对应于O光轴的尾纤及偏振合/分束器2的分束端对应于E光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的分束端对应于E光轴的尾纤和偏振合/分束器2的分束端对应于O光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的合束端尾纤和偏振合/分束器2的合束端尾纤分别与光纤环圈两端的尾纤通过对轴保偏的方式熔接。
进一步的：对轴保偏熔接的对轴角度小于0.5°。
一种小型化高精度的光纤陀螺，包括光源、耦合器、Y波导集成光学相位调制器、光纤环圈、探测器和调制解调线路板；其特征在于：还包括偏振合/分束器1和偏振合/分束器2，两偏振合/分束器1和偏振合/分束器2按照上述方式连接于Y波导集成光学相位调制器和光纤环圈之间。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明打破了传统光纤陀螺光路设计，提出了一种新的光路方案，通过在原有光路设计基础上增加一种常用器件——偏振合/分束器，实现了传感器的光信号在光纤环圈中平行、垂直偏振光交替环形连续传输两次后再进行干涉，提高了陀螺传感增益，理论上可以提高陀螺精度一倍。
2、采用本发明增程设计结构，无需降低光纤环圈的纤径及增加光纤长度，从而简化了高精度陀螺环圈的绕制难度。
3、本发明在不增加光纤环圈体积的情况下，提高了光纤陀螺的精度，实现了高精度小型化陀螺设计。
4、本发明还具有方案简洁、易于实施的优点。
附图说明
图1是现有全保偏闭环光纤陀螺的工作原理框图；
图2是现有偏振和分束器工作原理框图；
图3是本发明保偏光纤快慢轴复用传输的技术方案图。
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。
本发明涉及一种将光信号在光纤环的保偏光纤中快慢轴复用传输的方法，打破传统光纤陀螺光路设计，提出了一种新的光路方案。现结合现有全保偏闭环光纤陀螺的工作原理及现有偏振和分束器工作原理，对本发明技术方案详细分析如下：
图1是全保偏闭环光纤陀螺经典方案示意图，其核心部分主要包括光源、耦合器、Y波导集成光学相位调制器、光纤环圈、探测器等光学元件和调制解调线路板(进行信号处理)。基本原理如下所述：
光源发出的光先经过耦合器，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，经过Y波导偏振器后变成线偏振光，线偏振光再经过Y波导分支后分成两束光，分别从两端进入光纤环圈。当这两束沿相反方向传输的光汇合时产生干涉效应，此干涉光中包含了由Sagnac效应而产生的相移Φs，以及由相位调制器引入的调制相位ΔΦm。将探测器探测出来的电信号经过适当的信号处理后即可得到陀螺的旋转角速度Ω。
由Sagnac效应可以得到陀螺解调相位与输入角速率之间的关系。
式中：Φ为陀螺敏感相位；L光传输路径长度；D光纤环圈等效直径；λ为光信号的平均波长；C为光在真空中的速率。
图2是偏振合/分束器(PBS/PBC)的工作原理图。偏振合/分束器端口1沿慢轴方向偏振光(垂直方向)输出至偏振合/分束器端口3的保偏光纤，其偏振方向仍然沿保偏光纤的慢轴方向(垂直方向)传输；偏振合/分束器端口2沿慢轴方向的偏振光(水平方向)输出至偏振合/分束器端口3的保偏光纤后，其偏振方向沿保偏光纤的快轴方向(水平方向)传输。
图3是本发明光信号在保偏光纤快慢轴复用传输的技术方案，是在原陀螺设计方案中增加两只偏振合/分束器(PBS/C)，将两只偏振合/分束器分别放置于相位调制器和光纤环圈之间，光路设计方案如图3所示，其中相位调制器为慢轴起偏，对应的偏振合/分束器如图2所示；若相位调制器为快轴起偏，则图2中的偏振合/分束器1、2端口的偏振光方向需要沿快轴方向传输。该方案中要求相位调制器分别与偏振合/分束器1的1端口尾纤(可称为：分束端对应于O光轴的尾纤)和偏振合/分束器2的2端口尾纤(可称为：分束端对应于E光轴的尾纤)熔接时需要对轴保偏熔接，另外需要对轴保偏熔接的尾纤还包括偏振合/分束器1的2端口尾纤(可称为：分束端对应于E光轴的尾纤)与偏振合/分束器2的1端口的尾纤(可称为：分束端对应于O光轴的尾纤)熔接、两只偏振合/分束器的3端口尾纤(即合束端尾纤)与光纤环圈两端的尾纤熔接，要求对轴角度小于0.5°。
光纤环圈快慢轴复用传输技术方案的具体工作原理如下：光信号经相位调制器起偏沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输，偏振光信号一路经偏振合/分束器1的1端口输入，由3端口输出至保偏光纤的慢轴(或快轴)，再输入到光纤环圈的慢轴(或快轴)沿顺时针方向传输，经偏振合/分束器2的3端口输出至1端口，再次经过偏振合/分束器1的2端口传输至3端口保偏光纤的快轴(或慢轴)，然后沿顺时针光纤环圈的快轴(或慢轴)传输到偏振合/分束器2的3端口，由第二偏振分束器的2端口输出，偏振光信号沿保偏光纤的慢轴(或快轴)回到相位调制器；相位调制器输出的另一路偏振光信号同理先后两次经过光纤环圈(逆时针)回到相位调制器。两束光同时到达相位调制器进行干涉。
使用该技术方案，Sagnac效应可以得到陀螺解调相位与输入角速率之间的关系改变为
因光信号两次经过光纤环圈，因此光纤的传输路径增大一倍，相当于L增加一倍，Sagnac效应产生的相位变化增大一倍，理论上该方案可以提高一倍的陀螺精度。
综上，本光纤陀螺的光信号增程设计结构及采用该增程设计结构的光纤陀螺，采用了光信号在保偏光纤快慢轴复用传输的技术方案，达到了光纤环圈光程倍增的目的，该技术方案在光纤陀螺中的应用具有以下优点：
1、提升陀螺精度；
2、简化了高精度陀螺环圈的绕制难度；
3、可以实现高精度小型化陀螺设计；
4、方案简洁、易于实施。
此外该技术方案还可以扩展应用于其他需要长光纤的传感类系统。
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 (3)
1.一种光纤陀螺的光信号增程设计结构，其特征在于：在全保偏闭环光纤陀螺的结构基础上，在Y波导集成光学相位调制器和光纤环圈之间增设两只偏振合/分束器，分别为偏振合/分束器1和偏振合/分束器2；
Y波导集成光学相位调制器的两输出尾纤分别与偏振合/分束器1的分束端对应于O光轴的尾纤及偏振合/分束器2的分束端对应于E光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的分束端对应于E光轴的尾纤和偏振合/分束器2的分束端对应于O光轴的尾纤采用对轴保偏的方式熔接；偏振合/分束器1的合束端尾纤和偏振合/分束器2的合束端尾纤分别与光纤环圈两端的尾纤通过对轴保偏的方式熔接。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺的光信号增程设计结构，其特征在于：对轴保偏熔接的对轴角度小于0.5°。
3.一种小型化高精度的光纤陀螺，包括光源、耦合器、Y波导集成光学相位调制器、光纤环圈、探测器和调制解调线路板；其特征在于：还包括偏振合/分束器1和偏振合/分束器2，两偏振合/分束器1和偏振合/分束器2按照权利要求1或2所述的方式连接于Y波导集成光学相位调制器和光纤环圈之间。
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