CN113566806A - 单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统及数字信号处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统及数字信号处理系统，光信号从第一保偏光纤接口输入，依次经过第一非球面透镜、第一分光镜、平面分束镜的下表面和平面分束镜的上表面，随后一部分光束透射输出至第二分光镜和第五非球面透镜，一部分光束反射至第三非球面透镜通过第二空芯光子晶体光纤接口耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔，在空芯光子晶体光纤谐振腔内传输一周后从第一空芯光子晶体光纤接口出射，经过第四非球面透镜和平面分束镜的上表面，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔，另一部分光束再次反射至第二分光镜和第五非球面透镜形成多光束干涉，并通过第二保偏光纤接口输出，形成顺时针光路，反之为逆时针光路。
Description
技术领域
本申请涉及空芯光子晶体光纤和光纤传感技术领域，尤其涉及一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统及数字信号处理系统。
背景技术
谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器，通过检测由Sagnac效应产生的谐振频率差实现角速度的高精度测量，是目前光纤陀螺领域研究的热点。传统谐振式光纤陀螺使用的是实芯保偏光纤，但目前仍存在实验室样机阶段，还未实现量产，主要原因是光学克尔噪声、偏振噪声以及背向散射噪声等光学噪声严重限制了系统检测精度。
空芯光子晶体光纤中光传输基于光子带隙效应，它可以将光束束缚在空气中而非介质中传输，并且由于有独特的能隙结构，在弯曲时有着比普通石英光纤环更低的弯曲损耗，并可大大降低光克尔效应等各种非互易性效应和光纤本身的环境敏感性所引起的偏振误差，为谐振式光纤陀螺的高精度稳定输出提供了十分有利的技术途径。
在空芯光子晶体光纤谐振腔中，采取传统融接耦合方案，融接时高温会导致空芯光纤结构坍缩，造成较大的耦合损耗及背向散射噪声。因此探究低损耗低光学噪声的空芯光子晶体光纤谐振腔耦合方案成了其应用在谐振式光纤陀螺中的关键问题。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统及数字信号处理系统，应用于空芯光子晶体光纤谐振陀螺中，以提升陀螺系统检测精度，解决现有耦合技术中存在的损耗大、光学噪声干扰的问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，应用于空芯光子晶体光纤谐振陀螺中，包括第一保偏光纤接口、第一非球面透镜、第一分光镜、第三非球面透镜、平面分束镜、第四非球面透镜、第二分光镜、第五非球面透镜、第二保偏光纤接口、第一空芯光子晶体光纤接口、第二空芯光子晶体光纤接口、空芯光子晶体光纤谐振腔，其中：
光信号从第一保偏光纤接口输入，依次经过第一非球面透镜、第一分光镜、平面分束镜的下表面和平面分束镜的上表面，随后一部分光束透射输出至第二分光镜和第五非球面透镜，一部分光束反射至第三非球面透镜通过第二空芯光子晶体光纤接口耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔，在空芯光子晶体光纤谐振腔内传输一周后从第一空芯光子晶体光纤接口出射，经过第四非球面透镜和平面分束镜的上表面，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔，另一部分光束再次反射至第二分光镜和第五非球面透镜形成多光束干涉，并通过第二保偏光纤接口输出，形成第一顺时针CW光路；
或，光信号从第二保偏光纤接口输入，依次经过第五非球面透镜、第二分光镜、平面分束镜的上表面和平面分束镜的下表面，随后部分光束透射输出至第一分光镜和第一非球面透镜，部分光束反射至第四非球面透镜通过第一空芯光子晶体光纤接口耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔，在空芯光子晶体光纤谐振腔内传输一周后第二空芯光子晶体光纤接口出射，经过第三非球面透镜、平面分束镜的下表面和平面分束镜的上表面，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔，另一部分光束再次反射至第一分光镜和第一非球面透镜形成多光束干涉，并通过第一保偏光纤接口输出，形成第一逆时针CCW光路。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种空芯光子晶体光纤陀螺的数字信号处理系统，包括第一方面所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统、可调谐激光器Tunable Laser、相位调制器PM0、PM1、PM2、分束器C1、强度调制器IM1和IM2、光纤环形器C2和C3、保偏光纤接口PMF1和PMF2、光电探测器PD1、PD2、PD3和PD4、数字锁相放大器DLIA1和DLIA2、比例积分PI反馈模块；
所述的可调谐激光器Tunable Laser发出的光通过相位调制器PM0后由信号分束器C1进行分束，得到第二顺时针CW路光和第二逆时针CCW路光；其中：
所述第二顺时针CW路光依次进入相位调制器PM2、强度调制器IM2、光纤环形器C3、保偏光纤接口PMF1、第一顺时针CW光路、保偏光纤接口PMF2，随后经过光纤环形器C2传输至光电探测器PD4中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA2进行同步解调，解调结果输出至比例积分PI反馈模块，控制可调谐激光器将CW路光频率锁定在该路谐振峰上；
所述第二逆时针CCW路光依次进入相位调制器PM1、强度调制器IM1、光纤环形器C2、保偏光纤接口PMF2、第一逆时针CCW路光、从保偏光纤接口PMF1，随后经过光纤环形器C3传输至光电探测器PD2中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA1进行同步解调，解调结果即为系统输出；
可选的，还包括光电探测器PD1和PD3，所述光电探测器PD1和PD3分别将CW和CCW方向入腔光功率波动情况转换成电信号并通过比例积分PI反馈模块控制强度调制器IM1和IM2，控制两路入腔光功率相等。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，应用于空芯光子晶体光纤谐振陀螺中，为空芯光子晶体光纤谐振腔提供低损耗、低光学噪声的耦合方案。因为非球面透镜的使用，所以能够将空间中传输的光束聚焦、耦合进光纤，进而减小了耦合损耗。由于系统中采用的平面分束镜下表面镀有偏振分束膜，所以谐振腔内每一圈传输光经过该表面后仅有主偏振光透射继续在腔内传输，保证了单一本征偏振态传输，进而有效抑制了系统的偏振噪声。通过第一、第二分光镜将入腔部分光信号分束至第二非球面透镜和第六非球面透镜，最后耦合至第一光电探测器和第二光电探测器中，所以能够对顺逆两路光功率进行监控，并通过强度调制器IM1和IM2对顺逆两路入腔光功率进行反馈控制，进而可抑制两路传输光功率不一致导致的光学克尔噪声。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明实施例中低光学噪声空间耦合系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中光路传输示意图，其中(a)是第一顺时针CW光路图，(b)是第一逆时针CCW光路图；
图3是本发明实施例中7芯空芯光子晶体光纤示意图；
图4是本发明实施例中空芯光子晶体光纤谐振陀螺数字信号处理系统；
图5是本发明实施例中空芯光子晶体光纤谐振陀螺数字信号处理板结构图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
实施例1：
图1是本发明实施例提供的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统的结构示意图，该低光学噪声空间耦合系统，包括第一保偏光纤接口1、第一非球面透镜2、第一分光镜3、第二非球面透镜4、第一光电探测器5、第三非球面透镜6、平面分束镜、第四非球面透镜9、第二分光镜10、第五非球面透镜11、第六非球面透镜12、第二光电探测器13、第二保偏光纤接口14、第一空芯光子晶体光纤接口15、第二空芯光子晶体光纤接口16、空芯光子晶体光纤谐振腔17。其中，六组非球面透镜直径为4.7mm、焦距为6.2mm，两组分光镜分光比均为0.9，平面分束镜上表面8反射膜的反射系数k0＝0.95，平面分束镜厚度为3mm。
本实施例中，系统中光路分为第一顺、逆时针两路，如图2中的(a)所示，给出了顺时针CW方向光传输光路图。光信号从第一保偏光纤接口1输入，依次经过第一非球面透镜2、第一分光镜3、平面分束镜下表面7和平面分束镜上表面8，随后一部分光束透射输出至第二分光镜10和第五非球面透镜11，一部分光束反射至第三非球面透镜6通过第二空芯光子晶体光纤接口16耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔17，在空芯光子晶体光纤谐振腔17内传输一周后从第一空芯光子晶体光纤接口15出射，经过第四非球面透镜9和平面分束镜上表面8，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔17，另一部分光束再次反射至第二分光镜10和第五非球面透镜11形成多光束干涉，并通过第二保偏光纤接口14输出，形成顺时针CW光路。
图2中的(b)为逆时针CCW光路图，光信号从第二保偏光纤接口14输入，依次经过第五非球面透镜11、第二分光镜10、平面分束镜上表面8和平面分束镜下表面7，随后部分光束透射输出至第一分光镜3和第一非球面透镜2，部分光束反射至第四非球面透镜9通过第一空芯光子晶体光纤接口15耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔17，在空芯光子晶体光纤谐振腔17内传输一周后第二空芯光子晶体光纤接口16出射，经过第三非球面透镜6、平面分束镜下表面7和平面分束镜上表面8，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔17，另一部分光束再次反射至第一分光镜3和第一非球面透镜2形成多光束干涉，并通过第一保偏光纤接口1输出，形成逆时针CCW光路。
本实施例中，所述的空芯光子晶体光纤示意图如图3所示，包括涂覆层18、空芯包层19和空芯20，其中空芯为7芯结构，空芯直径为10um，模场直径为9um，工作在1550nm波段的传输损耗为30dB/km，其中大于95％能量的光束缚在空气中传输。
本实施例中，使用单个平面分束镜即实现了谐振腔耦合功能，相较于多分束镜耦合系统，减小了传输过程中端面反射等因素造成的损耗；与此同时，平面分束镜下表面上镀有偏振分束膜，保证谐振腔内单一本征偏振态传输，有效抑制系统偏振噪声；第一分光镜3和第二分光镜10将入腔部分光信号分束至第一光电探测器5和第二光电探测器13中进行监控并通过光功率控制器件对顺逆两路入腔光功率进行反馈控制，抑制光学克尔噪声；空芯光子晶体光纤谐振腔的应用能够减小非线性光学效应和光纤本身的环境敏感性所引起的偏振误差，保证谐振式光纤陀螺的高精度稳定输出。
实施例2：
本实施例提供了一种空芯光子晶体光纤陀螺的数字信号处理系统，该方法基于实施例1所述的低光学噪声空间耦合系统，如图4所示，包括可调谐激光器Tunable Laser，所述可调谐激光器Tunable Laser发出的光通过相位调制器PM0后由信号分束器C1进行分束，得到第二顺时针CW路光和第二逆时针CCW路光，其中第二顺时针CW路光依次进入相位调制器PM2、强度调制器IM2、光纤环形器C3、保偏光纤接口PMF1(对应图1中第一保偏光纤接口1)，随后经过图1所示的空间耦合系统进入空芯光子晶体谐振腔17中，多光束干涉结果从保偏光纤接口PMF2(对应图1中第二保偏光纤接口14)输出，随后经过光纤环形器C2传输至光电探测器PD4中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA2进行同步解调，解调结果输出至比例积分PI反馈模块，控制可调谐激光器将CW路光频率锁定在该路谐振峰上。
逆时针CCW路光依次进入相位调制器PM1、强度调制器IM1、光纤环形器C2、保偏光纤接口PMF2(对应图1中第二保偏光纤接口14)，随后经过图1所示的空间耦合系统进入空芯光子晶体谐振腔17中，多光束干涉光束从保偏光纤接口PMF1(对应图1中第一保偏光纤接口1)输出，随后经过光纤环形器C3传输至光电探测器PD2中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA1进行同步解调，解调结果即为系统输出。
本实施例中，所述的强度调制器IM1和IM2是光功率反馈的执行器件，图1中光电探测器5和13将CW和CCW方向入腔光功率波动情况转换成电信号并通过比例积分PI反馈模块控制强度调制器IM1和IM2，使得两路入腔光功率控制相等，从而抑制由于两传输方向光功率不一致导致的光学克尔噪声。
本实施例中，所述的相位调制器PM0上施加互易性正弦调制信号V0＝M0sin(2πf0t)，该信号用于CW和CCW路信号的调制解调，即数字锁相放大器DLIA1和DLIA2的参考信号均为频率为f0的正弦信号。互易性正弦调制技术中顺逆两路光用于角速度检测的正弦调制信号施加在同一个相位调制器上，可以避免由于不同相位调制器工作时残余强度调制的不同而造成的非互易性误差。
本实施例中，所述的相位调制器PM1和PM2上分别施加正弦调制信号V1＝M1sin(2πf1t)和V2＝M2sin(2πf2t)，且f0≠f1≠f2，此处两组正弦调制信号不用于信号的调制解调，作用为保证CW和CCW两路光信号中各载波分量频率错开，可抑制背向散射噪声。
本实施例中，所述的数字锁相放大器DLIA1和DLIA2是基于可编程逻辑阵列数字信号处理板(FPGA)的解调算法，其由相敏检测单元(PSD)以及低通滤波器(LPF)组成。数字锁相放大器相较于模拟锁相放大器而言，其不需要额外的电路元器件，均是通过FPGA数字处理板中的算法实现，减小了系统信号处理板的尺寸。
本实施例中，所述的FPGA数字信号处理板，如图5所示，包括数模转换器ADC1、ADC2、ADC3、ADC4，模数转换器DAC0、DAC1、DAC2、DAC3、DAC4，信号发生器SG0、SG1、SG2，数字锁相放大器DLIA1、DLIA2，比例积分反馈模块PI1、PI2、PI3。其中信号发生器SG0、SG1、SG2分别产生频率为f0、f1、f2的正弦调制信号并通过数模转换器DAC0、DAC1、DAC2转换成模拟电压信号施加在相位调制器PM0、PM1、PM2上；模数转换器ADC1和ADC3将光电探测器PD1和PD3输出的两路光入腔光功率信号转换成数字信号，输入至比例积分反馈模块PI1和PI3，随后通过数模转换器DAC5和DAC6转换成电压信号控制强度调制器IM2和IM1进行光功率闭环反馈；模数转换器ADC2和ADC4将光电探测器PD2和PD4输出的谐振信号转换成数字信号，并通过数字锁相放大器DLIA1和DLIA2进行同步解调，DLIA2解调结果输入至比例积分反馈模块PI2，随后控制信号通过数模转换器DAC4转换成电压信号对可调谐激光器进行锁频，DLIA1解调结果则作为系统输出。
在本实例中，采取了互易性正弦调制技术，将顺逆两路光用于角速度检测的正弦调制信号施加在同一个相位调制器上，可以避免由于不同相位调制器工作时残余强度调制的不同而造成的非互易性误差；与此同时，所有的算法均通过单块FPGA信号处理板实现，减小了系统电路尺寸。
由上述实施例可知，本申请提供了一种低损耗、低偏振噪声、低光学克尔噪声的空间耦合系统，可应用于空芯光子晶体光纤谐振腔中，结合互易性正弦调制技术，可进一步抑制背向散射噪声，实现低光学噪声空芯光子晶体光纤谐振陀螺系统。
具体地，空间耦合系统中采用了非球面透镜将空间光束聚焦耦合入光纤中，降低系统的耦合损耗；平面分束镜下表面镀有偏振分束膜，保证谐振腔内单一本征偏振态传输，有效抑制系统偏振噪声；基于FPGA单板的数字信号处理系统，能够减小光纤陀螺的系统尺寸，与此同时，互易性正弦调制技术则能够进一步抑制背向散射噪声。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，应用于空芯光子晶体光纤谐振陀螺中，其特征在于，包括第一保偏光纤接口、第一非球面透镜、第一分光镜、第三非球面透镜、平面分束镜、第四非球面透镜、第二分光镜、第五非球面透镜、第二保偏光纤接口、第一空芯光子晶体光纤接口、第二空芯光子晶体光纤接口、空芯光子晶体光纤谐振腔，其中：
光信号从第一保偏光纤接口输入，依次经过第一非球面透镜、第一分光镜、平面分束镜的下表面和平面分束镜的上表面，随后一部分光束透射输出至第二分光镜和第五非球面透镜，一部分光束反射至第三非球面透镜通过第二空芯光子晶体光纤接口耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔，在空芯光子晶体光纤谐振腔内传输一周后从第一空芯光子晶体光纤接口出射，经过第四非球面透镜和平面分束镜的上表面，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔，另一部分光束再次反射至第二分光镜和第五非球面透镜形成多光束干涉，并通过第二保偏光纤接口输出，形成第一顺时针CW光路；
或，光信号从第二保偏光纤接口输入，依次经过第五非球面透镜、第二分光镜、平面分束镜的上表面和平面分束镜的下表面，随后部分光束透射输出至第一分光镜和第一非球面透镜，部分光束反射至第四非球面透镜通过第一空芯光子晶体光纤接口耦合入空芯光子晶体光纤谐振腔，在空芯光子晶体光纤谐振腔内传输一周后第二空芯光子晶体光纤接口出射，经过第三非球面透镜、平面分束镜的下表面和平面分束镜的上表面，部分光束直接透射再次入空芯光子晶体光纤谐振腔，另一部分光束再次反射至第一分光镜和第一非球面透镜形成多光束干涉，并通过第一保偏光纤接口输出，形成第一逆时针CCW光路。
2.根据权利要求1所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，其特征在于，所述平面分束镜的上表面镀有反射系数为k0的反射膜，平面分束镜的下表面镀有增透膜及偏振分束膜。
3.根据权利要求1所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，其特征在于，所述的第一分光镜和第二分光镜分别将入腔部分光信号分束至第二非球面透镜和第六非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，其特征在于，空芯光子晶体光纤外向内依次包括涂覆层、空芯包层和空芯。
5.根据权利要求1所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统，其特征在于，所述空芯为7芯结构。
6.一种空芯光子晶体光纤陀螺的数字信号处理系统，其特征在于，包括权利要求1所述的一种单偏振低光学噪声空间微镜耦合系统、可调谐激光器Tunable Laser、相位调制器PM0、PM1、PM2、分束器C1、强度调制器IM1和IM2、光纤环形器C2和C3、保偏光纤接口PMF1和PMF2、光电探测器PD1、PD2、PD3和PD4、数字锁相放大器DLIA1和DLIA2、比例积分PI反馈模块；
所述的可调谐激光器Tunable Laser发出的光通过相位调制器PM0后由信号分束器C1进行分束，得到第二顺时针CW路光和第二逆时针CCW路光，其中：
所述第二顺时针CW路光依次进入相位调制器PM2、强度调制器IM2、光纤环形器C3、保偏光纤接口PMF1、第一顺时针CW光路、保偏光纤接口PMF2，随后经过光纤环形器C2传输至光电探测器PD4中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA2进行同步解调，解调结果输出至比例积分PI反馈模块；
所述第二逆时针CCW路光依次进入相位调制器PM1、强度调制器IM1、光纤环形器C2、保偏光纤接口PMF2、第一逆时针CCW路光、从保偏光纤接口PMF1，随后经过光纤环形器C3传输至光电探测器PD2中将光信号转换成电信号，最后由数字锁相放大器DLIA1进行同步解调，解调结果即为系统输出。
7.根据权利要求6所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺的数字信号处理系统，其特征在于，还包括光电探测器PD1和PD3，所述光电探测器PD1和PD3分别将CW和CCW方向入腔光功率波动情况转换成电信号并通过比例积分PI反馈模块控制强度调制器IM1和IM2，控制两路入腔光功率相等。
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