CN114234954A - 双倍增敏光路集成光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，包括光路基板，光路基板上集成有光源、探测器、条波导调制器、光纤环、膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D，其中，所述起偏器与偏振分束器的偏振轴呈45度，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接。本发明在传统光路的基础上，引入偏振分束器、波片等器件，通过偏振转换的方案实现光程加倍，以加倍敏感性，将以上技术结合，制作双倍增敏光路集成光纤陀螺，可同时实现陀螺的集成化、小型化、低成本与高精度。

Description

双倍增敏光路集成光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种双倍增敏光路集成光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速度，是运动载体姿态控制和运动轨迹推算的核心传感器，被广泛的应用于飞行导航、汽车自动驾驶、机器人控制等多项重要领域。随着应用领域的拓展、市场规模的扩大以及光纤陀螺自身技术的发展，在高精度基础上实现低成本与小型化并可规模化生产，成为研究者追求的重要趋势。

光纤陀螺技术源自光学Sagnac效应，其干涉相位

可由下式表示：

；

其中L为光纤的长度，D为光纤环的直径，λ为光源真空中的波长，c为真空中的光速，Ω为载体旋转角速度。由此可知，增长光纤有利于提升陀螺的灵敏度。但这无疑会增加陀螺的体积和成本。

保偏光纤中存在两个偏振面相互垂直的本征偏振态。光在保偏光纤环中一般沿其中的一个本征偏振态传输，即以S波或以P波的形式传输。若能控制光的偏振态让光先沿一个偏振态传输一圈，再沿另一个偏振态传输一圈，则可等效为将光程增加了1倍，从而在不增加光纤长度的情况下将陀螺的光学敏感性增加一倍。之前学者提出了偏振分束器加法拉第磁光反射镜的方案，可以实现光程的等效翻倍。但磁光器件价格高，且体积大，特别是针对小体积陀螺习惯采用850nm短波长系统，限于材料的磁光效应，体积巨大，这限制了此方案的实际应用。

此外，传统的光纤陀螺其光路系统多采用分立的光学元件逐一熔接而成，优点是方案灵活，但也带来体积大，器件价格昂贵的缺点，且分立器件逐一依赖手工熔接，难以组织规模化生产，此种生产模式与光纤陀螺爆发式的需求不匹配，需要提升光纤陀螺的集成化程度。

近年来，一种集成光学器件在光通讯领域广泛采用。此种器件通过光纤准直器将光纤中的光准直入空间光路。在准直器的瑞利长度之内，将微缩至毫米甚至亚毫米级的多个光路功能器件逐一安装在低膨胀基板之上，并整体气密封装，形成统一的光器件，解决了光路系统的小型化问题。同时，此种微小型光学器件一般采用规模化生产工艺如扩散、镀膜等方案制作而成，且装配过程多依赖自动化设备，因此在解决了规模化生产的同时，大幅降低了光路成本。整体的气密封装也有利于系统可靠性及稳定性的提升。此方案一般采用器件线性排布的一维光路，在陀螺中用之甚少。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，以实现陀螺的小体积、低成本以及高精度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，包括光路基板，光路基板上集成有光源、探测器、条波导调制器、光纤环，光路基板上还集成有膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D，其中，所述起偏器放置于偏振分束器的入口处，且与偏振分束器的偏振轴呈45度以及与膜片式耦合器的直通端口相对应；准直器A和准直器B分别对应设在膜片式耦合器的入口端和反射端处，准直器D对应设在偏振分束器的直通端口处，波片和准直器C分别对应设在偏振分束器的两侧的出口处，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接，反射镜与波片对应平行设置。

进一步地，所述波片为由一片双折射晶体制成的1/4延迟波片。

进一步地，所述条波导调制器的调制频率满足下式：

；

K为条波导调制器的调制频率，c为真空中光速，n为有效折射率，L为光纤长度，

为 光在光纤中单程渡越时间。

进一步地，所述偏振分束器采用微缩棱镜式或线栅式分束器，分束器消光比大于25dB。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过在陀螺光路中引入偏振分束器、波片等器件低成本的实现偏振复用，以达到双倍光程效果，在保证陀螺高精度的同时降低陀螺体积与成本。

2、本发明采用集成微光学方案，依照陀螺光路特点，将陀螺所用无源光器件微缩集成至统一的低膨胀基板，完成集成封装的陀螺集成光器件，缩小陀螺体积，利于陀螺规模化生产，从而大幅降低陀螺成本。

3、本发明结构紧凑，稳定性高，易于装配，且可应用于多种波长系统和多精度陀螺。

附图说明

图1是本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的光路结构图。

图2是本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的相位及偏振演化示意图。

图3是本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的偏振合光示意图。

图4是本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的调制示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1，本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺包括光路基板，光路基板上集成有集成光路。本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的光路由集成光路结合光源、探测器、条波导调制器、光纤环、膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D组成。

本发明采用微光学集成技术，将光纤陀螺分立的无源光学器件采用微光学器件替代，集成封装在统一的低热膨胀基板上，并在传统光路的基础上，引入偏振分束器、波片等器件，通过偏振转换的方案实现光程加倍，以加倍敏感性，将以上技术结合，制作双倍增敏光路集成光纤陀螺，可同时实现陀螺的集成化、小型化、低成本与高精度。

起偏器放置于偏振分束器的入口处，且与偏振分束器的偏振轴呈45度以及与膜片式耦合器的直通端口相对应；准直器A和准直器B分别对应设在膜片式耦合器的入口端和反射端处，准直器D对应设在偏振分束器的直通端口处，波片和准直器C分别对应设在偏振分束器的上下两侧出口处，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接，反射镜与波片对应平行设置。反射镜可将PBS出射的光反射回PBS，并改变入射光的手性，即左旋圆偏光变为右旋圆偏光。本发明根据光纤陀螺光路结构特点，结合光路集成工艺，选用微光学器件，设计二维集成光路，并在光路中集成偏振分束器、延迟波片等器件，结合合理的角度设计，实现双倍偏振光程的集成光纤陀螺，以实现陀螺的小体积、低成本以及高精度。

光路基板采用低膨胀的光路基板。本发明实施例的四个光纤准直器，实现光源、探测器、光纤环两臂与集成光路的对准与耦合；各准直器的参数依照光纤模场、工作波长、及工作距离确定，具体参数需采用Zemax等光学仿真软件仿真及实验获得。

膜片式耦合器实现分光与合光。起偏器（即偏振器）可依照工作波长设计。偏振分束器（即PBS）可将任意偏振态的光依据偏振特性分离。譬如一种工作形态为：反射光为s波，透射光为p波。本发明通过在光路中引入偏振分束器、镀膜波片等器件，让光在光纤环中分别以S偏振态、P偏振态各经过一遍，以实现光程的加倍，从而使陀螺的敏感性加倍。在光路中利用反射面改变光偏振手性，使S态与P态互换，以实现光路的完全对称，即光路的互易，以增强光路的稳定性。

作为一种实施方式，波片为由一片双折射晶体制成的1/4延迟波片。在该波片上，两个偏振态的延迟为1/4工作波长，该波片在光学系统中的主要作用是将线偏振光转换为圆偏振光，或将圆偏振光转换为线偏振光。其中p光经1/4波片变为右旋圆偏光，s光经1/4波片变为左旋圆偏光，反之亦然。

本发明在光路中引入反射改变光偏振手性，使S态与P态互换，以实现光路的完全对称，即光路的互易，以增强光路的稳定性。

具体实施时，本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的核心部件为采用微光学集成封装的陀螺专用集成光路。本发明采用微光学工艺将这些器件微缩至毫米量级，并将其根据光路构型集成封装于统一的、低热膨胀的基板之上，并整体水密封装，以形成低成本、小体积、高可靠、高集成度的集成式光纤陀螺。

在该集成光路具体设计及加工时，4只光纤准直器（准直器A、准直器B、准直器C及准直器D）可以为依照工作波长等参数设计的G-Lens或C-Lens。膜片耦合器依照光通讯成熟耦合器方案设计而成。

起偏器（即偏振器）采用线栅或二向色类型偏振器以便于器件装配。在偏振器装配过程中将偏振器偏振主轴45°放置。

偏振分束器采用微缩棱镜式或线栅式分束器，分束器消光比应大于25dB。1/4波片由特定长度的双折射晶体制成，装配时主轴45°放置。可在1/4波片背面直接镀制金属膜实现反射功能，亦可安装专用的反射镜。

以上所有器件均需安装在准直器的准直工作距离之内，所有器件的设计及安装位置可由Zemax等光学设计软件完成。器件的装配通过精密位移台手工或自动完成，装配时监控光功率，通过光功率反馈实现器件的精确对准。二维装配时，需在二维尺度上增加精密位移台，以同步完成二维器件的装配。

集成光路装配完成后，可选用玻璃、金属、陶瓷等材料对器件进行整体气密封装，以保证器件的长期稳定。

依照图1所示光路，完成该集成光路与光源、探测器、光纤环等其它器件的熔接，以实现陀螺功能，依照图4所示的调制周期完成陀螺的调制与解调。

本发明实施例的双倍增敏光路集成光纤陀螺的工作原理如下：

光源发出的光经尾纤被集成光路的准直器准直，入射至膜片耦合器。透射光入射至起偏器，被滤波成线偏振光，将该起偏器与PBS偏振轴呈45度放置。则该线偏振光在PBS上等振幅投影，其中1/2为s波，1/2为p波。以下分别描述该s波和p波的传输路径。

s波被PBS反射，进入光纤环的逆时针通道，经过调制器回到PBS的反射面，被反射至1/4波片，该1/4波片主轴与PBS偏振主轴呈45度放置，由此该s波被转换为左旋圆偏光，后经反射镜依照原路径返回，并转换为右旋圆偏光，经1/4波片转换为p波。p波经PBS透射，又一次进入光纤环的逆时针通道，经调制器回到PBS的透射通道，透射回主光路。

同理，p波由，PBS透射，进入光纤环的顺时针通道，经过调制器回到PBS的透射口，透射至1/4波片，该p波被转换为右旋圆偏光，后经反射镜依照原路径返回，并转换为左旋圆偏光，经1/4波片转换为s波。s波经PBS反射，又一次进入光纤环的顺时针通道，经调制器回到PBS的反射通道，反射回主光路。

由于Sagnac效应为顺逆两束光的干涉，在无转速输入时，顺逆两束光应完全互易。顺逆两束光的路径及偏振演化如图2所示。

由图2可知，顺逆两束光均经过了2次PBS反射，2次PBS透射，1次S波与P波的互换，包含调制器的光纤环中均各自通过了一次S波和一次P波。因此，顺逆两束光路径完全一致，满足互易性要求。且均两次通过光纤环，实现了光程的倍增。

经PBS回主光路携带顺时针相位信息的S波和携带逆时针相位信息的P波，经45度 放置的偏振器实现偏振相干合光，从而提取干涉相位信息，实现陀螺旋转监测，偏振合光示 意图如图3所示，Sagnac相移会导致合束的光的偏振在回到偏振器之前变成椭圆偏振光，图 3中a，b分别为椭圆的长轴和短轴，X可用来表征椭圆的椭度，

。由于光路的损耗是互 易，顺时针的S波和逆时针的P波的强度一致，导致合束的椭圆光的长轴与偏振器的透光轴 方向一致，椭圆的椭度由包含Sagnac相移在内的顺逆两束光的相位差决定，如下式所示。

；

上式中，Φ为旋转产生的Sagnac相位差及调制相位差之和。

该从主光路反射回来的椭圆偏振光进过偏振器后，由于椭圆的长轴与偏振器的透光轴方向一致，经过偏振器后的光的强度为椭圆光长轴的光强，其与Sagnac相移的关系如下式所示，

；

其中I为通过偏振器后的光强，I_c为顺时针光强度，I_cc为逆时针光强度，光路互易时候，两者相等。

为将相位信息有效提取，需实现陀螺仪的调制与解调。如图1所示，本发明在光纤环的一臂靠近PBS处加入条形电光调制器。并在调制器上增加方波或阶梯波电压以实现干涉相位的调控，此双倍光程的光纤陀螺的调制频率应采用加倍前，及单光程本征频率进行调制。

；

K为调制频率，c为真空中光速，n为有效折射率，L为光纤长度，

为光在光纤中单 程渡越时间。1个调制过程由两个单程组成，其调制过程如图4所示：

调制深度为普通单程光纤陀螺的一半，例如，若单程光纤陀螺选择调制深度为3/4π，则双倍光程陀螺应选择为3/8π，此方案由利于降低调制器的半波电压。

本发明在光路中引入条形电光调制器，基于光程加倍提出与之相适应的倍频闭环调制解调算法。

本发明依据陀螺架构形成二维集成光路，并在传统陀螺光路基础上，引入偏振分束器、波片等偏振元件，控制偏振态在保偏光纤环中的传输，使光纤环中顺逆两束光，分别接续完成两偏振态的传输，并通过反射改变偏振手性实现偏振态的互换，以实现全互易光路。相比于传统仅支持一种偏振态传输的光纤陀螺，其光程增加了1倍，在未增长光纤的情况下，将陀螺的光学灵敏度增加一倍。同时，本发明依据双倍增敏光路特点，引入条形电光调制器，基于光程加倍提出与之相适应的倍频闭环调制解调算法，形成完整的光纤陀螺。本发明利用全新的陀螺架构及集成光路设计，实现了光纤陀螺高精度下的小体积与低成本。

本发明的技术方案适用于850nm，1310nm，1550nm等各波段多精度光纤陀螺。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，包括光路基板，光路基板上集成有光源、探测器、条波导调制器、光纤环，其特征在于，光路基板上还集成有膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D，其中，所述起偏器放置于偏振分束器的入口处，且与偏振分束器的偏振轴呈45度以及与膜片式耦合器的直通端口相对应；准直器A和准直器B分别对应设在膜片式耦合器的入口端和反射端处，准直器D对应设在偏振分束器的直通端口处，波片和准直器C分别对应设在偏振分束器的两侧的出口处，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接，反射镜与波片对应平行设置。

2.如权利要求1所述的双倍增敏光路集成光纤陀螺，其特征在于，所述波片为由一片双折射晶体制成的1/4延迟波片。

3.如权利要求1所述的双倍增敏光路集成光纤陀螺，其特征在于，所述条波导调制器的调制频率满足下式：

；

K为条波导调制器的调制频率，c为真空中光速，n为有效折射率，L为光纤长度，

为光在光纤中单程渡越时间。

4.如权利要求1所述的双倍增敏光路集成光纤陀螺，其特征在于，所述偏振分束器采用微缩棱镜式或线栅式分束器，分束器消光比大于25dB。

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