CN114459456B - 使用长波长宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用长波长宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪，属于陀螺仪领域。半导体泵浦激光器发出的光分成二束，其中一束进入第一WDM耦合器，另一束进入第二WDM耦合器。第一WDM耦合器的输出端连接第一掺铒光纤发出L波段的ASE光，经第二WDM耦合器的输入端到达第二掺铒光纤后放大，经光隔离器、滤波器、分束器进入多功能集成光学芯片，由多功能集成光学芯片将光束一分为二，两束光分别按顺、反时针方向经过光纤传感环后返回形成干涉，经过分束器、再经光电探测器变为电信号，经信号处理单元输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。本发明提供了一种具有更宽谱的高斯谱光纤光源，极大地降低了光纤陀螺的零偏稳定性和随机游走系数。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪领域，尤其涉及一种使用长波长(L波段)宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪。
背景技术
传统的使用C波段高斯谱光纤光源的光纤陀螺如图2。由半导体泵浦激光器1发出的泵浦光经第一WDM耦合器3进入掺铒光纤16发出放大自发辐射(Amplified SpontaneousEmission,ASE)光，第一WDM耦合器3的另一输入端连接反射镜15。适当选取掺铒光纤16的长度和泵浦激光器1的功率，可以产生1530nm附近的类高斯光谱，或者产生1560nm近的类高斯光谱，此C波段的类高斯谱光经过光隔离器8、再经滤波器17修正为高斯谱，此高斯谱ASE光经分束器10一分为二，其中一束进入多功能集成光学芯片11的输入端，芯片11上集成有起偏器、Y型分束器和相位调制器，芯片11中的Y分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环12后返回芯片11；下光束按逆时针方向经过光纤传感环12后返回芯片11；这二束顺时针光和反时针光由芯片11中的Y分束器合成形成干涉，经芯片11输入端至分束器10一分为二，其中一束由光电探测器13变为电信号，经过信号处理单元14，生产反馈加到芯片11中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。这种陀螺的缺点是产生高斯光谱的谱宽较窄，其中在1530nm附近的高斯谱谱宽约8nm，1560nm的高斯光谱谱宽11nm，所以有较大的零偏稳定性值和较大的随机游走系数。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种使用长波长(L波段)宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪，极大地降低光纤陀螺的零偏稳定性和随机游走系数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种使用长波长宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪，包括光源、分束器、多功能集成光学芯片、光纤传感环、光电探测器和信号处理单元；所述的光源包括半导体泵浦激光器、分束器、第一WDM耦合器、第一掺铒光纤、法拉第反射镜、第二WDM耦合器、第二掺铒光纤、光隔离器和滤波器；
所述的半导体泵浦激光器连接分束器的输入端，分束器的两个输出端分别连接第一WDM耦合器和第二WDM耦合器的一个输入端，第一WDM耦合器的另一输入端接法拉第反射镜，第二WDM耦合器的另一输入端通过第一掺铒光纤连接第一WDM耦合器的输出端；第二WDM耦合器的输出端依次连接第二掺铒光纤、光隔离器和滤波器；
由半导体泵浦激光器发出的泵浦光经分束器分成二束，其中一束泵浦光进入第一WDM耦合器，另一束泵浦光进入第二WDM耦合器；第一WDM耦合器输出的光进入第一掺铒光纤，通过调整第一掺铒光纤的长度和半导体泵浦激光器的功率产生L波段的放大自发辐射ASE光；由第一掺铒光纤输出的ASE光和所述的另一束泵浦光经第二WDM耦合器输出后到达第二掺铒光纤，第二掺铒光纤在泵浦光作用下放大了输入的ASE光功率，达到光纤陀螺所需的光功率且具有类高斯谱型，此类高斯谱光经过光隔离器、滤波器修正为高斯谱，此L波段的高斯谱ASE光即光源的最终输出光；
光源的最终输出光经分束器一分为二，其中一束进入多功能集成光学芯片的输入端，由多功能集成光学芯片将光束一分为二，两束光分别按顺、反时针方向经过光纤传感环后返回形成干涉，经过分束器、再经光电探测器变为电信号，经信号处理单元处理并反馈到多功能集成光学芯片上，同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
优选的，所述的光源最终发出的光属于L波段的高斯谱光，其谱宽为22～34nm。
本发明的有益效果是，光纤陀螺仪的光源采用具有二级泵浦的工作在L波段的具有更宽谱宽的高斯谱光纤光源，使得光纤陀螺具有比传统使用光纤光源小几倍的零偏稳定性值和随机游走系数。
附图说明
图1是使用长波长(L波段)宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪结构示意图；
图2是传统的使用C波段高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪结构示意图；
图中：1-半导体泵浦激光器，2-分束器，3-第一WDM耦合器，4-第一掺铒光纤，5-法拉第反射镜，6-第二WDM耦合器，7-第二掺铒光纤，8-光隔离器，9-滤波器，10-分束器，11-多功能集成光学芯片，12-光纤传感环，13-光电探测器，14-信号处理单元，15-反射镜，16-掺铒光纤，17-滤波器。
具体实施方式
如图1所示，使用长波长(L波段)宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺包括半导体泵浦激光器1、分束器2、第一WDM耦合器3、第一掺铒光纤4、法拉第反射镜5、第二WDM耦合器6、第二掺铒光纤7、光隔离器8、滤波器9、分束器10、多功能集成光学芯片11、光纤传感环12、光电探测器13、信号处理单元14。
由半导体泵浦激光器1发出的泵浦光由分束器2分成二束，其中一束泵浦光进入第一WDM耦合器3，另一束泵浦光进入第二WDM耦合器6。第一WDM耦合器3的另一输入端接法拉第反射镜5，第一WDM耦合器3的输出端连接第一掺铒光纤4发出放大自发辐射(ASE光)，适当选取第一掺铒光纤4的长度和泵浦的功率可以产生弱的L波段的ASE光，由第一掺铒光纤4输出的ASE光和分束器2输出的泵浦光经第二WDM耦合器6输出后到达第二掺铒光纤7，第二掺铒光纤7在泵浦光作用下放大了输入的ASE光功率，达到光纤陀螺所需的光功率且具有类高斯谱型，此类高斯谱光依次经过光隔离器8和滤波器9后修正为高斯谱，此L波段的高斯谱ASE光经分束器10一分为二，其中一束进入多功能集成光学芯片11的输入端，芯片11上集成有起偏器、Y型分束器和相位调制器，芯片11中的Y分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环12后返回芯片11；下光束按反时针方向经过光纤传感环12后返回芯片11；这二束顺时针光和反时针光由芯片11中的Y分束器合成形成干涉，经芯片11输入端至分束器10一分为二，其中一束由光电探测器13变为电信号，经过信号处理单元14，生产反馈加到芯片11中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
本发明采用的滤波器9用于将L波段的类高斯光修正为L波段的高斯谱光，与传统的滤波器17作用的波长范围不同。本发明的光纤陀螺仪的光源采用具有二级泵浦的工作在L波段的具有更宽谱宽的高斯谱光纤光源，谱宽是陀螺用光源重要的指标，直接影响陀螺性能，使得光纤陀螺具有比传统使用光纤光源小几倍的零偏稳定性值和随机游走系数。本实施例中，其谱宽优选为22～34nm，相较于传统使用的光纤光源谱宽更宽，进而实现光纤陀螺性能的优化。实施案例：使用长波长(L波段)宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪使用980nm半导体二极管做泵浦源，先经980nm的分束器分成不等的二束泵浦光功率，较小的功率光经第一个980/1550WDM耦合器激励一段数十米的掺铒光纤产生种子光，第一个980/1550WDM耦合器的另一输入端连法拉第反射镜。此种子光经第二个980/1550WDM耦合器到达第二段数米长的掺铒光纤，在泵浦光激励下放大,经隔离器和适当设计的滤波器，获得波长在1590nm附近、25nm谱宽7mW功率的高斯谱光源，再经耦合器、集成光学芯片、传感环、探测器和信号处理电路获得陀螺信号。
将此陀螺与传统的工作在C波段(1560nm或者1530nm)ASE光源的光纤陀螺做比较(光源的光功率相同、其余除光源之外的器件完全一样)，使用L波段的宽高斯谱光源的光纤陀螺要比传统的使用C波段的高斯谱光源的光纤陀螺的零偏稳定性和随机游走系数减小了近3倍。
在泵浦功率饱和的情况下，原先由亚稳态能级自发辐射了C波段ASE光的铒离子回到基级后，随着掺铒光纤长度的增加，C波段的ASE光再次激励基级上的铒离子跃迁到亚稳态能级的低能带上，这些铒离子可以再次辐射ASE光回到基级上。相比于第一次辐射，由于第二次辐射的铒离子在辐射前后所处能带的能量差较小，根据量子理论能级方程△E＝hv，较小的能量差使得输出的ASE光集中于L波段。然而，掺铒光纤铒离子在L波段的自发辐射增益系数较小，单级泵浦结构下的L波段ASE光功率较低，本发明搭建第二级泵浦结构并通过调整铒纤长度和泵浦光功率，在放大第一级低功率的L波段ASE光的同时，最终获得宽谱宽高斯型输出光。它相较于传统的C波段ASE光源，具有更宽的谱宽和更接近于高斯谱的谱型，使本发明设计的光源具有更低的时间相干性，因此能够提升光纤陀螺的性能。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种使用长波长宽高斯谱光纤光源的光纤陀螺仪，包括光源、第二分束器（10）、多功能集成光学芯片（11）、光纤传感环（12）、光电探测器（13）和信号处理单元（14）；其特征在于，所述的光源采用二级泵浦结构，最终发出L波段ASE光，光谱谱型为高斯谱，谱宽为22~34nm；
所述的光源包括半导体泵浦激光器（1）、第一分束器（2）、第一WDM耦合器（3）、第一掺铒光纤（4）、法拉第反射镜（5）、第二WDM耦合器（6）、第二掺铒光纤（7）、光隔离器（8）和滤波器（9）；
所述的半导体泵浦激光器（1）连接第一分束器（2）的输入端，第一分束器（2）的两个输出端分别连接第一WDM耦合器（3）和第二WDM耦合器（6）的一个输入端，第一WDM耦合器（3）的另一输入端接法拉第反射镜（5），第二WDM耦合器（6）的另一输入端通过第一掺铒光纤（4）连接第一WDM耦合器（3）的输出端；第二WDM耦合器（6）的输出端依次连接第二掺铒光纤（7）、光隔离器（8）和滤波器（9）；
由半导体泵浦激光器（1）发出的泵浦光经第一分束器（2）分成二束，其中一束泵浦光进入第一WDM耦合器（3），另一束泵浦光进入第二WDM耦合器（6）；第一WDM耦合器（3）输出的光进入第一掺铒光纤（4），通过调整第一掺铒光纤（4）的长度和半导体泵浦激光器（1）的功率产生L波段的放大自发辐射ASE光；由第一掺铒光纤（4）输出的ASE光和所述的另一束泵浦光经第二WDM耦合器（6）输出后到达第二掺铒光纤（7），第二掺铒光纤（7）在泵浦光作用下放大了输入的ASE光功率，达到光纤陀螺所需的光功率且具有类高斯谱型，此类高斯谱光经过光隔离器（8）、再经滤波器（9）修正为高斯谱，此L波段的高斯谱ASE光即光源的最终输出光；
光源的最终输出光经第二分束器（10）一分为二，其中一束进入多功能集成光学芯片（11）的输入端，由多功能集成光学芯片（11）将光束一分为二，两束光分别按顺、反时针方向经过光纤传感环（12）后返回形成干涉，经过第二分束器（10）、再经光电探测器（13）变为电信号，经信号处理单元（14）处理并反馈到多功能集成光学芯片（11）上，同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
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