CN114459458B - 一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、1#分束器、1#移频器、2#移频器、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、2#分束器、3#分束器、合束器、1#移频器控制模块、2#移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块。本发明利用具有高品质因子、制备简单的双螺旋四端口微纳光纤谐振腔作为光学陀螺的核心传感单元，保证了陀螺系统的高精度、低成本和小型化。同时，得益于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔透射型谐振光谱的传输特性，本系统结合外差拍频检测的信号处理方案，在保证系统高精度和稳定性的同时，降低了谐振式光学陀螺对于激光器超窄线宽的要求，进一步缩减了系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于微型化谐振式光学陀螺的技术领域，具体涉及一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺。
背景技术
陀螺仪是惯性导航系统的关键部件，可以用来感知载体的角速度信息，在导航定位和智能控制等领域都有很广泛的应用。谐振式光学陀螺是新一代的光学角速度传感器，在未来光学陀螺高精度、低成本、小型化的发展方向极具潜力。目前，主流研究集中在以单模光纤或硅波导制备的环形谐振腔作为谐振式光学陀螺的敏感单元，前者不利于系统的小型化，后者成本过高。微纳光纤谐振腔兼具小型化和低成本的优势，为研究谐振式光学陀螺提供了新的思路。传统的谐振式光学陀螺采用相位调制解调的信号检测方案，需要激光器具有超窄线宽的特性。然后目前超窄线宽激光器体积较大且价格昂贵。因此，本发明采用双螺旋四端口微纳光纤谐振腔作为光学陀螺的核心传感单元，并结合外差拍频检测的信号处理方案，在保证系统高精度和稳定性的同时，降低了谐振式光学陀螺对于激光器超窄线宽的要求，进一步缩减了系统的成本，实现了谐振式光学陀螺高精度、低成本、小型化的设计。
发明内容
技术问题
为了弥补现有谐振式光学陀螺的不足，发挥谐振式光学陀螺的优势，本发明提供了一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其采用低成本的的微纳光纤来制备微型谐振腔，通过双螺旋四端口结构，实现微纳光纤谐振腔的透射型谐振输出。同时，结合外差拍频检测的信号处理方案，在保证系统高精度和稳定性的同时，降低了谐振式光学陀螺对于激光器超窄线宽的要求，用MHz线宽级别的可调谐激光器就能满足高灵敏度的信号检测需要，进一步缩减了系统的成本，实现了谐振式光学陀螺高精度、低成本、小型化的设计。
技术方案
一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、1#分束器、1#移频器、2#移频器、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、2#分束器、3#分束器、合束器、1#移频器控制模块、2#移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块。
其中，可调谐激光器的输出与隔离器连接，隔离器的输出与偏振控制器的输入相连接，偏振控制器的输出与1#分束器的输入连接，1#分束器的输出分别与1#移频器和2#移频器的输入连接，1#移频器和2#移频器的输出分别与双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的两个输入连接，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的两个输出分别与2#分束器和3#分束器的输入连接，2#分束器的其中一个输出与1#移频器控制模块的输入连接，另一个输出与合束器的其中一个输入连接；3#分束器的其中一个输出与2#移频器控制模块的输入连接，另一个输出与合束器的另一个输入连接；1#移频器控制模块的输出与1#移频器的输入连接，对1#移频器进行驱动控制；2#移频器控制模块的输出与2#移频器的输入连接，对2#移频器进行驱动控制；合束器的输出与光电探测器的输入连接，光电探测器的输出与锁相放大器的输入连接，锁相放大器的输出与解调模块的输入连接；解调模块对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。
其中，所述可调谐激光器为频率连续可调的窄线宽可调谐激光器，内部集成有驱动电路，包括电流控制和温度控制电路，与隔离器连接，以保护激光器。
其中，所述1#分束器、2#分束器和3#分束器结构相同，分光比根据系统需要进行调节；
其中，所述1#移频器和2#移频器结构相同，结合结构相同的1#移频器控制模块和2#移频器控制模块对可调谐激光器的输出激光频率进行移频调节。
其中，所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔由两条直径在微米或纳米尺度的导光纤维1#微纳光纤和2#微纳光纤螺旋交叉平行绕制而成；微纳光纤由包括但不限于普通单模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤拉制而成，光纤材料包括但不限于掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物。根据陀螺系统不同性能和封装的要求，1#微纳光纤和2#微纳光）材料类型、直径和线圈螺距可以进行相应的调节。双螺旋结构不拘泥于缠绕方向，可以顺时针、逆时针或混合旋转绕制；在保证四端口的基础上，1#微纳光纤和2#微纳光纤的缠绕圈数和度数可以根据陀螺性能要求进行调节。
其中，所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔用低于1#微纳光纤和2#微纳光纤折射率的低折射率材料封装，包括但不限于聚四氟乙烯和二氧化硅气凝胶低等折射率光学材料。
其中，所述的基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺采用外差拍频检测方案，即2#分束器和3#分束器的输出经由合束器进行拍频，拍频结果经由后续光电探测和解调模块进行处理后得到陀螺输出。
此技术方案中包括双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、分束器、合束器、移频器、移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块可为分离的光学器件，亦可通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，实现系统的高度集成，进一步提高系统稳定性，减小系统体积。
有益效果
1、采用双螺旋四端口微纳光纤谐振腔作为谐振式光学陀螺的敏感单元，与采用普通光纤结合耦合器获得的环形谐振腔相比，具有体积小、不需要耦合器的优点；与基于硅波导技术获得环形谐振腔相比，具有制作工艺简单，成本低的优点。另一方面，采用双螺旋四端口的结构，可以实现透射型的谐振光谱输出，为后续陀螺信号的调制解调提供便利。同时，可以通过灵活地控制和调节双螺旋四端口结构的圈数、螺距、直径和长度参数，以优化谐振腔的光学特性，提高谐振式光学陀螺的性能。
2、采用外差拍频检测的信号处理方案，在保证系统高精度和稳定性的同时，降低了谐振式光学陀螺对于激光器超窄线宽的要求，用MHz线宽级别的可调谐激光器就能满足高灵敏度的信号检测需要，进一步缩减了系统的成本。此技术方案中包括双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、分束器、合束器、移频器、移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块可为分离的光学器件，亦可通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，实现系统的高度集成，进一步提高系统稳定性，减小系统体积。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为图1中双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的结构示意图。
附图标记列表：可调谐激光器1、隔离器2、偏振控制器3、1#分束器4、1#移频器5、2#移频器6、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7、2#分束器8、3#分束器9、合束器10、1#移频器控制模块11、2#移频器控制模块12、光电探测器13、锁相放大器14、解调模块15、1#微纳光纤71、2#微纳光纤72。
具体实施方式
下面结合具体实施和附图对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以对本发明进行解释，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺包括可调谐激光器1、隔离器2、偏振控制器3、1#分束器4、1#移频器5、2#移频器6、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7、2#分束器8、3#分束器9、合束器10、1#移频器控制模块11、2#移频器控制模块12、光电探测器13、锁相放大器14和解调模块15。
其中，可调谐激光器1的输出与隔离器2连接，隔离器2的输出与偏振控制器3的输入相连接，偏振控制器3的输出与1#分束器4的输入连接，1#分束器4的输出分别与1#移频器5和2#移频器6的输入连接，1#移频器5和2#移频器6的输出分别与双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7的两个输入连接，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7的两个输出分别与2#分束器8和3#分束器9的输入连接，2#分束器8的其中一个输出与1#移频器控制模块11的输入连接，另一个输出与合束器10的其中一个输入连接；3#分束器9的其中一个输出与2#移频器控制模块12的输入连接，另一个输出与合束器10的另一个输入连接；1#移频器控制模块11的输出与1#移频器5的输入连接，对1#移频器5进行驱动控制；2#移频器控制模块12的输出与2#移频器6的输入连接，对2#移频器5进行驱动控制；合束器10的输出与光电探测器13的输入连接，光电探测器13的输出与锁相放大器14的输入连接，锁相放大器14的输出与解调模块15的输入连接；解调模块15对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。
其中，所述可调谐激光器1为频率连续可调的窄线宽可调谐激光器，内部集成有驱动电路，包括电流控制和温度控制电路，与隔离器2连接，以保护激光器。
其中，所述1#分束器4、2#分束器8和3#分束器9结构相同，分光比根据系统需要进行调节；
其中，所述1#移频器5和2#移频器6结构相同，结合结构相同的1#移频器控制模块11和2#移频器控制模块12对可调谐激光器1的输出激光频率进行移频调节。
其中，所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7由如图2所示的两条直径在微米或纳米尺度的导光纤维1#微纳光纤71和2#微纳光纤72螺旋交叉平行绕制而成；微纳光纤由包括但不限于普通单模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤拉制而成，光纤材料包括但不限于掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物。根据陀螺系统不同性能和封装的要求，1#微纳光纤71和2#微纳光纤72材料类型、直径和线圈螺距可以进行相应的调节。双螺旋结构不拘泥于缠绕方向，可以顺时针、逆时针或混合旋转绕制；在保证四端口的基础上，1#微纳光纤71和2#微纳光纤72的缠绕圈数和度数可以根据陀螺性能要求进行调节。
其中，所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7用低于1#微纳光纤71和2#微纳光纤72折射率的低折射率材料封装，包括但不限于聚四氟乙烯和二氧化硅气凝胶低等折射率光学材料。
其中，所述的基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺采用外差拍频检测方案，即2#分束器8和3#分束器9的输出经由合束器10进行拍频，拍频结果经由后续光电探测和解调模块进行处理后得到陀螺输出。
此技术方案中包括双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、分束器、合束器、移频器、移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块可为分离的光学器件，亦可通过平面光波导技术集成在单个衬底片上，实现系统的高度集成，进一步提高系统稳定性，减小系统体积。
本发明的基于多圈微纳光纤环形谐振腔的微型谐振式光学陀螺的工作原理为：基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺包括可调谐激光器1、隔离器2、偏振控制器3、1#分束器4、1#移频器5、2#移频器6、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7、2#分束器8、3#分束器9、合束器10、1#移频器控制模块11、2#移频器控制模块12、光电探测器13、锁相放大器14和解调模块15。其中，可调谐激光器1为可调谐激光器，输出与起保护作用的隔离器2连接，隔离器2的输出与偏振控制器3的输入相连接，以保证输入系统的为线偏振光，偏振控制器3的输出与1#分束器4的输入连接，1#分束器4的输出分别与1#移频器5和2#移频器6的输入连接，1#移频器5和2#移频器6的输出分别与双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7的两个输入连接，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔7的两个输出分别与2#分束器8和3#分束器9的输入连接，2#分束器8的其中一个输出与1#移频器控制模块11的输入连接，另一个输出与合束器10的其中一个输入连接；3#分束器9的其中一个输出与2#移频器控制模块12的输入连接，另一个输出与合束器10的另一个输入连接；1#移频器控制模块11的输出与1#移频器5的输入连接，对1#移频器5进行驱动控制；2#移频器控制模块12的输出与2#移频器6的输入连接，对2#移频器5进行驱动控制；合束器10的输出与光电探测器13的输入连接，光电探测器13的输出与锁相放大器14的输入连接，锁相放大器14的输出与解调模块15的输入连接；解调模块15对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。
双螺旋四端口微纳光纤谐振腔一种耦合谐振结构，即当光波进入这种结构后，一方面光波沿着光纤轴向绕微纳光纤线圈进行传播，另一方面在相邻的光纤之间通过倏逝场进行耦合传播，从而产生谐振效应。同时，得益于双螺旋四端口结构，使得这种谐振腔能够产生透射型的谐振光谱。根据陀螺系统对谐振腔光谱特性的需求，可以通过控制和调节双螺旋四端口结构的圈数、螺距、直径、长度参数，以及封装材料的参数来优化调节谐振腔的光学特性。
谐振式光学陀螺是利用Sagnac效应通过检测环形谐振腔中相向方向的谐振频差来感知角速度变化。在该陀螺系统中，基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔作为测量Sagnac频差的敏感单元。当系统处于静止状态下，通过调节移频器，对进入双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的激光频率进行调节，使双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的输出光强达到最大，以得到最大的信噪比。由于此时系统无旋转，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔相向方向谐振频率一致，不产生拍频现象。当系统处于旋转状态下，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔相向方向由于Sagnac效应，将会产生一个谐振频率的偏差，此时可在合束器中产生拍频，拍频输出进入光电探测器，经过锁相放大后，再由解调模块解算出角速度大小。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (6)
1.一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：包括可调谐激光器（1）、隔离器（2）、偏振控制器（3）、1#分束器（4）、1#移频器（5）、2#移频器（6）、双螺旋四端口微纳光纤谐振腔（7）、2#分束器（8）、3#分束器（9）、合束器（10）、1#移频器控制模块（11）、2#移频器控制模块（12）、光电探测器（13）、锁相放大器（14）和解调模块（15）；其中，可调谐激光器（1）的输出与隔离器（2）连接，隔离器（2）的输出与偏振控制器（3）的输入相连接，偏振控制器（3）的输出与1#分束器（4）的输入连接，1#分束器（4）的输出分别与1#移频器（5）和2#移频器（6）的输入连接，1#移频器（5）和2#移频器（6）的输出分别与双螺旋四端口微纳光纤谐振腔（7）的两个输入连接，双螺旋四端口微纳光纤谐振腔（7）的两个输出分别与2#分束器（8）和3#分束器（9）的输入连接，2#分束器（8）的其中一个输出与1#移频器控制模块（11）的输入连接，另一个输出与合束器（10）的其中一个输入连接；3#分束器（9）的其中一个输出与2#移频器控制模块（12）的输入连接，另一个输出与合束器（10）的另一个输入连接；1#移频器控制模块（11）的输出与1#移频器（5）的输入连接，对1#移频器（5）进行驱动控制；2#移频器控制模块（12）的输出与2#移频器（6）的输入连接，对2#移频器（5）进行驱动控制；合束器（10）的输出与光电探测器（13）的输入连接，光电探测器（13）的输出与锁相放大器（14）的输入连接，锁相放大器（14）的输出与解调模块（15）的输入连接；解调模块（15）对输入信号进行计算处理后其结果作为陀螺系统的信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔（7）由两条直径在微米或纳米尺度的导光纤维1#微纳光纤（71）和2#微纳光纤（72）螺旋交叉平行绕制而成；微纳光纤由包括但不限于普通单模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤拉制而成，光纤材料包括但不限于掺稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃或聚合物；根据陀螺系统不同性能和封装的要求，1#微纳光纤（71）和2#微纳光纤（72）材料类型、直径和线圈螺距进行相应的调节；双螺旋结构不拘泥于缠绕方向，顺时针、逆时针或混合旋转绕制；在保证四端口的基础上，1#微纳光纤（71）和2#微纳光纤（72）的缠绕圈数和度数根据陀螺性能要求进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔（7）用低于1#微纳光纤（71）和2#微纳光纤（72）折射率的低折射率材料封装，包括但不限于聚四氟乙烯和二氧化硅气凝胶低等折射率光学材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：所述1#分束器（4）、2#分束器（8）和3#分束器（9）结构相同；1#移频器（5）和2#移频器（6）结构相同，1#移频器控制模块（11）和2#移频器控制模块（12）结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：所述光学陀螺采用外差拍频检测方案，即2#分束器（8）和3#分束器（9）的输出经由合束器（10）进行拍频，拍频结果经由后续光电探测和解调模块进行处理后得到陀螺输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋四端口微纳光纤谐振腔的光学陀螺，其特征在于：所述双螺旋四端口微纳光纤谐振腔、可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、分束器、合束器、移频器、移频器控制模块、光电探测器、锁相放大器和解调模块为分离的光学器件，或通过平面光波导技术集成在单个衬底片上。
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