CN115134001B - 宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺制造技术领域，提供一种宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺。该宽谱光源产生系统，包括光信号输出单元、掺铒光纤、第一处理单元和第二处理单元，光信号输出单元用以输出泵浦光信号；第二处理单元用以接收泵浦光信号；掺铒光纤用以接收并将泵浦光信号转换并辐射输出第一光信号和第二光信号；第一处理单元用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光，并将处理后的第一光信号传输至掺铒光纤；第二处理单元用以合并第二光信号和第一处理单元处理后的第一光信号。本发明实现对第一光信号的强度进行调节，实现对光源平均波长的主动控制，可以抵消环境温度变化引入光源波长漂移的影响，进而实现对光纤陀螺标度性能的提升。

Description

宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺制造技术领域，尤其涉及一种宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺。

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，高精度光纤陀螺广泛应用于航空、航海、航天等领域。光纤陀螺与激光陀螺相比精度潜力优势明显，实验室条件下高精度光纤陀螺噪声随机游走已达到参考级，但在标度因数方面激光陀螺表现更好，高精度长航时惯导系统对陀螺的标度因数性能要求较高，光纤陀螺的标度误差严重限制了在长航时高精度惯导方面的应用。

由光纤陀螺工作原理可以知道，理想条件下光纤陀螺标度性能主要是由光源平均波长、光纤长度和光纤环圈等效直径决定。在实际应用中高精度光纤陀螺基本都采用掺铒光纤光源，掺铒光纤光源，是基于掺铒光纤中铒离子的自发放大辐射（AmplifiedSpontaneous Emission，ASE）形成的宽带光源。光信号的产生是基于光纤中的自发辐射过程，因而具有输出功率高、温度稳定性好和光谱线宽较宽等优点。光源的输出特性以及适用的能级结构由光纤中的铒离子独特的吸收和辐射特性决定。根据增益光纤（掺铒光纤）两端是否存在反射以及泵浦光和ASE光传播方向的异同，可将掺铒光纤光源分为四种基本结构。如果光纤的两个端面都是透射性的，称为单程结构；如果光纤端面中的一端是透射性的，另一端是选择性反射的，称为双程结构。通常，从泵浦端输出的是后向ASE光，与之相对的是前向ASE光。对于单程结构来说只利用了一个方向的自发辐射，效率较低；而双程结构则利用了两个方向的自发辐射，因而具有更高的转换效率。

单程和双程光路结构的宽谱掺铒光纤光源在高精度光纤陀螺中均有使用，双程结构具有光谱较宽，输出功率高，波长稳定性较好，易满足陀螺对于光源高功率、高稳定性要求。通过优化设计，双程结构光源全温范围（例-40℃~70℃）内的波长稳定性基本可以达到几十ppm至百ppm量级，在应用尤其长航时高精度惯导系统应用，该项指标还不能完全满足使用要求。

实际情况下，陀螺需要对标度因数进行补偿，根据标度因数变化与温度之间的关系进行建模补偿，补偿后标度因数温度性能可以达到10-20ppm量级。但是建模及补偿这种后处理方式存在一定的局限性，不能完全遍历覆盖实际应用时的环境条件，且补偿存在滞后现象。这对于高精度光纤陀螺在长航时惯导系统应用仍存在一定缺陷，成为限制高精度光纤陀螺工程应用的一个主要障碍。

发明内容

本发明提供一种宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺，用以解决现有技术中双程结构光源全温范围内的波长稳定性无法完全满足使用要求的缺陷，实现对光源平均波长的主动控制，进而实现对陀螺标度性能的提升。

本发明提供一种宽谱光源产生系统，包括光信号输出单元、掺铒光纤、第一处理单元和第二处理单元；

所述光信号输出单元用以输出泵浦光信号；所述第二处理单元与所述光信号输出单元通讯连接，用以接收泵浦光信号；所述掺铒光纤与所述第二处理单元通讯连接，用以接收并将泵浦光信号转换并辐射输出第一光信号和第二光信号；所述第一处理单元与所述掺铒光纤通讯连接，用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光，并将处理后的第一光信号传输至所述掺铒光纤；

所述第二处理单元用以合并第二光信号和所述第一处理单元处理后的第一光信号。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述第一处理单元包括衰减器和反射镜，所述掺铒光纤与所述衰减器通讯连接，用以向所述衰减器传输第一光信号，所述衰减器用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光形成第一处理光信号；

所述反射镜用以反射所述衰减器输出的第一处理光信号至所述衰减器，所述衰减器用以对第一处理光信号进行衰减控制形成第二处理光信号，并将第二处理光信号传输至所述掺铒光纤。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述第一处理单元还包括第一驱动模块，所述第一驱动模块的输出端与所述衰减器连接，用以向所述衰减器传输驱动信号。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述第二处理单元包括波分复用器，所述波分复用器与所述掺铒光纤通讯连接，用以接收所述掺铒光纤转换辐射的第二光信号以及经所述衰减器处理后的第二处理光信号。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述第二处理单元还包括隔离器，所述隔离器的输入端与所述波分复用器通讯连接。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述光信号输出单元包括泵浦激光器和第二驱动模块，所述第二驱动模块的输出端与所述泵浦激光器连接，用以向所述泵浦激光器传输驱动电流信号，所述泵浦激光器与所述波分复用器通讯连接，用以向所述波分复用器传输泵浦光信号，所述波分复用器与所述掺铒光纤通讯连接，用以向所述掺铒光纤传输经所述波分复用器处理后的泵浦光信号。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述掺铒光纤的辐射谱为1530 nm～1560nm。

根据本发明提供的一种宽谱光源产生系统，所述掺铒光纤设有第一能级吸收峰、第二能级吸收峰和第三能级吸收峰，所述第一能级吸收峰对应波长为800nm的光信号，所述第二能级吸收峰对应波长为980nm的光信号，所述第三能级吸收峰对应波长为1480nm的光信号。

本发明还提供一种宽谱光源产生方法，基于如上任一项所述的宽谱光源产生系统产生，包括如下步骤：

S10、通过第二驱动模块驱动泵浦激光器，泵浦激光器发出泵浦光信号，并将泵浦光信号传输至波分复用器，再通过波分复用器将泵浦光信号传输至掺铒光纤；

S20、通过掺铒光纤对泵浦光信号转换辐射输出第一光信号和第二光信号，第二光信号经波分复用器传输至隔离器；

S30、通过掺铒光纤将第一光信号传输至衰减器，通过第一驱动模块驱动衰减器对第一光信号进行第一次衰减控制转换处理，获得第一处理光信号，并将第一处理光信号传输至反射镜；

S40、通过反射镜将第一处理光信号反射至衰减器，由衰减器对第一处理光信号进行第二次衰减控制转换处理，获得第二处理光信号，衰减器将第二处理光信号传输至掺铒光纤，经掺铒光纤对第二处理光信号进行转换，并输送至波分复用器；

S50、通过波分复用器接收掺铒光纤转换后的第二处理光信号，并将第二光信号和掺铒光纤转换后的第二处理光信号进行合并，获得宽谱光源并传输至隔离器。

本发明还提供一种光纤陀螺，包括如上任一项所述的宽谱光源产生系统。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺，包括光信号输出单元、掺铒光纤、第一处理单元和第二处理单元；所述光信号输出单元用以输出泵浦光信号；所述第二处理单元与所述光信号输出单元通讯连接，用以接收泵浦光信号；所述掺铒光纤与所述第二处理单元通讯连接，用以接收并将泵浦光信号转换并辐射输出第一光信号和第二光信号；所述第一处理单元与所述掺铒光纤通讯连接，用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光，并将处理后的第一光信号传输至所述掺铒光纤；所述第二处理单元用以合并第二光信号和所述第一处理单元处理后的第一光信号，通过设置第二处理单元，实现对第一光信号的强度进行调节，实现对光源平均波长的主动控制，可以抵消环境温度变化引入光源波长漂移的影响，进而实现对光纤陀螺标度性能的提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的宽谱光源产生系统的结构框式图。

附图标记：

1、隔离器；2、波分复用器；3、衰减器；4、反射镜；5、泵浦激光器；6、第一驱动模块；7、第二驱动模块；8、掺铒光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。本发明中的“连接”均指通过信号的传输交互的通讯连接。

下面结合图1描述本发明的一种宽谱光源产生系统，包括光信号输出单元、掺铒光纤8、第一处理单元和第二处理单元，其中，光信号输出单元与第二处理单元通讯连接，用以向第二处理单元传输泵浦光信号；

第一处理单元与掺铒光纤8连接，用以衰减控制掺铒光纤8转换辐射出的第一光信号的短波长辐射光；

第二处理单元与掺铒光纤8连接，用以合并掺铒光纤8转换辐射出的第二光信号和第一处理单元处理后的第一光信号。可以理解的是，光信号输出单元输出泵浦光信号，并将泵浦光信号传输至第二处理单元，第二处理单元将泵浦光信号传输至掺铒光纤8，本实施例中泵浦光信号的波长为980nm。

其中，掺铒光纤8用以对泵浦光信号进行转换，并辐射出双程光源，即第一光信号和第二光信号。第一光信号传输至第一处理单元，第二光信号传输至第二处理单元。本实施例中，设定第一光信号为后向光信号，第二光信号为前向光信号。

进一步地，第一处理单元对第一光信号进行衰减控制短波长辐射光的处理，实现对第一光信号的平均波长的主动调节，用以抵消温度变化带来的波长变化，提升光纤陀螺温变条件下标度因数稳定性。

其中，第一处理单元处理后的第一光信号经掺铒光纤8传输至第二处理单元，第二处理单元对第二光信号以及第一处理单元处理后的第一光信号进行合并处理，最终由第二处理单元输出宽谱光源。

在一些实施例中，第一处理单元包括衰减器3和反射镜4，掺铒光纤8与衰减器3连接，用以向衰减器3传输第一光信号，衰减器3用以第一次衰减控制掺铒光纤8转换辐射出的第一光信号的短波长辐射光，反射镜4用以反射经衰减器3第一次处理后的第一光信号至衰减器3，以进行第二次处理。可以理解的是，掺铒光纤8与衰减器3连接，实现将第一光信号传输至衰减器3，衰减器3对第一光信号进行第一次处理，将第一光信号中的短波长辐射光进行衰减控制，形成第一处理光信号。

进一步地，反射镜4将衰减器3输出的第一处理光信号反射至衰减器3，衰减器3对第一处理光信号进行第二次处理，对第一处理光信号中的短波长辐射光进行第二次衰减控制，形成第二处理光信号，进而通过衰减器3将第二处理光信号传输至掺铒光纤8，再由掺铒光纤8将第二处理光信号传输至第二处理单元进行合并处理。也就是说，衰减器3对第一光信号中的短波长辐射光进行两次衰减控制，实现对第一光信号向长波长辐射光谱的转化。

在一些实施例中，第一处理单元还包括第一驱动模块6，第一驱动模块6的输出端与衰减器3连接，用以向衰减器3传输驱动信号。可以理解的是，第一驱动模块6预设控制算法，以形成并输出驱动信号，进而驱动衰减器3对第一光信号或第一处理光信号进行处理。需要说明的是，控制算法通过软件建模获得，预先设置于第一驱动模块6内。

在一些实施例中，第二处理单元包括波分复用器2，波分复用器2与掺铒光纤8通讯连接，用以接收掺铒光纤8转换辐射的第二光信号以及经第一处理单元处理后的第一光信号。可以理解的是，光信号输出单元输出的泵浦光信号进入波分复用器2，经过波分复用器2作用后的泵浦光信号传输至掺铒光纤8。

进一步地，掺铒光纤8对泵浦光信号进行转换，并输出端第一光信号和第二光信号，其中，第二光信号直接输入至波分复用器2，第一光信号经衰减器3两次处理后，经掺铒光纤8输送至波分复用器2。进而，波分复用器2接收波分复用器2输出的第二光信号和第二处理光信号，并对第二光信号和第二处理光信号进行合并处理，形成并输出宽谱光源。

在一些实施例中，第二处理单元还包括隔离器1，隔离器1的输入端与波分复用器2连接。可以理解的是，隔离器1用以接收波分复用器2输出的宽谱光源，进行隔离输出。

在一些实施例中，光信号输出单元包括泵浦激光器5和第二驱动模块7，第二驱动模块7的输出端与泵浦激光器5连接，用以向泵浦激光器5传输驱动电流信号，泵浦激光器5与波分复用器2通讯连接，用以向波分复用器2传输泵浦光信号，波分复用器2与掺铒光纤8通讯连接，用以向掺铒光纤8传输经波分复用器2处理后的泵浦光信号。可以理解的是，第二驱动模块7用以向泵浦激光器5传输驱动电流信号，进而驱动泵浦激光器5输出泵浦光信号。泵浦激光器5输出的泵浦光信号进入波分复用器2，经过波分复用器2作用后的泵浦光信号传输至掺铒光纤8。

在一些实施例中，掺铒光纤8的辐射谱为1530 nm～1560nm，其中，掺铒光纤8在1530nm附近辐射最强。

在一些实施例中，掺铒光纤8设有第一能级吸收峰、第二能级吸收峰和第三能级吸收峰，第一能级吸收峰对应波长为800nm的光信号，第二能级吸收峰对应波长为980nm的光信号，第三能级吸收峰对应波长为1480nm的光信号。可以理解的是，掺铒光纤8中的铒离子具有三能级结构，在800nm波长、980nm波长和1480nm波长具有强吸收峰。

需要说明的是，由于斯塔克效应，双程光源利用短波长辐射的荧光可以对铒离子再次泵浦，即发生二次泵浦，以产生更长波长的辐射，从而将辐射的光谱想长波长变化。

下面对本发明提供的宽谱光源产生方法进行描述，下文描述的宽谱光源产生方法与上文描述的宽谱光源产生系统可相互对应参照。

本发明还提供一种宽谱光源产生方法，基于如上所述的宽谱光源产生系统产生，包括如下步骤：

S10、通过第二驱动模块7驱动泵浦激光器5，泵浦激光器5发出泵浦光信号，并将泵浦光信号传输至波分复用器2，再通过波分复用器2将泵浦光信号传输至掺铒光纤8；

S20、通过掺铒光纤8对泵浦光信号转换辐射输出第一光信号和第二光信号，第二光信号经波分复用器2传输至隔离器1；

S30、通过掺铒光纤8将第一光信号传输至衰减器3，通过第一驱动模块6驱动衰减器3对第一光信号进行第一次衰减控制转换处理，获得第一处理光信号，并将第一处理光信号传输至反射镜4；

S40、通过反射镜4将第一处理光信号反射至衰减器3，由衰减器3对第一处理光信号进行第二次衰减控制转换处理，获得第二处理光信号，衰减器3将第二处理光信号传输至掺铒光纤8，经掺铒光纤8对第二处理光信号进行吸收和放大转换，并输送至波分复用器2；利用了两个方向的自发辐射光信号，经过了再次放大，可以实现更高的转换效率及更高的输出光功率；通过对进入反射镜4的光损耗进行调节达到控制光源平均波长的目的，设置损耗最大时可减小长波长辐射能力，此时，光源平均波长最短，设置损耗最小时辐射光二次转换的效率最大，长波长转换能量变大，光源平均波长向长波长转变；

S50、通过波分复用器2接收掺铒光纤8转换后的第二处理光信号，并将第二光信号和掺铒光纤8转换后的第二处理光信号进行合并，获得宽谱光源并传输至隔离器1；

本发明还提供一种光纤陀螺，包括如上所述的宽谱光源产生系统。宽谱光源产生系统在光纤陀螺中的应用具有以下优点：

提升高精度光纤陀螺标度温度适应性；

主动调节光源波长实现对陀螺标度控制及补偿；

方案简介易于实施。

本发明提供的宽谱光源产生系统、方法及光纤陀螺，包括泵浦激光器5、掺铒光纤8、第一处理单元和第二处理单元，其中，泵浦激光器5用以向第二处理单元传输泵浦光信号；第一处理单元与掺铒光纤8连接，用以衰减控制掺铒光纤8转换辐射出的第一光信号的短波长辐射光；第二处理单元与掺铒光纤8连接，用以合并掺铒光纤8转换辐射出的第二光信号和第一处理单元处理后的第一光信号，通过设置第二处理单元，实现对第一光信号的强度进行调节，实现对光源平均波长的主动控制，可以抵消环境温度变化引入光源波长漂移的影响，进而实现对光纤陀螺标度性能的提升。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种宽谱光源产生系统，其特征在于，包括：

泵浦激光器，用以输出泵浦光信号；

掺铒光纤，所述掺铒光纤与所述泵浦激光器通讯连接，用以将泵浦光信号转换并辐射输出第一光信号和第二光信号；

第一处理单元，所述第一处理单元与所述掺铒光纤通讯连接，用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光，并将处理后的第一光信号传输至所述掺铒光纤；其中，所述第一处理单元包括衰减器和反射镜，所述掺铒光纤与所述衰减器通讯连接，用以向所述衰减器传输第一光信号，所述衰减器用以衰减控制第一光信号的短波长辐射光形成第一处理光信号；所述反射镜与所述衰减器相对设置，用以反射所述衰减器输出的第一处理光信号至所述衰减器，进而通过所述衰减器对第一处理光信号进行衰减控制形成第二处理光信号；

第二处理单元，所述第二处理单元与所述掺铒光纤通讯连接，用以合并第二光信号和所述第一处理单元处理后的第一光信号；其中，所述第二处理单元包括波分复用器，所述波分复用器与所述泵浦激光器的输出端通讯连接，所述波分复用器与所述掺铒光纤通讯连接，用以接收并合并所述掺铒光纤转换辐射的第二光信号以及经所述衰减器处理后的第二处理光信号。

2.根据权利要求1所述的宽谱光源产生系统，其特征在于，所述第一处理单元还包括第一驱动模块，所述第一驱动模块的输出端与所述衰减器连接，用以向所述衰减器传输驱动信号。

3.根据权利要求1所述的宽谱光源产生系统，其特征在于，所述第二处理单元还包括隔离器，所述隔离器与所述波分复用器通讯连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的宽谱光源产生系统，其特征在于，还包括第二驱动模块，所述第二驱动模块的输出端与所述泵浦激光器连接，用以向所述泵浦激光器传输驱动电流信号。

5.根据权利要求1至3任一项所述的宽谱光源产生系统，其特征在于，所述掺铒光纤的辐射谱为1530nm～1560nm。

6.根据权利要求1至3任一项所述的宽谱光源产生系统，其特征在于，所述掺铒光纤设有第一能级吸收峰、第二能级吸收峰和第三能级吸收峰，所述第一能级吸收峰对应波长为800nm的光信号，所述第二能级吸收峰对应波长为980nm的光信号，所述第三能级吸收峰对应波长为1480nm的光信号。

7.一种宽谱光源产生方法，基于如权利要求1至6任一项所述的宽谱光源产生系统产生，其特征在于，包括如下步骤：

S10、通过第二驱动模块驱动泵浦激光器，泵浦激光器发出泵浦光信号，并将泵浦光信号传输至波分复用器，再通过波分复用器将泵浦光信号传输至掺铒光纤；

S20、通过掺铒光纤对泵浦光信号转换辐射输出第一光信号和第二光信号，第二光信号传输至波分复用器；

S30、通过掺铒光纤将第一光信号传输至衰减器，通过第一驱动模块驱动衰减器对第一光信号进行第一次衰减控制转换处理，获得第一处理光信号，并将第一处理光信号传输至反射镜；

S40、通过反射镜将第一处理光信号反射至衰减器，由衰减器对第一处理光信号进行第二次衰减控制转换处理，获得第二处理光信号，衰减器将第二处理光信号传输至掺铒光纤，经掺铒光纤对第二处理光信号进行转换，并输送至波分复用器；

S50、通过波分复用器接收掺铒光纤转换后的第二处理光信号，并将第二光信号和掺铒光纤转换后的第二处理光信号进行合并，获得宽谱光源并传输至隔离器。

8.一种光纤陀螺，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的宽谱光源产生系统。

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