CN115451934A - 一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺 - Google Patents

一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺 Download PDF

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CN115451934A CN202211184724.7A CN202211184724A CN115451934A CN 115451934 A CN115451934 A CN 115451934A CN 202211184724 A CN202211184724 A CN 202211184724A CN 115451934 A CN115451934 A CN 115451934A
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Abstract

本发明提供一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺，所述DFB与CIR1的1号端口相连接，所述CIR1的2号端口与CIR2的1号端口相连接，所述CIR2的3号端口通过FPF1与CIR1的3号端口相连接，所述CIR2的2号端口与WGMR的1号端口相连接，所述CIR1的2号端口通过AOM与CIR3的1号端口相连接，所述CIR3的2号端口与WGMR的2号端口相连接，所述CIR2的3号端口通过FPF2与PD相连接，所述CIR3的3号端口通过FPF3与PD相连接，所述PD与EC相连接。本发明能够有效抑制奇异点附近的激光噪声，降低陀螺的成本和体积。

Description

一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺
技术领域
本发明属于光学陀螺领域；具体涉及一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺。
背景技术
在消费智能设备、微型无人机和微型卫星的驱动下，低成本、低功耗、高精度和小型化的陀螺仪受到了广泛关注。自从出现用于通信的集成光学器件以来，具有小尺寸环形谐振腔(甚至是基于芯片的形式)的微光学陀螺仪已被确定为首选解决方案。陀螺仪的发展水平直接影响着惯性导航和制导系统的关键性能，在国防领域发挥着不可替代的作用。
目前，作为核心敏感元件的谐振腔可以达到高品质因数(Q值)和微纳尺度，但微光学陀螺的精度仍然不理想。与成熟的环形激光陀螺和干涉型光纤陀螺相比，微光学陀螺仍处于实验室研究阶段。因此，许多提高微光学陀螺性能的新方案正在被广泛研究。奇异点产生于非厄米哈密顿量，是两个或多个本征值和相应的本征态的简并点。在各种非厄米平台上，理论和实验证明了奇异点附近的异常光学现象，尤其是本征频率分裂对弱微扰的增强。在角速度传感领域，通过控制奇异点的非厄米系统能够极大地提升陀螺仪灵敏度，该方法可以使用微米级的谐振腔作为其核心敏感部件，顺应了器件小型化的发展趋势，并且在灵敏度和信噪比提升方面具有巨大潜力。
然而，新研究表明由于模式的非正交性，过量的量子噪声导致的激光线宽展宽限制了角速度传感灵敏度的提高。被称为Petermann因子的线宽展宽因子会精确抵消信号增强因子，从而导致信噪比无法改善。这与快光增强激光陀螺仪类似，增强的频率分裂也被激光线宽展宽所抵消。此外，为了实现复杂的电反馈频率锁定，这些微光陀螺方案需要大尺寸窄线宽可调谐激光器和伺服控制系统，这阻碍了其向低成本、低功耗和小型化方向发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺，能够有效抑制Petermann线宽增强因子带来的噪声误差，提升布里渊微光学陀螺灵敏度，并且降低了所需成本和体积。
本发明的目的是这样实现的：包括：工作光源DFB、环形器CIR1、环形器CIR2、环形器CIR3、微谐振腔WGMR、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3、声光调制器AOM、光电探测器PD和时间检测电路EC；所述工作光源DFB与环形器CIR1的1号端口相连接，所述环形器CIR1的2号端口与环形器CIR2的1号端口相连接，所述环形器CIR1的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1与环形器CIR1的3号端口相连接，所述环形器CIR2的2号端口与微谐振腔WGMR的1号端口相连接，所述环形器CIR1的2号端口通过声光调制器AOM与环形器CIR3的1号端口相连接，所述环形器CIR3的2号端口与微谐振腔WGMR的2号端口相连接，所述环形器CIR2的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2与光电探测器PD相连接，所述环形器CIR3的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3与光电探测器PD相连接，所述光电探测器PD与时间检测电路EC相连接。
一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：工作光源DFB输出的单纵模激光经过逆时针环形器CIR1后分成两路，一路进入环形器CIR2的1号端口，另一路通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点后进入至环形器CIR3的1号端口；
步骤2：环形器CIR2的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的1号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS1和瑞利散射RBS1，并经过微谐振腔WGMR的1号端口至环形器CIR2的2号端口；光波SBS1和RBS1从环形器CIR2的3号端口输出分成两路，一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1滤掉布里渊散射SBS1，剩下瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内，另一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2滤掉瑞利散射RBS1，剩下布里渊散射SBS1；
步骤3：环形器CIR3的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的2号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS2和瑞利散射RBS2，并经过微谐振腔WGMR的2号端口至环形器CIR3的2号端口；光波SBS2和RBS2从环形器CIR3的3号端口输出经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3滤掉瑞利散射RBS2，剩下布里渊散射SBS2；
步骤4：步骤2中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2剩下的布里渊散射SBS1与步骤3中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3剩下的布里渊散射SBS2，经过合束耦合产生拍频信号，通过时间检测电路EC检测该拍频信号的频率周期，以此推算陀螺实际转速。
进一步的，所述步骤1中通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点，导致灵敏度增强，拍频信号频率和比例因子变化的表达式为，
Figure BDA0003866999820000021
Figure BDA0003866999820000022
其中，Δfs为布里渊散射拍频信号，γ为光子衰减率，Γ为布里渊增益带宽，Δfp为泵浦光频率差，Δfsag为Sagnac效应引起的频率变化，Δfc为系统在奇异点时的临界泵浦频差，SE为比例因子，D和n分别为谐振腔直径和折射率，λ为光波长。
进一步的，所述步骤2中瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行自注入频率锁定的表达式为，
Figure BDA0003866999820000031
其中，
Figure BDA0003866999820000032
为激光器初始频率和谐振腔谐振频率的差值，
Figure BDA0003866999820000033
为稳态输出频率和谐振腔谐振频率的差值，f0，fm和fs分别为激光器初始频率，谐振腔谐振频率和稳态输出频率，km为谐振腔的半高全宽，K为反馈系数，α为谐振腔的耦合系数，β为反向传播模式之间的无量纲耦合比(与模式分裂直接相关)，
Figure BDA0003866999820000034
为相位延迟。
进一步的，所述瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行线宽压窄的表达式为，
Figure BDA0003866999820000035
其中，Δν0和Δνp分别为压窄前后的激光线宽，Qd和Qm分别为激光器谐振腔和陀螺谐振腔的Q值，Tm为陀螺谐振腔传递函数幅值，η为线宽增强因子。奇异点附近的Sagnac效应增强会受到Petermann因子线宽展宽的限制，因此引入自注入锁定线宽压窄后，激光噪声和拍频输出信号分别为，
Figure BDA0003866999820000036
Figure BDA0003866999820000037
其中，Sv为激光噪声，
Figure BDA0003866999820000038
为Petermann线宽增强因子，Sv0为远离奇异点的非增加噪声，Rv＝Δv0/Δvp为线宽压窄比，ΔfSI为拍频输出信号，Ω为陀螺旋转角速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的工作光源采用一个小型DFB激光器，谐振腔采用回音壁模式微盘谐振腔，能够简化谐振式光学陀螺结构、减小体积、降低成本；通过自注入锁定技术，可以压窄激光器线宽，降低Petermann线宽增强因子带来的噪声影响，能有效提高陀螺灵敏度；直接检测拍频信号频率，可以大幅减小偏振波动噪声等光学噪声的影响。可见，本发明降低陀螺体积和成本的同时，还能提升陀螺的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的基于奇异点信号增强因子对拍频信号频率和比例因子的影响。
图3是本发明的自注入锁定曲线。
图4是本发明的不同参数下的线宽压窄示意图。
图5是本发明的自注入锁定对噪声和输出拍频信号的影响。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于自注入锁频的高灵敏度谐振式微光学陀螺，所述基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺包括：工作光源DFB、环形器CIR1、环形器CIR2、环形器CIR3、微谐振腔WGMR、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3、声光调制器AOM、光电探测器PD和时间检测电路EC，
所述工作光源DFB与环形器CIR1的1号端口相连接，所述环形器CIR1的2号端口与环形器CIR2的1号端口相连接，所述环形器CIR1的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1与环形器CIR1的3号端口相连接，所述环形器CIR2的2号端口与微谐振腔WGMR的1号端口相连接，
所述环形器CIR1的2号端口通过声光调制器AOM与环形器CIR3的1号端口相连接，所述环形器CIR3的2号端口与微谐振腔WGMR的2号端口相连接，
所述环形器CIR2的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2与光电探测器PD相连接，所述环形器CIR3的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3与光电探测器PD相连接，所述光电探测器PD与时间检测电路EC相连接。
所述工作光源DFB、环形器CIR1、环形器CIR2、环形器CIR3、微谐振腔WGMR、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3、声光调制器AOM、光电探测器PD和时间检测电路EC均为具有保偏特性的元件，且工作波长相同，例如均为1550nm，
所述环形器CIR为三端口光纤逆时针环形器，
所述工作光源DFB为单纵模输出半导体激光器，光谱线宽可以为几个Mhz，功率大于10mW，
所述微光学谐振腔WGMR为高Q值回音壁式微盘谐振腔，其材料为可以为氧化硅、氟化钙、氟化镁、氟化钡等氟化物材料，Q值大于109，直径为几个厘米，一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺，所述检测方法包括以下步骤：
步骤1：工作光源DFB输出的单纵模激光经过逆时针环形器CIR1后分成两路，一路进入环形器CIR2的1号端口，另一路通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点后进入至环形器CIR3的1号端口；
步骤2：环形器CIR2的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的1号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS1和瑞利散射RBS1，并经过微谐振腔WGMR的1号端口至环形器CIR2的2号端口；光波SBS1和RBS1从环形器CIR2的3号端口输出分成两路，一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1滤掉布里渊散射SBS1，剩下瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内，另一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2滤掉瑞利散射RBS1，剩下布里渊散射SBS1；
步骤3：环形器CIR3的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的2号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS2和瑞利散射RBS2，并经过微谐振腔WGMR的2号端口至环形器CIR3的2号端口；光波SBS2和RBS2从环形器CIR3的3号端口输出经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3滤掉瑞利散射RBS2，剩下布里渊散射SBS2；
步骤4：步骤2中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2剩下的布里渊散射SBS1与步骤3中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3剩下的布里渊散射SBS2，经过合束耦合产生拍频信号，通过时间检测电路EC检测该拍频信号的频率周期，以此推算陀螺实际转速。
进一步的，所述通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点，如图2所示，由于奇异点对微小扰动的敏感特性，导致拍频信号的频率开始非线性增长以及灵敏度增强，拍频信号频率和比例因子变化的表达式为，
Figure BDA0003866999820000051
Figure BDA0003866999820000052
其中，Δfs为布里渊散射拍频信号，γ为光子衰减率，Γ为布里渊增益带宽，Δfp为泵浦光频率差，Δfsag为Sagnac效应引起的频率变化，Δfc为系统在奇异点时的临界泵浦频差，SE为比例因子，D和n分别为谐振腔直径和折射率，λ为光波长。
进一步的，所述步骤2中瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行自注入频率锁定的表达式为，
Figure BDA0003866999820000061
其中，
Figure BDA0003866999820000062
为激光器初始频率和谐振腔谐振频率的差值，
Figure BDA0003866999820000063
为稳态输出频率和谐振腔谐振频率的差值，f0，fm和fs分别为激光器初始频率，谐振腔谐振频率和稳态输出频率，km为谐振腔的半高全宽，K为反馈系数，α为谐振腔的耦合系数，β为反向传播模式之间的无量纲耦合比(与模式分裂直接相关)，
Figure BDA0003866999820000064
为相位延迟。
如图3所示，自注入锁定过程为通过调节工作光源的温度或驱动电流使自由运行的激光频率逐渐接近谐振腔的谐振频率，在转折点处，它会跳跃到内部频率稳定的区域并处于自注入锁定状态，也就是说激光器自注入锁定后的稳态频率会稳定在谐振腔的谐振频率附近，直到激光器自由运行频率超出了锁频范围。当激光器被锁定时，谐振曲线变成准矩形，优良的稳定输出强度表明激光器与外部谐振器的频率锁定良好。
进一步的，所述瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行线宽压窄的表达式为，
Figure BDA0003866999820000065
其中，Δν0和Δνp分别为压窄前后的激光线宽，Qd和Qm分别为激光器谐振腔和陀螺谐振腔的Q值，Tm为陀螺谐振腔传递函数幅值，η为线宽增强因子。如图4所示，通过调节谐振腔Q值和传递函数幅值可以有效缩小激光器线宽。
进一步的，奇异点附近的Sagnac效应增强会受到Petermann因子线宽展宽的限制，如图5所示，引入自注入锁定线宽压窄后，激光噪声和拍频输出信号分别为，
Figure BDA0003866999820000066
Figure BDA0003866999820000067
其中，Sv为激光噪声，
Figure BDA0003866999820000068
为Petermann线宽增强因子，Sv0为远离奇异点的非增强噪声，Rv＝Δv0/Δvp为线宽压窄比，ΔfSI为拍频输出信号，Ω为陀螺旋转角速度。
综上，本发明涉及一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺。所述DFB与CIR1的1号端口相连接，所述CIR1的2号端口与CIR2的1号端口相连接，所述CIR2的3号端口通过FPF1与CIR1的3号端口相连接，所述CIR2的2号端口与WGMR的1号端口相连接，所述CIR1的2号端口通过AOM与CIR3的1号端口相连接，所述CIR3的2号端口与WGMR的2号端口相连接，所述CIR2的3号端口通过FPF2与PD相连接，所述CIR3的3号端口通过FPF3与PD相连接，所述PD与EC相连接。本发明能够有效抑制奇异点附近的激光噪声，降低陀螺的成本和体积。

Claims (5)

1.一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺，其特征在于：包括工作光源DFB、环形器CIR1、环形器CIR2、环形器CIR3、微谐振腔WGMR、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2、法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3、声光调制器AOM、光电探测器PD和时间检测电路EC；所述工作光源DFB与环形器CIR1的1号端口相连接，所述环形器CIR1的2号端口与环形器CIR2的1号端口相连接，所述环形器CIR1的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1与环形器CIR1的3号端口相连接，所述环形器CIR2的2号端口与微谐振腔WGMR的1号端口相连接，所述环形器CIR1的2号端口通过声光调制器AOM与环形器CIR3的1号端口相连接，所述环形器CIR3的2号端口与微谐振腔WGMR的2号端口相连接，所述环形器CIR2的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2与光电探测器PD相连接，所述环形器CIR3的3号端口通过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3与光电探测器PD相连接，所述光电探测器PD与时间检测电路EC相连接。
2.一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：工作光源DFB输出的单纵模激光经过逆时针环形器CIR1后分成两路，一路进入环形器CIR2的1号端口，另一路通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点后进入至环形器CIR3的1号端口；
步骤2：环形器CIR2的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的1号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS1和瑞利散射RBS1，并经过微谐振腔WGMR的1号端口至环形器CIR2的2号端口；光波SBS1和RBS1从环形器CIR2的3号端口输出分成两路，一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF1滤掉布里渊散射SBS1，剩下瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内，另一路经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2滤掉瑞利散射RBS1，剩下布里渊散射SBS1；
步骤3：环形器CIR3的2号端口输出光波至微谐振腔WGMR的2号端口，光波在微谐振腔WGMR内部激发形成反方向的布里渊散射SBS2和瑞利散射RBS2，并经过微谐振腔WGMR的2号端口至环形器CIR3的2号端口；光波SBS2和RBS2从环形器CIR3的3号端口输出经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3滤掉瑞利散射RBS2，剩下布里渊散射SBS2；
步骤4：步骤2中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF2剩下的布里渊散射SBS1与步骤3中经过法布里-珀罗谐振腔滤波器FPF3剩下的布里渊散射SBS2，经过合束耦合产生拍频信号，通过时间检测电路EC检测该拍频信号的频率周期，以此推算陀螺实际转速。
3.根据权利要求2所述的一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺的检测方法，其特征在于：所述步骤1中通过声光调制器AOM移频使系统达到奇异点，导致灵敏度增强，拍频信号频率和比例因子变化的表达式为，
Figure FDA0003866999810000021
Figure FDA0003866999810000022
其中，Δfs为布里渊散射拍频信号，γ为光子衰减率，Γ为布里渊增益带宽，Δfp为泵浦光频率差，Δfsag为Sagnac效应引起的频率变化，Δfc为系统在奇异点时的临界泵浦频差，SE为比例因子，D和n分别为谐振腔直径和折射率，λ为光波长。
4.根据权利要求2所述的一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺的检测方法，其特征在于：所述步骤2中瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行自注入频率锁定的表达式为，
Figure FDA0003866999810000023
其中，
Figure FDA0003866999810000024
为激光器初始频率和谐振腔谐振频率的差值，
Figure FDA0003866999810000025
为稳态输出频率和谐振腔谐振频率的差值，f0，fm和fs分别为激光器初始频率，谐振腔谐振频率和稳态输出频率，km为谐振腔的半高全宽，K为反馈系数，α为谐振腔的耦合系数，β为反向传播模式之间的无量纲耦合比(与模式分裂直接相关)，
Figure FDA0003866999810000026
为相位延迟。
5.根据权利要求4所述的一种基于自注入锁频的奇异点增强布里渊微光学陀螺的检测方法，其特征在于：所述瑞利散射RBS1经过环形器CIR1的3号端口自注入回工作光源DFB内进行线宽压窄的表达式为，
Figure FDA0003866999810000027
其中，Δv0和Δvp分别为压窄前后的激光线宽，Qd和Qm分别为激光器谐振腔和陀螺谐振腔的Q值，Tm为陀螺谐振腔传递函数幅值，η为线宽增强因子；奇异点附近的Sagnac效应增强会受到Petermann因子线宽展宽的限制，因此引入自注入锁定线宽压窄后，激光噪声和拍频输出信号分别为，
Figure FDA0003866999810000028
Figure FDA0003866999810000029
其中，Sv为激光噪声，
Figure FDA0003866999810000031
为Petermann线宽增强因子，Sv0为远离奇异点的非增加噪声，Rv＝Δv0/Δvp为线宽压窄比，ΔfSI为拍频输出信号，Ω为陀螺旋转角速度。
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