CN115540844A - 一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件 - Google Patents

一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，包括光源模块、分光模块、偏振控制模块、输出尾纤、探测器模块，采用高偏的光纤陀螺用光源管芯作为光源，通过分光模块和偏振控制模块的配合，实现三轴光路的分离以及输出和返回光束的有效分离，输出光束经输出尾纤输出，返回光束被探测器模块的光敏面接收、检测。该光收发集成组件能够在提高三轴光纤陀螺光收发模块集成度的同时减小环境因素对光路的影响，为光纤陀螺的集成化、轻小化研制提供了有效可行的方案。

Description

一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件
技术领域
本发明属于光路设计技术领域，具体涉及一种三轴一体光纤陀螺用光收发组件的光路结构集成方案设计，所设计的三轴一体光收发组件是指三轴光路共用一个光源，主要用于轻小型三轴光纤陀螺领域光收发组件的集成一体化。
背景技术
光纤陀螺作为一种角速度传感器广泛应用于惯性导航领域，可以监测载体的角速度和姿态，一般在惯导组中通常需要三个正交方向安置的光纤陀螺，以实现对载体整个立体空间运动姿态变化的监控。在小型无人机、微小卫星等诸多应用领域，除了对导航精度要求之外，对传感模块还有小体积、低功耗、高可靠性的要求。传统的轻小型三轴一体光纤陀螺采取的方式主要包括：小直径光纤绕环、器件小型化、共用光源和电路板等，但所采用的各光学元件仍为分离单元；此外，尾纤用量和熔点数目较多，降低了光收发模块的可靠性。
三轴一体光收发组件集成方案的难点在于三轴光路之间可能存在的相互串扰、光源与探测器之间的电磁干扰、以及模块中有源元器件的温度控制与散热问题。由于这些问题都比较难以处理，目前国内尚无成熟商用的光纤陀螺用光收发集成组件，所见报道的光纤陀螺光收发集成组件为单轴的芯片光收发集成组件，该方案采用波导式耦合器，需要芯片级异质集成，工艺难度较大，系统实现相对困难。
发明内容
本发明的目的是实现用于三轴光纤陀螺中光收发模块的集成一体化，提出了三轴一体光收发模块的光路集成方案，光路结构采用空间光传输耦合的设计思路，工艺与通信领域工艺兼容，利于大批量国产化生产；且能实现多轴共路的功能，对光纤陀螺的轻小型化具有深远意义。
一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，包括光源模块、分光模块、偏振控制模块、输出尾纤、探测器模块；
所述光源模块包括SLD光源管芯(1)、光源准直透镜(2)，所述SLD光源管芯(1)的发光面后端设置光源准直透镜(2)；
所述分光模块包括第一NPBS(3)、第二NPBS(4)、HR镀层(5)、第一PBS(6)、第二PBS(7)、第三PBS(8)，所述第一NPBS(3)和第二NPBS(4)对平行偏振的p光和垂直偏振的s光的透射率和反射率相等，所述第一PBS(6)、第二PBS(7)和第三PBS(8)对p光全部透射及对s光全部反射；所述光源准直透镜(2)的右侧设置第一NPBS(3)，第一NPBS(3)的右侧设置第一PBS(6)；第一NPBS(3)的下方设置第二NPBS(4)，第二NPBS(4)的右侧设置第二PBS(7)；第二NPBS(4)的下方设置HR镀层(5)，HR镀层(5)的右侧以及第二PBS(7)的斜下方设置第三PBS(8)；
所述偏振控制模块包括非互易法拉第旋光片(11)和半波片(12)，所述偏振控制模块位于所述分光模块的右侧，从所述分光模块输出的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向旋转90°及从所述输出尾纤返回的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，或者从所述分光模块输出的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变及从所述输出尾纤返回的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向旋转90°；
所述探测器模块包括第一聚焦透镜(91)、第二聚焦透镜(92)、第三聚焦透镜(93)、第一探测器(101)、第二探测器(102)、第三探测器(103)，所述第一聚焦透镜(91)和第一探测器(101)位于所述第一PBS(6)的上方，所述第二聚焦透镜(92)和第二探测器(102)位于所述第二PBS(7)的下方，第三聚焦透镜(93)和所述第三探测器(103)位于所述第三PBS(8)的下方；
所述输出尾纤包括第一尾纤准直镜(131)、第二尾纤准直镜(132)、第三尾纤准直镜(133)、第一保偏尾纤(141)、第二保偏尾纤(142)、第三保偏尾纤(143)，所述输出尾纤位于所述偏振控制模块的右侧，实现三轴光束的输出。
进一步，所述第一NPBS(3)的透射率与反射率之比为1:2，所述第二NPBS(4)的透射率与反射率之比为1:1。
进一步，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，透射光(p光)入射到第一PBS(6)，第一PBS(6)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第一尾纤准直镜(131)和第一保偏尾纤(141)出射；同时从第一保偏尾纤(141)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第一PBS(6)反射至第一聚焦透镜(91)，汇聚后被第一探测器(101)的光敏面接收、检测。
进一步，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，反射光(p光)入射到第二NPBS(4)，经反射后入射到第二PBS(7)，第二PBS(7)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第二尾纤准直镜(132)和第二保偏尾纤(142)出射；同时从第二保偏尾纤(142)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第二PBS(7)反射至第二聚焦透镜(92)，汇聚后被第二探测器(102)的光敏面接收、检测。
进一步，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，反射光(p光)入射到第二NPBS(4)，经透射后入射到HR镀层(5)，HR镀层(5)将光束反射到第三PBS(8)，第三PBS(8)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第三尾纤准直镜(133)和第三保偏尾纤(143)出射；同时从第三保偏尾纤(143)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第三PBS(8)反射至第三聚焦透镜(93)，汇聚后被第三探测器(103)的光敏面接收、检测。
本发明的优点与积极效果在于：
本发明的光收发集成组件通过采用偏振无关分光棱镜(NPBS)以及偏振相关分光棱镜(PBS)和偏振旋转控制单元来分离开出射和返回光路，能够有效避免光路之间的相互串扰。具体包括：
(1)本发明“一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件”，采用的结构方案具有普适性：通用于采用SLD光源的光纤陀螺，通过改变分光模块中分光棱镜的布局与使用，可推广至单轴和双轴光纤陀螺光收发模块的集成，为轻小型光纤陀螺的光收发模块的集成化和小型化提供了可靠的技术途径。
(2)本发明“一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件”，通过偏振控制单元的使用，较为简单的就可实现光路的全保偏传输，避免了传统光纤陀螺的全保偏方案中，保偏耦合器性能稳定实现困难的局限性。
(3)本发明“一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件”，光路结构方案中，光功率的理论利用效率在90％以上，避免了传统三轴一体光纤陀螺中2×2耦合器中的50％支路光功率浪费，显著提高了功率利用效率，也有利于系统信噪比的提高。
附图说明
图1为采用传统分离元器件的光纤陀螺结构，其中“·”表示光纤熔点。
图2为采用本发明中所设计三轴一体光收发组件的光纤陀螺结构，其中“·”表示光纤熔点。
图3是本发明“一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发组件集成方案”中三轴一体集成光收发组件的光路结构图。
图4是所设计的三轴一体集成光收发组件的偏振控制模块对偏振态旋转控制的原理示意图。其中
Figure BDA0003816717890000051
表示光束传播方向；
Figure BDA0003816717890000052
代表光束的偏振方向。
图中：1-SLD光源管芯，2-光源准直透镜，3-第一NPBS(1：2)，4-第二NPBS(1：1)，5-HR镀层，6-第一PBS，7-第二PBS，8-第三PBS，91/92/93-聚焦透镜，101/102/103-探测器，11-非互易法拉第旋光片，12-半波片，131/132/133-尾纤准直镜，141/142/143-保偏尾纤。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明针对三轴一体光纤陀螺的小型化、一体化提出了光收发模块的集成化方案，有较高的应用需求。图1所示为传统的三轴一体光纤陀螺基本光路结构，图2所示为采用本发明设计集成光收发组件的光纤陀螺光路结构。从图中可以看出，传统的光纤陀螺方案中的分离元件较多，造成整体体积大、光纤尾纤及熔接点多，通过本发明设计的三轴一体集成光收发组件，有效减小了元器件用量和整体尺寸，同时显著减少了尾纤熔点数量，从而减少了环境因素对光纤特性影响引入的非线性误差，和光纤熔点存在的背向散射引入的误差。图3具体地显示了本发明设计的集成光收发组件的结构方案与光路传输途径，该设计发明的关键在光路方案的设计以及组件整体结构布局的设计。本发明设计采用的光收发组件集成方案为：采用高偏的光纤陀螺用光源管芯，通过分光模块和偏振控制模块的配合，实现三轴光路的分离以及输出和返回光束的有效分离，并简单可行的实现了光纤陀螺光路的全保偏方案。具体实施方案如下所述。
一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，包括光源模块、分光模块、偏振控制模块、输出尾纤、探测器模块、准直和聚焦透镜，具体光路结构及光线传输路径如图3所示：
(1)光源模块
所设计三轴一体光收发集成组件的光源模块包括SLD光源管芯1、光源准直透镜2以及用于光源的温度控制单元：SLD光源管芯发出宽谱高斯光束，是模块的核心部分之一；后接准直透镜将光源管芯出射的发散光束汇聚准直成为平行光。
(2)分光模块
所设计三轴一体光收发集成组件的分光模块是由两块NPBS作为功率分配执行单元；三块PBS作为分离模块出射光束和尾纤返回光束的单元；还有一个高反射率(HR)镀层用以改变光束的传播方向。
为了使三路光束的光功率接近，两块NPBS的透射率和反射率不同，其中，NPBS3的T:R＝1:2，NPBS4的NPBS3的T:R＝1:1。
分光模块中的NPBS对p光和s光的透射率和反射率相等(Tp≈Ts，Rp≈Rs)；PBS对模块输出的p光全部透射(Tp≈1，Rp≈0)，对尾纤返回的s光全部反射(Ts≈0，Rs≈1)，从而将出射光束和返回光束分离开来。
(3)偏振控制模块
所设计三轴一体光收发集成组件的偏振控制模块由非互易法拉第旋光片11和半波片12组成，为了将所设计三轴一体光收发集成组件出射光束的偏振态与尾纤返回光束的偏振态区别开来，以使分光模块中的PBS对模块出射光束和尾纤返回光束的透、反射效果不同。以本发明中实际采用的光路结构为例：所提及的偏振控制模块对输出/返回方向的光为非互易性的偏振改变，如图4所示，使输出p光(平行偏振光)经过该偏振控制模块后输出时偏振方向旋转90°，变为s光(垂直偏振光)，而从尾纤返回的s光经过该偏振控制模块后偏振方向不作改变。
(4)探测器模块
所设计三轴一体光收发集成组件的探测器模块主要包括作为系统探测器的光电二极管(PD)芯片101、102、103以及放置其前的聚焦透镜91、92、93，是模块最终的接收单元，并将接收到的光信号转换为电信号。
本发明提出的光收发集成组件的光源采用高偏的SLD光源管芯(本设计光路中将其调节为p光处理)，光源管芯1输出的偏振光为发散光束，经准直透镜2准直后，入射到偏振不相关的分光棱镜(NPBS)3上，NPBS对s光和p光的分光比相同，PBS的作用是对p光全部透射(Tp≈1，Rp≈0)，对s光全部反射(Ts≈0，Rs≈1)。
光在分光模块中的传播过程并不涉及偏振态的转变，出射光束始终为p光。PBS-6、PBS-7、PBS-8的透射光束经过非互易的偏振控制模块11+12后，偏振态发生变化，由p光转变为s光，即保偏尾纤141、142、143输出的传输光为s光，而由141、142、143反向传回的光束经过偏振控制模块11+12后，偏振方向保持不变，仍为s光，其具体原理与过程如图4所示。
尾纤141、142、143反向传回的返回光束经过振控制模块11+12后保持s光，再分别经过PBS-6、PBS-7、PBS-8皆会被全部反射，即可实现输出光路与返回光路的分离，返回光束经过聚焦透镜91-93汇聚后被探测器101-103的光敏面接收、检测。探测器接收到的光信号经过光电转换，然后由后续信号处理和前置放大电路处理后由组件的管脚输出。
本发明从光路方案设计的角度阐述了一种三轴一体光纤陀螺光收发模块的集成方案，能够在提高三轴光纤陀螺光收发模块集成度的同时减小环境因素对光路的影响，为轻小型光纤陀螺的集成化、轻小化研制提供了有效可行的方案。

Claims (5)

1.一种用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，其特征在于，包括光源模块、分光模块、偏振控制模块、输出尾纤、探测器模块；
所述光源模块包括SLD光源管芯(1)、光源准直透镜(2)，所述SLD光源管芯(1)的发光面后端设置光源准直透镜(2)；
所述分光模块包括第一NPBS(3)、第二NPBS(4)、HR镀层(5)、第一PBS(6)、第二PBS(7)、第三PBS(8)，所述第一NPBS(3)和第二NPBS(4)对平行偏振的p光和垂直偏振的s光的透射率和反射率相等，所述第一PBS(6)、第二PBS(7)和第三PBS(8)对p光全部透射及对s光全部反射；所述光源准直透镜(2)的右侧设置第一NPBS(3)，第一NPBS(3)的右侧设置第一PBS(6)；第一NPBS(3)的下方设置第二NPBS(4)，第二NPBS(4)的右侧设置第二PBS(7)；第二NPBS(4)的下方设置HR镀层(5)，HR镀层(5)的右侧以及第二PBS(7)的斜下方设置第三PBS(8)；
所述偏振控制模块包括非互易法拉第旋光片(11)和半波片(12)，所述偏振控制模块位于所述分光模块的右侧，从所述分光模块输出的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向旋转90°及从所述输出尾纤返回的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，或者从所述分光模块输出的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变及从所述输出尾纤返回的光束经过所述偏振控制模块后偏振方向旋转90°；
所述探测器模块包括第一聚焦透镜(91)、第二聚焦透镜(92)、第三聚焦透镜(93)、第一探测器(101)、第二探测器(102)、第三探测器(103)，所述第一聚焦透镜(91)和第一探测器(101)位于所述第一PBS(6)的上方，所述第二聚焦透镜(92)和第二探测器(102)位于所述第二PBS(7)的下方，第三聚焦透镜(93)和所述第三探测器(103)位于所述第三PBS(8)的下方；
所述输出尾纤包括第一尾纤准直镜(131)、第二尾纤准直镜(132)、第三尾纤准直镜(133)、第一保偏尾纤(141)、第二保偏尾纤(142)、第三保偏尾纤(143)，所述输出尾纤位于所述偏振控制模块的右侧，实现三轴光束的输出。
2.根据权利要求1所述的用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，其特征在于，所述第一NPBS(3)的透射率与反射率之比为1:2，所述第二NPBS(4)的透射率与反射率之比为1:1。
3.根据权利要求1或2所述的用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，其特征在于，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，透射光入射到第一PBS(6)，第一PBS(6)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第一尾纤准直镜(131)和第一保偏尾纤(141)出射；同时从第一保偏尾纤(141)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第一PBS(6)反射至第一聚焦透镜(91)，汇聚后被第一探测器(101)的光敏面接收、检测。
4.根据权利要求3所述的用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，其特征在于，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，反射光入射到第二NPBS(4)，经反射后入射到第二PBS(7)，第二PBS(7)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第二尾纤准直镜(132)和第二保偏尾纤(142)出射；同时从第二保偏尾纤(142)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第二PBS(7)反射至第二聚焦透镜(92)，汇聚后被第二探测器(102)的光敏面接收、检测。
5.根据权利要求4所述的用于三轴一体光纤陀螺的光收发集成组件，其特征在于，所述光源模块的出射光束为p光，入射到第一NPBS(3)后，反射光入射到第二NPBS(4)，经透射后入射到HR镀层(5)，HR镀层(5)将光束反射到第三PBS(8)，第三PBS(8)对p光全部透射并入射到所述偏振控制模块，光束的偏振方向旋转90°，变为s光，经第三尾纤准直镜(133)和第三保偏尾纤(143)出射；同时从第三保偏尾纤(143)返回的s光经过所述偏振控制模块后偏振方向保持不变，经第三PBS(8)反射至第三聚焦透镜(93)，汇聚后被第三探测器(103)的光敏面接收、检测。
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