CN116045943A - 一种光子晶体光纤陀螺光收发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，包含集成光路和光纤陀螺集成电路；所述集成光路包含光源、耦合器、消偏器、调制器、光纤环和探测器；本发明通过包含集成光路和光纤陀螺电路的光纤陀螺光收发系统设计，集成光路中光子晶体光纤陀螺将光源、耦合器及探测器集成为光收发模块，光纤熔点数量从3减少为1，光路稳定性、可靠性大幅提升；光纤陀螺电路部分包括光源驱动、前置放大、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理等电路，实现闭环反馈控制等功能；光源驱动芯片和前置放大芯片将放置于光收发模块中，光子晶体光纤陀螺电路将集成为光源驱动、前放、信号高速处理芯片，实现小型化、低成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺光收发技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤陀螺光收发系统。
背景技术
光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand-Gap，简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”；这一概念最初是在光学领域提出的，其研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现，光纤陀螺即光纤角速度传感器，它是各种光纤传感器中最有希望推广应用的一种；光纤陀螺和环形激光陀螺一样，具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小等优点；除此之外光纤陀螺还克服了环形激光陀螺成本高和闭锁现象等致命缺点。
光子晶体光纤陀螺光收发部分包含光源、耦合器、探测器，均为分立器件，需要大量光纤熔接工作，难以实现自动化生产，且现有技术中集成光路中的光纤熔点数量较多难以保证光路稳定性和可靠性，同时集成光路的光纤中因为温度、振动等因素容易对系统精度产生影响，为此我们提出一种光子晶体光纤陀螺光收发系统来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，光纤陀螺光收发系统包含集成光路和光纤陀螺集成电路；所述集成光路包含光源、耦合器、消偏器、调制器、光纤环和探测器；所述纤陀螺集成电路包含光源驱动电路集成芯片、PINFET驱动及前放电路集成芯片；
所述集成光路用于高精度恒流驱动控制以及温度控制；所述光纤陀螺电路用于将光电二极管光信号转换成电流信号，利用模拟开关去掉由陀螺调制产生的脉冲信号后经过运放对信号滤波放大，转换为差分信号用于高速采样；
所述集成光路以850nm波长为基础，采用基于空间光路集成的全固态结构方案，用半透半反波片耦合器将光源芯片和探测器芯片对准耦合封装，在内部消除光纤以避免温度、振动的因素对系统精度影响，提高光功率的耦合效率和系统抗干扰能力并降低了封装成本。
优选的，所述光纤陀螺电路还包括包括光源驱动、前置放大器、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理电路，以实现闭环反馈控制。
优选的，所述集成光路中恒流电路为光源提供驱动电流，温控电路控制光源管芯温度恒定，集成光路还包括数字闭环检测电路。
优选的，所述数字闭环检测电路包括前置放大模块、A/D模块、数字信号处理模块、D/A转换及驱动模块。
优选的，还包括光子晶体光纤陀螺模块化测试，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺将从光路模块和电路模块器件级测试、平台/转台温箱下稳定性及精度测试、振动台/冲击台力学性能测试方面，实现批量化集成测试、全数据自动采集/上传/分析/保存、数据自动判读/预警及报告自动生成功能，全面实现自动化测试。
优选的，还包括光子晶体光纤陀螺全自动成环方法：基于光纤陀螺需求设计细径光子晶体光纤结构，兼顾光纤损耗与偏振特性，设计光纤空气孔周期、尺寸与光纤直径；光子晶体光纤采用“堆积-拉制”法拉制，根据光纤结构拉制毛细管，将毛细管堆积成类似光纤结构的预制棒，经过两次拉制制备光子晶体光纤，提高材料利用率，实现光子晶体光纤高效制备。
优选的，实现光子晶体光纤高效制备之后的步骤还包括：光子晶体光纤陀螺中核心敏感元件为光子晶体光纤环，其光学特性包含损耗、串音和温度性能，影响因素为应力及排纤整齐性，从应力及排纤整齐性两个影响因素入手，开展关键成环参数对光纤环性能影响研究。
优选的，开展关键成环参数对光纤环性能影响研究之后的步骤还包括：明确多极高对称光纤环对关键成环参数的要求，以此为依据确认多极高对称光纤环全自动精密绕环机的总体方案，实现张力全过程闭环高精度自动控制、机器人自动辅助排纤、高速环境图像高清显示及自动控制和光纤环自动交叉换位的关键技术与工艺，完成全自动精密绕环机研制，并从光纤环和陀螺两个层面对所绕制的光纤环样品进行测试验证。
优选的，还包括光子晶体光纤陀螺光收发模块一体化设计方法，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺集成光收发系统采取基于空间光路集成的全固态方案，消除发光、光放大、光探测等有源功能与光传输、合波、分波等无源功能之间的不兼容性；光纤陀螺集成光学系统包含SLD管芯、非球面透镜、半透半反镜、PIN管等光学器件，确定SLD管芯发光模型，理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真。
优选的，理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真之后的步骤还包括：研制光源驱动电路集成芯片和PINFET驱动前放电路集成芯片，并搭建测试平台测试其性能，芯片合格后再通过耦合封装工艺手段与光学器件集成，完成光纤陀螺集成光收发组件样机研制及光学性能和陀螺性能全面测试，多轮次迭代形成稳定的一体化光收发系统。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过包含集成光路和光纤陀螺电路的光纤陀螺光收发系统设计，集成光路中光子晶体光纤陀螺将光源、耦合器及探测器集成为光收发模块，光纤熔点数量从3减少为1，光路稳定性、可靠性大幅提升；光纤陀螺电路部分包括光源驱动、前置放大、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理等电路，实现闭环反馈控制等功能；光源驱动芯片和前置放大芯片将放置于光收发模块中，新型光子晶体光纤陀螺电路一体化重点是将FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理等电路进行集成，光子晶体光纤陀螺电路将集成为光源驱动、前放、信号高速处理芯片，实现小型化、低成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明光子晶体光纤陀螺光收发系统中光纤陀螺的原理示意图；
图2为本发明光子晶体光纤陀螺光收发系统的系统框图。
具体实施方式
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。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
本发明提供了如图1-2所示的实施例：
一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，光纤陀螺光收发系统包含集成光路和光纤陀螺集成电路；所述集成光路包含光源、耦合器、消偏器、调制器、光纤环和探测器；所述纤陀螺集成电路包含光源驱动电路集成芯片、PINFET驱动及前放电路集成芯片；
所述集成光路用于高精度恒流驱动控制以及温度控制；所述光纤陀螺电路用于将光电二极管光信号转换成电流信号，利用模拟开关去掉由陀螺调制产生的脉冲信号后经过运放对信号滤波放大，转换为差分信号用于高速采样；
所述集成光路以850nm波长为基础，采用基于空间光路集成的全固态结构方案，用半透半反波片耦合器将光源芯片和探测器芯片对准耦合封装，在内部消除光纤以避免温度、振动的因素对系统精度影响，提高光功率的耦合效率和系统抗干扰能力并降低了封装成本。
所述光纤陀螺电路还包括包括光源驱动、前置放大器、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理电路，以实现闭环反馈控制；所述集成光路中恒流电路为光源提供驱动电流，温控电路控制光源管芯温度恒定，集成光路还包括数字闭环检测电路；所述数字闭环检测电路包括前置放大模块、A/D模块、数字信号处理模块、D/A转换及驱动模块。
还包括光子晶体光纤陀螺模块化测试，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺将从光路模块和电路模块器件级测试、平台/转台温箱下稳定性及精度测试、振动台/冲击台力学性能测试方面，实现批量化集成测试、全数据自动采集/上传/分析/保存、数据自动判读/预警及报告自动生成功能，全面实现自动化测试。
还包括光子晶体光纤陀螺全自动成环方法：基于光纤陀螺需求设计细径光子晶体光纤结构，兼顾光纤损耗与偏振特性，设计光纤空气孔周期、尺寸与光纤直径；光子晶体光纤采用“堆积-拉制”法拉制，根据光纤结构拉制毛细管，将毛细管堆积成类似光纤结构的预制棒，经过两次拉制制备光子晶体光纤，提高材料利用率，实现光子晶体光纤高效制备；
光子晶体光纤陀螺中核心敏感元件为光子晶体光纤环，其光学特性包含损耗、串音和温度性能，影响因素为应力及排纤整齐性，从应力及排纤整齐性两个影响因素入手，开展关键成环参数对光纤环性能影响研究；
明确多极高对称光纤环对关键成环参数的要求，以此为依据确认多极高对称光纤环全自动精密绕环机的总体方案，实现张力全过程闭环高精度自动控制、机器人自动辅助排纤、高速环境图像高清显示及自动控制和光纤环自动交叉换位的关键技术与工艺，完成全自动精密绕环机研制，并从光纤环和陀螺两个层面对所绕制的光纤环样品进行测试验证。
还包括光子晶体光纤陀螺光收发模块一体化设计方法，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺集成光收发系统采取基于空间光路集成的全固态方案，消除发光、光放大、光探测等有源功能与光传输、合波、分波等无源功能之间的不兼容性；光纤陀螺集成光学系统包含SLD管芯、非球面透镜、半透半反镜、PIN管等光学器件，确定SLD管芯发光模型，理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真；
理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真之后的步骤还包括：研制光源驱动电路集成芯片和PINFET驱动前放电路集成芯片，并搭建测试平台测试其性能，芯片合格后再通过耦合封装工艺手段与光学器件集成，完成光纤陀螺集成光收发组件样机研制及光学性能和陀螺性能全面测试，多轮次迭代形成稳定的一体化光收发系统。
综上所述，本发明通过包含集成光路和光纤陀螺电路的光纤陀螺光收发系统设计，集成光路中光子晶体光纤陀螺将光源、耦合器及探测器集成为光收发模块，光纤熔点数量从3减少为1，光路稳定性、可靠性大幅提升；光纤陀螺电路部分包括光源驱动、前置放大、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理等电路，实现闭环反馈控制等功能；光源驱动芯片和前置放大芯片将放置于光收发模块中，新型光子晶体光纤陀螺电路一体化重点是将FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理等电路进行集成，光子晶体光纤陀螺电路将集成为光源驱动、前放、信号高速处理芯片，实现小型化、低成本。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：
光纤陀螺光收发系统包含集成光路和光纤陀螺集成电路；所述集成光路包含光源、耦合器、消偏器、调制器、光纤环和探测器；所述纤陀螺集成电路包含光源驱动电路集成芯片、PINFET驱动及前放电路集成芯片；
所述集成光路用于高精度恒流驱动控制以及温度控制；所述光纤陀螺电路用于将光电二极管光信号转换成电流信号，利用模拟开关去掉由陀螺调制产生的脉冲信号后经过运放对信号滤波放大，转换为差分信号用于高速采样；
所述集成光路以850nm波长为基础，采用基于空间光路集成的全固态结构方案，用半透半反波片耦合器将光源芯片和探测器芯片对准耦合封装，在内部消除光纤以避免温度、振动的因素对系统精度影响，提高光功率的耦合效率和系统抗干扰能力并降低了封装成本。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：所述光纤陀螺电路还包括包括光源驱动、前置放大器、FPGA信号高速处理、A/D及D/A信号处理电路，以实现闭环反馈控制。
3.根据权利要求2所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：所述集成光路中恒流电路为光源提供驱动电流，温控电路控制光源管芯温度恒定，集成光路还包括数字闭环检测电路。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：所述数字闭环检测电路包括前置放大模块、A/D模块、数字信号处理模块、D/A转换及驱动模块。
5.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：还包括光子晶体光纤陀螺模块化测试，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺将从光路模块和电路模块器件级测试、平台/转台温箱下稳定性及精度测试、振动台/冲击台力学性能测试方面，实现批量化集成测试、全数据自动采集/上传/分析/保存、数据自动判读/预警及报告自动生成功能，全面实现自动化测试。
6.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：还包括光子晶体光纤陀螺全自动成环方法：基于光纤陀螺需求设计细径光子晶体光纤结构，兼顾光纤损耗与偏振特性，设计光纤空气孔周期、尺寸与光纤直径；光子晶体光纤采用“堆积-拉制”法拉制，根据光纤结构拉制毛细管，将毛细管堆积成类似光纤结构的预制棒，经过两次拉制制备光子晶体光纤，提高材料利用率，实现光子晶体光纤高效制备。
7.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：实现光子晶体光纤高效制备之后的步骤还包括：光子晶体光纤陀螺中核心敏感元件为光子晶体光纤环，其光学特性包含损耗、串音和温度性能，影响因素为应力及排纤整齐性，从应力及排纤整齐性两个影响因素入手，开展关键成环参数对光纤环性能影响研究。
8.根据权利要求7所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：开展关键成环参数对光纤环性能影响研究之后的步骤还包括：明确多极高对称光纤环对关键成环参数的要求，以此为依据确认多极高对称光纤环全自动精密绕环机的总体方案，实现张力全过程闭环高精度自动控制、机器人自动辅助排纤、高速环境图像高清显示及自动控制和光纤环自动交叉换位的关键技术与工艺，完成全自动精密绕环机研制，并从光纤环和陀螺两个层面对所绕制的光纤环样品进行测试验证。
9.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：还包括光子晶体光纤陀螺光收发模块一体化设计方法，包括如下步骤：光子晶体光纤陀螺集成光收发系统采取基于空间光路集成的全固态方案，消除发光、光放大、光探测等有源功能与光传输、合波、分波等无源功能之间的不兼容性；光纤陀螺集成光学系统包含SLD管芯、非球面透镜、半透半反镜、PIN管等光学器件，确定SLD管芯发光模型，理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真。
10.根据权利要求9所述的一种光子晶体光纤陀螺光收发系统，其特征在于：理论分析设计对应的非球面透镜光学参数并完成性能仿真之后的步骤还包括：研制光源驱动电路集成芯片和PINFET驱动前放电路集成芯片，并搭建测试平台测试其性能，芯片合格后再通过耦合封装工艺手段与光学器件集成，完成光纤陀螺集成光收发组件样机研制及光学性能和陀螺性能全面测试，多轮次迭代形成稳定的一体化光收发系统。
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| CN (1) | CN116045943A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117346762A (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-05 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种集成光纤陀螺光路及惯导系统 |
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2022
- 2022-12-31 CN CN202211738949.2A patent/CN116045943A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117346762A (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-05 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种集成光纤陀螺光路及惯导系统 |
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