CN116429078A - 一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，包括四个1550nm波长光纤准直器A、B、C、D以及一个棱镜，在棱镜的特定面上分别镀有1550nm波长的增透膜、半透半反膜以及高反膜。该耦合器件体积极小、稳定性较高，可以无需双频率光束同时满足谐振条件的情况下实现低阈值激发受激布里渊激光的目的，简化总体方案，提高陀螺系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺领域，具体涉及一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，可作为一种具有恒定光程差的干涉仪，也可作为基于马赫-曾德干涉仪的光学滤波器。
背景技术
光纤陀螺在原理上具有高精度、全固态、高可靠等突出优点，在惯性导航系统应用领域中占据重要作用，并呈现持续上升的发展趋势。经过40余年的发展，光纤陀螺已经成为主流惯性仪表，广泛应用于姿态控制、定位导航、油井斜测等军民用各领域。到目前为止，光纤陀螺主要经历了干涉式、谐振式和布里渊式光纤陀螺的发展历程。其中干涉式光纤陀螺通常采用宽谱光源，无需稳频且结构简单，但为保证陀螺精度光纤长度需数千公里且精密成环，难以实现集成化。谐振式光纤陀螺的核心部件为光纤谐振腔，仅需几十米光纤或毫米级片上波导即可保证陀螺高精度，但受制于光源线宽、稳定性及各种光学噪声、系统复杂性等因素，谐振式光纤陀螺仍停滞于实验室研究阶段。随着相关技术的进步，超窄线宽激光器、光子晶体光纤以及各种器件的发展给布里渊光纤陀螺带来了机遇。
布里渊光纤陀螺基于受激布里渊散射效应(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)和Sagnac效应，结构如图1所示，泵浦光经耦合器1后分成两束强度相等的光，经过耦合器2后进入光纤环形谐振腔。当谐振腔中泵浦光强度达到阈值后将在环形腔中产生与泵浦光反向的、频差为布里渊频移量的SBS光。由于光学Sagnac效应，两束顺逆时针SBS光频率随环形谐振腔的转速发生变化。对SBS光进行拍频处理，即可得出系统的旋转角速度。作为第三代光纤陀螺具有信号线性输出、大动态范围和高灵敏度等优点，在实现陀螺微型化、高灵敏度方面具有应用潜力。
为减小陀螺的整体尺寸，需尽可能缩短环形谐振腔的光纤长度，但受激布里渊散射的激发阈值随光纤长度的减小而增大，因此传统的布里渊光纤陀螺方案采用双谐振的方法以降低泵浦光的阈值功率，即通过设置光纤谐振腔初始长度结合PZT实时控制光纤环的长度或对激光器的实时调谐，使得泵浦光与布里渊激光同时满足光纤环形谐振腔的谐振条件。但该方法对谐振腔的光纤初始长度要求极其严格且双频率光束同时稳频的控制系统非常复杂、实现难度较大，进而导致输出激光的稳定性较差直接影响到惯导系统的检测精度。
本发明克服了布里渊光纤陀螺中采用传统耦合器件存在的问题，提出的耦合器件体积极小、稳定性较高，可以无需双频率光束同时满足谐振条件的情况下实现低阈值激发受激布里渊激光的目的，简化总体方案，提高惯导系统的稳定性。
发明内容
本发明提出了一种可应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，该发明的特点是小型化，无熔点，具有高可靠性，且适合于批量生产。采用上述耦合器件的布里渊光纤陀螺控制更简单，阈值更低。
本发明提出的耦合器件其频率相关的传输特性使泵浦光可以单次通过光纤环形谐振腔而不产生谐振，而布里渊激光信号可以在光纤环形谐振腔中谐振，从而实现稳定的泵浦操作；同时，根据纵模和布里渊增益曲线中心的相对位置，结合简单的反馈稳频回路即可实现稳定的单频率光束稳频。
现有技术采用双频率光束同时满足谐振条件的方式降低泵浦激光阈值，降低布里渊光纤陀螺泵浦激光的功率。为简化陀螺系统稳频的难度，仅对单频率光束稳频即可达到降低布里渊激光激发阈值的效果，期望陀螺中的耦合器件可以实现：(1)泵浦光大比例进入光纤谐振腔，仅通过一次往返且其在腔中不发生谐振；(2)SBS激光须在光纤环形谐振腔中以多次往返循环，且在腔内损耗极小。
对于本发明提出的耦合器件，在棱镜的折射率、尺寸满足Δl＝c/2nfB时，其中c为光速，n为棱镜折射率，Δl为棱镜上侧面到底部的最大垂直距离，fB为布里渊频移量(fB＝2nυafp/c，υa为棱镜内的声速，fp为输入泵浦激光的频率)，该器件的传输光谱是光束频率的周期函数，其谱型符合正余弦函数的规律，可以作为周期滤波器。当且仅当泵浦激光的频率与布里渊激光的频率分别位于传输光谱的谷值和峰值，即受激布里渊散射频差的值与传出光谱峰峰值横坐标对应的频率相匹配时，该耦合器件可以满足降低布里渊陀螺稳频难度的要求。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，包括四个1550nm波长光纤准直器A、B、C、D以及一个特定面镀有增透、半透半反、高反膜的棱镜；
所述棱镜为宝石状，棱镜外侧面包括顺时针连接的左侧面、上侧面、右侧面、右下侧面、左下侧面，其中上侧面平行于水平面，左侧面和右侧面相互平行，且均垂直于上侧面，左下侧面与右下侧面构成直角等腰三角形；左侧面和右侧面的高度相等，且均为上侧面长度的1/2；所述棱镜沿上侧面与左侧面的交接处、且平行于左下侧面切割，沿上侧面与右侧面的交接处、且平行于右下侧面切割，形成内部两个相交平面，分别记为左内侧面、右内侧面；所述左侧面、上侧面、右侧面镀有1550nm波长的增透膜，所述左内侧面、右内侧面镀有1550nm波长的半透半反膜，所述左下侧面、右下侧面镀有1550nm波长的高反膜；
1550nm波长光纤准直器A位于棱镜左侧面，1550nm波长光纤准直器B和C分别位于棱镜上侧面，1550nm波长光纤准直器D位于棱镜右侧面。
进一步，泵浦激光由光纤准直器A输入，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜分成两束，一束反射至左下侧面1550nm波长的高反膜，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D；一束透射至右内侧面的1550nm波长的半透半反膜，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C；
泵浦激光由光纤准直器B输入，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜分成两束，一束反射至右内侧面1550nm波长的半透半反膜，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C；一束透射至左下侧面1550nm波长的高反膜，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D。
进一步，所述棱镜上侧面到底部的最大垂直距离Δl满足：
其中，c为光速，n为棱镜折射率，
为布里渊频移量，υa为棱镜内的声速，fp为输入泵浦激光的频率。
进一步，所述光纤准直器A,B,C,D的工作距离最优为1.5nΔl。
本发明还提供一种布里渊光纤陀螺，包括上述耦合器件，还包括1550nm泵浦激光光源、50/50光纤耦合器、滤波器、探测器、光纤环形谐振腔，1550nm泵浦激光光源发出泵浦激光，经由50/50光纤耦合器分成两束分别进入光纤准直器A与光纤准直器B，分别于光纤准直器C及光纤准直器D端口进入光纤环形谐振腔；光纤环形谐振腔内泵浦激光激发的布里渊激光敏感角速度，通过光纤准直器A与光纤准直器B返回50/50光纤耦合器，在滤波器去除泵浦光、瑞利散射光后进入探测器，进而敏感角速度。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
1.基于本发明的布里渊光纤陀螺不需要泵浦光频率与光纤环形谐振腔谐振点匹配，简化了稳频系统。
2.相较于现有技术中两光纤耦合器熔接的方式，将分光膜直接贴在棱镜的面上，结构稳定且无熔接点，增加了布里渊光纤陀螺的光路可靠性。
3.本发明尺寸体积小，有利于光纤陀螺的小型化设计，而且有很强的可行性和实用性。
4.本发明提出的耦合器件结构简单，可以实现批量生产，有利于实现设备的产业化。
附图说明
图1为布里渊光纤陀螺的示意图；
图2为一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件示意图；
图3为耦合器件内部的光路图；
图4为光纤准直器A输入调谐激光时，光纤准直器C和D端口的输出归一化光强度；
图5为基于该耦合器件的布里渊光纤陀螺结构示意图；
图2-5中：1-1550nm波长光纤准直器A，2-1550nm波长光纤准直器B，3-1550nm波长光纤准直器C，4-1550nm波长光纤准直器D，5-1550nm波长的增透膜，6-1550nm波长的半透半反膜，7-1550nm波长的高反膜，8-熔融石英或K9玻璃材质的棱镜，9-1550nm泵浦激光光源，10-1550nm波长的50/50光纤耦合器，11-1550nm波长超窄光纤滤波器，12-探测器，13-光纤环形谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的发明内容进行详细说明。
本发明提供一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，如图2所示。该方案包括4个1550nm波长光纤准直器，1个熔融石英或K9玻璃或其他通光材质的特殊形状棱镜，其上在特定面分别镀有1550nm波长的增透膜、半透半反膜以及高反膜。
具体的，所述棱镜为宝石状，棱镜外侧面包括顺时针连接的左侧面、上侧面、右侧面、右下侧面、左下侧面，其中上侧面平行于水平面，左侧面和右侧面相互平行，且均垂直于上侧面，左下侧面与右下侧面构成直角等腰三角形；左侧面和右侧面的高度相等，且均为上侧面长度的1/2。所述棱镜沿上侧面与左侧面的交接处、且平行于左下侧面切割，沿上侧面与右侧面的交接处、且平行于右下侧面切割，形成内部两个相交平面，分别记为左内侧面、右内侧面。所述左侧面、上侧面、右侧面镀有1550nm波长的增透膜5，所述左内侧面、右内侧面镀有1550nm波长的半透半反膜6，所述左下侧面、右下侧面镀有1550nm波长的高反膜。
1550nm波长光纤准直器A位于棱镜左侧面，1550nm波长光纤准直器B和C分别位于棱镜上侧面，1550nm波长光纤准直器D位于棱镜右侧面。
该应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件的实现具体包括以下步骤：
步骤一、选取合适的通光介质作为棱镜的制作材料，例如熔融石英或K9玻璃；
步骤二、根据介质折射率计算棱镜尺寸，使器件的输出端峰峰值横坐标对应的频率与泵浦光及布里渊激光的频差相匹配；
具体的，耦合器件输出端的归一化光强度为
为满足峰峰值横坐标对应的频率差(即相邻的波峰和波谷对应的横坐标频率变化，对应图4的f0)与布里渊频移量fB相等，需使得/>
fp-f0为布里渊频移量fB，即棱镜上侧面到底部的最大垂直距离/>
步骤三、制作棱镜并在相应位置分别镀增透膜、高反膜及半透半反膜；
步骤四、依据棱镜内光束的光程计算出所需的准直器工作距离；
具体的，以光从光纤准直器A输入，至光纤准直器C和D输出为例，计算光程及准直器工作距离(光纤准直器B输入，光纤准直器C、D输出同理)。由图3可得，光由光纤准直器A进入棱镜，经过两次透射由光纤准直器C输出，该路光的光程为nΔl；光由光纤准直器A进入棱镜，经过四次反射由光纤准直器C输出，该路光的光程为2nΔl。光由光纤准直器A进入棱镜，经过一次透射一次反射由光纤准直器D输出，该路光的光程为nΔl；光由光纤准直器A进入棱镜，经过三次反射一次透射由光纤准直器D输出，该路光的光程为2nΔl。因此，光纤准直器A的工作距离最优为两个光程值的中值1.5nΔl(光纤准直器B、C、D同理)。
步骤五、对准直器的三维位置及俯仰角进行调校，使其损耗最小、保偏特性最优；
步骤六、将器件固定组装。
本发明的内部光路图如图3所示。泵浦激光分别由光纤准直器A和光纤准直器B输入，以经光纤准直器A输入的激光为例，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜6分成两束，一束反射至左下侧面1550nm波长的高反膜7，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜6处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D；一束透射至右内侧面的1550nm波长的半透半反膜6，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C。以经光纤准直器B输入的激光为例，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜6分成两束，一束反射至右内侧面1550nm波长的半透半反膜6，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C；一束透射至左下侧面1550nm波长的高反膜7，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜6处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D。
本发明的结构尺寸影响耦合特性，图4为理想情况下波长准直器A输入调谐激光时，光纤准直器C端口(虚线)和光纤准直器D端口(实线)的输出归一化光强度，其中泵浦光和布里渊激光的频率的理想频率位置。当设计的结构尺寸满足时，泵浦光全部进入谐振腔，可以实现在最低阈值情况下激发布里渊激光。
本发明提供的耦合器件可应用于布里渊光纤陀螺中，最简结构图如图5所示。1550nm泵浦激光光源9发出泵浦激光，经由50/50光纤耦合器10分成两束分别进入光纤准直器A与光纤准直器B，分别于光纤准直器C及光纤准直器D端口进入光纤环形谐振腔13。谐振腔内泵浦光激发的布里渊激光敏感角速度，通过光纤准直器A与光纤准直器B返回50/50光纤耦合器10，在滤波器11去除泵浦光、瑞利散射光等后进入探测器12，进而敏感角速度。上述设计综合考虑了布里渊光纤陀螺中泵浦光阈值与稳频难度等问题，当该耦合器件的结构尺寸满足图4的理想情况时，无需实时控制泵浦光频率满足谐振腔的谐振点就可以实现低光强激发布里渊激光，且布里渊激光可绝大部分在谐振腔内循环传输，实现敏感角速度的目的。
本发明针对现有布里渊光纤陀螺中的泵浦阈值较高、稳频系统复杂的问题，提出了一种应用于布里渊光纤陀螺中的耦合器件。首先给出该耦合器件的结构示意图及内部光路图，列出了棱镜设计的尺寸参考公式，最后提出了一种基于该耦合器件的布里渊光纤陀螺最简结构。该发明的特点是可以明显降低布里渊光纤陀螺的泵浦阈值，具有小型化，无熔点，高可靠和实用的特点，且适合于批量生产，具有广阔的应用前景。
Claims (5)
1.一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，其特征在于，包括四个1550nm波长光纤准直器A、B、C、D以及一个特定面镀有增透、半透半反、高反膜的棱镜；
所述棱镜为宝石状，棱镜外侧面包括顺时针连接的左侧面、上侧面、右侧面、右下侧面、左下侧面，其中上侧面平行于水平面，左侧面和右侧面相互平行，且均垂直于上侧面，左下侧面与右下侧面构成直角等腰三角形；左侧面和右侧面的高度相等，且均为上侧面长度的1/2；所述棱镜沿上侧面与左侧面的交接处、且平行于左下侧面切割，沿上侧面与右侧面的交接处、且平行于右下侧面切割，形成内部两个相交平面，分别记为左内侧面、右内侧面；所述左侧面、上侧面、右侧面镀有1550nm波长的增透膜，所述左内侧面、右内侧面镀有1550nm波长的半透半反膜，所述左下侧面、右下侧面镀有1550nm波长的高反膜；
1550nm波长光纤准直器A位于棱镜左侧面，1550nm波长光纤准直器B和C分别位于棱镜上侧面，1550nm波长光纤准直器D位于棱镜右侧面。
2.根据权利要求1所述的一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，其特征在于，泵浦激光由光纤准直器A输入，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜分成两束，一束反射至左下侧面1550nm波长的高反膜，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D；一束透射至右内侧面的1550nm波长的半透半反膜，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C；
泵浦激光由光纤准直器B输入，光束进入棱镜后通过左内侧面1550nm波长的半透半反膜分成两束，一束反射至右内侧面1550nm波长的半透半反膜，在该处反射的光到达光纤准直器D、透射的光到达光纤准直器C；一束透射至左下侧面1550nm波长的高反膜，两次反射后在右内侧面1550nm波长的半透半反膜处被分为两束，分别被反射至光纤准直器C和透射至光纤准直器D。
3.根据权利要求1所述的一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，其特征在于，所述棱镜上侧面到底部的最大垂直距离Δl满足：
其中，c为光速，n为棱镜折射率，
为布里渊频移量，υa为棱镜内的声速，fp为输入泵浦激光的频率。
4.根据权利要求1所述的一种应用于布里渊光纤陀螺的耦合器件，其特征在于，所述光纤准直器A,B,C,D的工作距离最优为1.5nΔl。
5.一种布里渊光纤陀螺，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的耦合器件，还包括1550nm泵浦激光光源、50/50光纤耦合器、滤波器、探测器、光纤环形谐振腔，1550nm泵浦激光光源发出泵浦激光，经由50/50光纤耦合器分成两束分别进入光纤准直器A与光纤准直器B，分别于光纤准直器C及光纤准直器D端口进入光纤环形谐振腔；光纤环形谐振腔内泵浦激光激发的布里渊激光敏感角速度，通过光纤准直器A与光纤准直器B返回50/50光纤耦合器，在滤波器去除泵浦光、瑞利散射光后进入探测器，进而敏感角速度。
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2023
- 2023-03-16 CN CN202310267659.2A patent/CN116429078A/zh active Pending
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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