CN117308909A - 一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法，包括如下步骤：步骤1、低偏宽谱光源：采用的低偏宽谱光源一般为具有较高输出功率的光纤光源，一般为1550nm波段，偏振度小于1％，光谱宽度6nm以上，是高精度光纤陀螺的常用部件；步骤2、保偏光纤环形器：将低偏宽谱光源输出的光低附加损耗输出给偏振分光棱镜，并将偏振分光棱镜的返回光低损耗输出给光电探测器；本发明的光纤陀螺光路方案光路损耗更低，总损耗只有13dB左右，比经典设计方案低约4dB，通过调节光源功率和信号调制深度，可进一步降低散粒噪声、热噪声和热相位噪声的影响，进而可以实现光纤陀螺输出噪声的大幅度降低和精度的有效提升。

Description

一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，更涉及一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案的制造方法。

背景技术

光纤陀螺仪是一种全固态结构的角速率陀螺仪表，具有高可靠、长寿命、结构设计灵活等特点。不同于传统机械陀螺仪表，光纤陀螺的输出包含一定的光学噪声，已经成为影响其精度水平的一个较大阻碍。影响光纤陀螺精度的光学噪声主要包括散粒噪声、热噪声、热相位噪声和相对强度噪声等。

然而，现有技术中光纤陀螺仪的光路设计方案，其内的相对强度噪声抑制的效果不佳，并且，其光纤陀螺仪的损耗也较大，从而增大光纤陀螺输送噪声与精度。

因此，设计一种新的光纤光路方案，结合常规的信号处理，可有效降低光纤陀螺输出噪声，并提升光纤陀螺的转速灵敏度水平。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，包括如下步骤：

步骤1、低偏宽谱光源：采用的低偏宽谱光源一般为具有较高输出功率的光纤光源，一般为1550nm波段，偏振度小于1％，光谱宽度6nm以上，是高精度光纤陀螺的常用部件；

步骤2、保偏光纤环形器：将低偏宽谱光源输出的光低附加损耗输出给偏振分光棱镜，并将偏振分光棱镜的返回光低损耗输出给光电探测器；

步骤3、偏振分光棱镜：可以将自然光分解为正交的S线偏振光和P线偏振光的光学器件，同时，也可以将返回的S线偏振光和P线偏振光汇合；

步骤4、反射镜：这里是指具有一定反射效率的光纤端面反射器件，是一种小型化器件；

步骤5、Y波导器件：数字闭环光纤陀螺常用的Y分支型铌酸锂多功能集成光学器件，与光纤环一起构成光纤干涉仪；

步骤6、光纤环：是指光纤陀螺仪转速敏感部件，与Y波导一起构成光纤干涉仪；

步骤7、使步骤2中的保偏光纤环形器和步骤3中的偏振分光棱镜进行集成化设计，构成光学集成器件，以便减少反射镜端与光纤耦合器消光端占用的空间；

步骤8、在光学集成器件与反射镜之间加入一个MEMS可变光衰减器，以便调节光信号强度，它能够降低通过的光信号功率，实现对光信号的削弱。

优选的，所述步骤1中的低偏宽谱光源，是由一个光源能够提供连续的、均匀的光谱，以确保测量结果的准确性和可靠性。

优选的，所述步骤2中的光电探测器：是一种能够将光信号转换成电信号的器件，它是光电转换过程的关键部分，在各种光电子应用中起到重要的作用，而光电探测器的主要类型包括光电二极管和光电导光元件；光电二极管：是一种基于PN结的半导体器件，当光照射在PN结上时，产生的光生载流子会在电场的作用下导致电流的变化，光电二极管常用于光电检测、通信接收和光电能量转换等应用；

光电导光元件：是一种基于双极型晶体管结构的光电检测器，通过基极光电流的放大来产生输出电流，相比于光电二极管，光电导光元件具有较高的增益和灵敏度；因此，选用光电导光元件的探测器进行使用，以便提高探测的效果。

优选的，所述步骤2中的保偏光纤环形器，是光纤通信中常用的光纤器件，它的主要作用是将输入光信号中的不同偏振态分离与合并，保偏光纤环形器能够将输入光信号中的TE和TM偏振态分离，并且，还通过调节器件的操作参数实现不同偏振态之间的转换。

优选的，所述步骤3中的偏振分光棱镜，由镜面和偏振分束器组成，其中偏振分束器是由具有不同折射率的两种材料交叉层叠而成的，当入射光经过偏振分光棱镜时，根据不同的入射角度和材料折射率的差异，光会被分解为不同的偏振成分，一种常见的偏振分光棱镜是Wollaston偏振分光棱镜，由两个直角三棱镜组成。

优选的，所述步骤4中的反射镜，具有使光线发生反射的能力，它通常由具有高反射率的表面和特定的反射结构组成，以便提高反射时的性能，也确保质量符合要求。

优选的，所述步骤5中Y波导器件，是一种基于铌酸锂等材料制造的多功能光学器件，它能够实现光信号的调制、分波、耦合和调谐这些功能。

优选的，所述步骤6中的光纤环，是指在一段光纤上形成闭合光路的结构，它通常由一根光纤延伸成环形，并通过光纤耦合器元件与光源和探测器相连接；其基本原理是通过在光纤环中光的传输与干涉效应来实现对外界光信号的测量与调制；并且，步骤6中的光纤干涉仪，是一种基于光的干涉原理来测量和分析光学信号的设备，它利用光在光纤中传播时发生的干涉现象，通过测量干涉模式的变化来获得有关光学信号的信息；光纤干涉仪的基本原理是将光信号分为两条不同路径的光路，然后让这两条光路再次交叉，形成干涉。

一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案的制造方法，包括以下：

S1、干涉通道：低偏宽谱光源输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，P线偏振光出射给Y波导，在Y波导中分光后分别通过顺、逆时针通过光纤环并回到Y波导中发生干涉，干涉光输出给偏振分光棱镜透射给保偏光纤环形器，输出给光电探测器；

S2、参考通道：低偏宽谱光源的输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，S线偏振光输出给反射镜，经过一定反射效率的反射镜返回偏振分光棱镜，输出给保偏光纤环形器，进而输出给光电探测器；

S3、两个通道的光在传输上相差一个光纤干涉仪的光程差，在时间上就是光纤干涉仪的渡越时间τ，相邻的两个渡越时间正好匹配数字闭环光纤陀螺仪的信号调制解调周期，借助于转速信号解调过程，实现干涉通道和参考通道的光纤信号的相减，由于相对强度噪声的同源性，只要通过反射镜的反射效率设计匹配号两通道的光功率水平，相对强度噪声就可以得到很好的抑制；

同时适当提升两通道的光功率水平，就可以进一步降低光路中的散粒噪声和热相位噪声；

S4、搭建的光纤光路系统处于正常工作的通电工作的光路状态，根据设计需要和器件实际情况调整好光源输出功率和信号调制深度，断掉低偏光纤光源的电源，使其无输出，用示波器测试光电探测器无光响应值；重新为光纤光源供电，控制MEMS可变光衰减器到衰减最大，此时只有光纤干涉仪中的返回光到达光电探测器，测试此时的光电探测器响应值；调节MEMS可变光衰减器，使其返回光与光纤干涉仪返回光在光学集成器件中汇合并输出给光电探测器，当探测器响应值为干涉仪返回光2倍时为合格；根据反射镜的反射效率，以及MEMS可变光衰减器的插入损耗值，计算反射镜的反射效率，选择最接近的反射效率的反射镜进行光功率匹配。

本发明的技术效果和优点：本发明提供的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法，与现有技术相比：

(1)与现有设计相比，新设计的光纤陀螺光路方案结合常规的陀螺调制解调方案，可实现对相对强度噪声的有效抑制；

(2)与现有设计相比，新设计的光纤陀螺光路方案光路损耗更低，总损耗只有13dB左右，比经典设计方案低约4dB，通过调节光源功率和信号调制深度，可进一步降低散粒噪声、热噪声和热相位噪声的影响，进而可以实现光纤陀螺输出噪声的大幅度降低和精度的有效提升；

(3)采用光学集成化设计方案，新设计的光学集成器件与经典的光纤耦合器尺寸近似，可以兼容安装，可以继承经典的安装结构和工艺，无需重新设计；

(4)针对不同的高精度光纤陀螺设计，仅需调节反射镜的反射效率就可以完成匹配，无需重新设计光学集成器件，调整方便。

附图说明

图1为本发明的高精度光纤光路方案流程示意图；

图2为本发明的集成化设计后的高精度光纤光路方案示意图；

图3为本发明的光路中两个通道的光功率匹配示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。

实施例1

综上，本发明一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，包括如下步骤：

步骤1、低偏宽谱光源：采用的低偏宽谱光源一般为具有较高输出功率的光纤光源，一般为1550nm波段，偏振度小于1％，光谱宽度6nm以上，是高精度光纤陀螺的常用部件；

步骤2、保偏光纤环形器：将低偏宽谱光源输出的光低附加损耗输出给偏振分光棱镜，并将偏振分光棱镜的返回光低损耗输出给光电探测器；

步骤3、偏振分光棱镜：可以将自然光分解为正交的S线偏振光和P线偏振光的光学器件，同时，也可以将返回的S线偏振光和P线偏振光汇合；

步骤4、反射镜：这里是指具有一定反射效率的光纤端面反射器件，是一种小型化器件；

步骤5、Y波导器件：数字闭环光纤陀螺常用的Y分支型铌酸锂多功能集成光学器件，与光纤环一起构成光纤干涉仪；

步骤6、光纤环：是指光纤陀螺仪转速敏感部件，与Y波导一起构成光纤干涉仪；

步骤7、使步骤2中的保偏光纤环形器和步骤3中的偏振分光棱镜进行集成化设计，构成光学集成器件，以便减少反射镜端与光纤耦合器消光端占用的空间；

步骤8、在光学集成器件与反射镜之间加入一个MEMS可变光衰减器，以便调节光信号强度，它能够降低通过的光信号功率，实现对光信号的削弱。

步骤1中的低偏宽谱光源，是由一个光源能够提供连续的、均匀的光谱，以确保测量结果的准确性和可靠性。

步骤2中的光电探测器：是一种能够将光信号转换成电信号的器件，它是光电转换过程的关键部分，在各种光电子应用中起到重要的作用，而光电探测器的主要类型包括光电二极管和光电导光元件；光电二极管：是一种基于PN结的半导体器件，当光照射在PN结上时，产生的光生载流子会在电场的作用下导致电流的变化，光电二极管常用于光电检测、通信接收和光电能量转换等应用；

光电导光元件：是一种基于双极型晶体管结构的光电检测器，通过基极光电流的放大来产生输出电流，相比于光电二极管，光电导光元件具有较高的增益和灵敏度；因此，选用光电导光元件的探测器进行使用，以便提高探测的效果。

步骤2中的保偏光纤环形器，是光纤通信中常用的光纤器件，它的主要作用是将输入光信号中的不同偏振态分离与合并，保偏光纤环形器能够将输入光信号中的TE(横向电场)和TM(纵向电场)偏振态分离，并且，还通过调节器件的操作参数实现不同偏振态之间的转换。

步骤3中的偏振分光棱镜，由镜面和偏振分束器组成，其中偏振分束器是由具有不同折射率的两种材料交叉层叠而成的，当入射光经过偏振分光棱镜时，根据不同的入射角度和材料折射率的差异，光会被分解为不同的偏振成分，一种常见的偏振分光棱镜是Wollaston偏振分光棱镜，由两个直角三棱镜组成。

步骤4中的反射镜，具有使光线发生反射的能力，它通常由具有高反射率的表面和特定的反射结构组成，以便提高反射时的性能，也确保质量符合要求。

步骤5中Y波导器件，是一种基于铌酸锂等材料制造的多功能光学器件，它能够实现光信号的调制、分波、耦合和调谐这些功能。

步骤6中的光纤环，是指在一段光纤上形成闭合光路的结构，它通常由一根光纤延伸成环形，并通过光纤耦合器元件与光源和探测器相连接；其基本原理是通过在光纤环中光的传输与干涉效应来实现对外界光信号的测量与调制；并且，步骤6中的光纤干涉仪，是一种基于光的干涉原理来测量和分析光学信号的设备，它利用光在光纤中传播时发生的干涉现象，通过测量干涉模式的变化来获得有关光学信号的信息；光纤干涉仪的基本原理是将光信号分为两条不同路径的光路，然后让这两条光路再次交叉，形成干涉。

一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案的制造方法，其特征在于：包括以下：

S1、干涉通道：低偏宽谱光源输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，P线偏振光出射给Y波导，在Y波导中分光后分别通过顺、逆时针通过光纤环并回到Y波导中发生干涉，干涉光输出给偏振分光棱镜透射给保偏光纤环形器，输出给光电探测器；

S2、参考通道：低偏宽谱光源的输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，S线偏振光输出给反射镜，经过一定反射效率的反射镜返回偏振分光棱镜(在此与干涉通道的光合束)，输出给保偏光纤环形器，进而输出给光电探测器；

S3、两个通道的光在传输上相差一个光纤干涉仪的光程差，在时间上就是光纤干涉仪的渡越时间τ，相邻的两个渡越时间正好匹配数字闭环光纤陀螺仪的信号调制解调周期，借助于转速信号解调过程，实现干涉通道和参考通道的光纤信号的相减，由于相对强度噪声的同源性，只要通过反射镜的反射效率设计匹配号两通道的光功率水平，相对强度噪声就可以得到很好的抑制；

同时适当提升两通道的光功率水平，就可以进一步降低光路中的散粒噪声和热相位噪声；

S4、搭建的光纤光路系统处于正常工作的通电工作的光路状态，根据设计需要和器件实际情况调整好光源输出功率和信号调制深度，断掉低偏光纤光源的电源，使其无输出，用示波器测试光电探测器无光响应值；重新为光纤光源供电，控制MEMS可变光衰减器到衰减最大(消光)，此时只有光纤干涉仪中的返回光到达光电探测器，测试此时的光电探测器响应值；调节MEMS可变光衰减器，使其返回光与光纤干涉仪返回光在光学集成器件中汇合并输出给光电探测器，当探测器响应值为干涉仪返回光2倍时为合格；根据反射镜的反射效率，以及MEMS可变光衰减器的插入损耗值(可截断光纤测试)，计算反射镜的反射效率(应达到与图3中调整后的MEMS可变光衰减器和反射镜整体损耗一致)，选择最接近的反射效率的反射镜进行光功率匹配。

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 (9)

1.一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、低偏宽谱光源：采用的低偏宽谱光源一般为具有较高输出功率的光纤光源，一般为1550nm波段，偏振度小于1％，光谱宽度6nm以上，是高精度光纤陀螺的常用部件；

步骤2、保偏光纤环形器：将低偏宽谱光源输出的光低附加损耗输出给偏振分光棱镜，并将偏振分光棱镜的返回光低损耗输出给光电探测器；

步骤3、偏振分光棱镜：可以将自然光分解为正交的S线偏振光和P线偏振光的光学器件，同时，也可以将返回的S线偏振光和P线偏振光汇合；

步骤4、反射镜：这里是指具有一定反射效率的光纤端面反射器件，是一种小型化器件；

步骤5、Y波导器件：数字闭环光纤陀螺常用的Y分支型铌酸锂多功能集成光学器件，与光纤环一起构成光纤干涉仪；

步骤6、光纤环：是指光纤陀螺仪转速敏感部件，与Y波导一起构成光纤干涉仪；

步骤7、使步骤2中的保偏光纤环形器和步骤3中的偏振分光棱镜进行集成化设计，构成光学集成器件，以便减少反射镜端与光纤耦合器消光端占用的空间；

步骤8、在光学集成器件与反射镜之间加入一个MEMS可变光衰减器，以便调节光信号强度，它能够降低通过的光信号功率，实现对光信号的削弱。

2.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤1中的低偏宽谱光源，是由一个光源能够提供连续的、均匀的光谱，以确保测量结果的准确性和可靠性。

3.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤2中的光电探测器：是一种能够将光信号转换成电信号的器件，它是光电转换过程的关键部分，在各种光电子应用中起到重要的作用，而光电探测器的主要类型包括光电二极管和光电导光元件；光电二极管：是一种基于PN结的半导体器件，当光照射在PN结上时，产生的光生载流子会在电场的作用下导致电流的变化，光电二极管常用于光电检测、通信接收和光电能量转换等应用；

光电导光元件：是一种基于双极型晶体管结构的光电检测器，通过基极光电流的放大来产生输出电流，相比于光电二极管，光电导光元件具有较高的增益和灵敏度；因此，选用光电导光元件的探测器进行使用，以便提高探测的效果。

4.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤2中的保偏光纤环形器，是光纤通信中常用的光纤器件，它的主要作用是将输入光信号中的不同偏振态分离与合并，保偏光纤环形器能够将输入光信号中的TE和TM偏振态分离，并且，还通过调节器件的操作参数实现不同偏振态之间的转换。

5.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤3中的偏振分光棱镜，由镜面和偏振分束器组成，其中偏振分束器是由具有不同折射率的两种材料交叉层叠而成的，当入射光经过偏振分光棱镜时，根据不同的入射角度和材料折射率的差异，光会被分解为不同的偏振成分，一种常见的偏振分光棱镜是Wollaston偏振分光棱镜，由两个直角三棱镜组成。

6.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤4中的反射镜，具有使光线发生反射的能力，它通常由具有高反射率的表面和特定的反射结构组成，以便提高反射时的性能，也确保质量符合要求。

7.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤5中Y波导器件，是一种基于铌酸锂等材料制造的多功能光学器件，它能够实现光信号的调制、分波、耦合和调谐这些功能。

8.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案，其特征在于：所述步骤6中的光纤环，是指在一段光纤上形成闭合光路的结构，它通常由一根光纤延伸成环形，并通过光纤耦合器元件与光源和探测器相连接；其基本原理是通过在光纤环中光的传输与干涉效应来实现对外界光信号的测量与调制；并且，步骤6中的光纤干涉仪，是一种基于光的干涉原理来测量和分析光学信号的设备，它利用光在光纤中传播时发生的干涉现象，通过测量干涉模式的变化来获得有关光学信号的信息；光纤干涉仪的基本原理是将光信号分为两条不同路径的光路，然后让这两条光路再次交叉，形成干涉。

9.一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案的制造方法，其特征在于：包括以下：

S1、干涉通道：低偏宽谱光源输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，P线偏振光出射给Y波导，在Y波导中分光后分别通过顺、逆时针通过光纤环并回到Y波导中发生干涉，干涉光输出给偏振分光棱镜透射给保偏光纤环形器，输出给光电探测器；

S2、参考通道：低偏宽谱光源的输出的自然光经保偏光纤环形器输出给偏振分光棱镜分为正交的P线偏振光和S线偏振光，其中，S线偏振光输出给反射镜，经过一定反射效率的反射镜返回偏振分光棱镜，输出给保偏光纤环形器，进而输出给光电探测器；

S3、两个通道的光在传输上相差一个光纤干涉仪的光程差，在时间上就是光纤干涉仪的渡越时间τ，相邻的两个渡越时间正好匹配数字闭环光纤陀螺仪的信号调制解调周期，借助于转速信号解调过程，实现干涉通道和参考通道的光纤信号的相减，由于相对强度噪声的同源性，只要通过反射镜的反射效率设计匹配号两通道的光功率水平，相对强度噪声就可以得到很好的抑制；

同时适当提升两通道的光功率水平，就可以进一步降低光路中的散粒噪声和热相位噪声；

S4、搭建的光纤光路系统处于正常工作的通电工作的光路状态，根据设计需要和器件实际情况调整好光源输出功率和信号调制深度，断掉低偏光纤光源的电源，使其无输出，用示波器测试光电探测器无光响应值；重新为光纤光源供电，控制MEMS可变光衰减器到衰减最大，此时只有光纤干涉仪中的返回光到达光电探测器，测试此时的光电探测器响应值；调节MEMS可变光衰减器，使其返回光与光纤干涉仪返回光在光学集成器件中汇合并输出给光电探测器，当探测器响应值为干涉仪返回光2倍时为合格；根据反射镜的反射效率，以及MEMS可变光衰减器的插入损耗值，计算反射镜的反射效率，选择最接近的反射效率的反射镜进行光功率匹配。