CN117419700A - 一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔，包括：第一耦合器C₁、第一光纤、第二光纤和第二耦合器C₂；其中，所述第一耦合器C₁的b端口通过所述第一光纤与所述第二耦合器C₂的b端口相连接，所述第一耦合器C₁的c端口通过所述第二光纤与所述第二耦合器C₂的c端口连接。本发明实现了光路结构的互易性。

Description

一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔

技术领域

本发明属于宇航星(船)用光学陀螺仪技术领域，尤其涉及一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔。

背景技术

法国科学家Sagnac研究指出在任意一种几何形状的闭合光学环路中，从任意一点同时发出的相向传播的两束光波，沿闭合环路绕行一周回到起点时，因环路相对惯性空间的旋转，两束光波会产生相位差。这就是光学陀螺的理论基础——光学Sagnac效应。

RFOG正是利用这一关系，通过检测两束光的谐振频差，计算得到环路的旋转角速度。同时，RFOG系统以光纤环形谐振腔(FRR)作为核心敏感器件，利用FRR实现多光束干涉来增强光学Sagnac效应。当FRR转动时，两路光的谐振频率之间产生频差，RFOG采用一定的微弱信号检测技术对该频差进行检测，从而实现旋转角速度的检测。因此，FRR中顺时针和逆时针光路是否互易，在很大程度上决定了陀螺系统光路结构的互易性。

图1给出了透射式FRR的基本结构示意图。FRR由输入耦合器C₁、输出耦合器C₂及光纤组成。激光分别由输入耦合器C₁的顺时针CW(Clockwise,CW)路输入端口和逆时针CCW(Counter Clockwise,CCW)路输入端口进入FRR，再分别沿CW和CCW两个方向进行多圈传输后，经输出耦合器C₂输出。

经上述分析，顺时针和逆时针光路的输入输出端口并不是完全相同的互易性端口，同时沿CW方向由输入耦合器C1到输出耦合器C2半圈光路和经由CCW方向的光程也并不相同。因此顺时针和逆时针光路是非互易的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔，实现了光路结构的互易性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔，包括：第一耦合器C₁、第一光纤、第二光纤和第二耦合器C₂；其中，所述第一耦合器C₁的b端口通过所述第一光纤与所述第二耦合器C₂的b端口相连接，所述第一耦合器C₁的c端口通过所述第二光纤与所述第二耦合器C₂的c端口连接。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，逆时针光经由第一耦合器C₁的a端口到第一耦合器C₁的c端口进入光学谐振腔，沿逆时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，逆时针光的光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CCW}为逆时针输入光场；E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，t为时间变量，i为虚数单位。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CCW为逆时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，顺时针光经由第二耦合器C₂的a端口到第二耦合器C₂的c端口进入光学谐振腔，沿顺时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，顺时针光的光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CW}为顺时针光的输入光场，t为时间变量，i为虚数单位，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CW为顺时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，所述第一耦合器C₁包括四个端口。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，所述第二耦合器C₂包括四个端口。

上述光学陀螺用高互易性光学谐振腔中，所述第一光纤的长度与所述第二光纤的长度相等。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用两个耦合器实现了光路结构的互易性；

(2)本发明使用相同的互易性端口作为输入输出，保证CW和CCW两路光的传输路径完全相同而传输方向恰好相反，有效提升谐振腔的互易性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是现有技术中的透射式FRR的基本结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光学陀螺用高互易性光学谐振腔的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于双90°偏振轴旋转熔接的互易型透射式FRR基本结构；

图4是本发明实施例提供的基于四90°熔接及起偏器的互易型透射式FRR基本结构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图2是本发明实施例提供的光学陀螺用高互易性光学谐振腔的结构示意图。如图2所示，该光学陀螺用高互易性光学谐振腔包括：第一耦合器C₁、第一光纤、第二光纤和第二耦合器C₂；其中，所述第一耦合器C₁的b端口通过所述第一光纤与所述第二耦合器C₂的b端口相连接，所述第一耦合器C₁的c端口通过所述第二光纤与所述第二耦合器C₂的c端口连接。

第一耦合器C₁作为CCW路光的输入耦合器和CW路光的输出耦合器，第二耦合器C₂作为CW路光的输入耦合器和CCW路光的输出耦合器。如图2所示，第一耦合器C₁包括a端口、b端口、c端口和d端口四个端口，其中，d端空置。第二耦合器C₂包括a端口、b端口、c端口和d端口四个端口，其中，d端空置。

逆时针光经由第一耦合器C₁的a端口到第一耦合器C₁的c端口进入光学谐振腔，沿逆时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出。

逆时针光的光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CCW}为逆时针输入光场；E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，t为时间变量，i为虚数单位。

经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CCW为逆时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

顺时针光经由第二耦合器C₂的a端口到第二耦合器C₂的c端口进入光学谐振腔，沿顺时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出。

顺时针光的光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CW}为顺时针光的输入光场，t为时间变量，i为虚数单位，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位。

经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CW为顺时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

由上述公式看出，此时CW和CCW两路光输出信号之间的差异仅与两路频率有关，谐振腔的互易性得到了有效提升。由两个耦合器组成了高互易透射式起偏光纤谐振腔，有效提升了光纤谐振腔中两路光的互易性，为陀螺系统检测精度的进一步提升提供了可能。

偏振噪声是制约RFOG系统长期稳定性的主要因素之一，目前通常采用基于90°偏振轴旋转熔接的偏振波动补偿方案和基于在线起偏器的偏振波动抑制方案。

图3给出了基于双90°偏振轴旋转熔接的互易性透射式FRR基本结构示意图，逆时针光由耦合器1进入谐振腔后经90°熔接点4实现偏振轴翻转，经耦合器2后经90°熔接点3偏振轴再次翻转后回到耦合器1，如此经多圈传输后最终由耦合器2输出。实际应用中，偏振轴互为90°的光程尽量相等可以实现偏振波动的补偿，即实际应用中应尽量保证l₃＝l₄且l₁＝l₂。

类似地，如图4所示可以通过四90°偏振轴旋转熔接及在线起偏器在实现对腔内偏振波动补偿及抑制的同时,有效提升腔内光路互易性。逆时针光由耦合器1进入谐振腔后经90°熔接点7实现偏振轴翻转,经在线起偏器9实现对谐振腔内偏振噪声的有效抑制,后续依次经90°偏振轴熔接点8、耦合器2、90°熔接点6、90°熔接点5回到耦合器1，偏振轴也经四次翻转回到初始状态；如此经多圈传输后最终由耦合器2输出。实际应用中，偏振轴互为90°的光程应尽量相等可以实现偏振波动的补偿，即实际应用中应尽量保证L4+L6＝L5且L1+L3＝L2。

本实施例采用两个耦合器实现了光路结构的互易性；本实施例使用相同的互易性端口作为输入输出，保证CW和CCW两路光的传输路径完全相同而传输方向恰好相反，有效提升谐振腔的互易性。

本实施例采用相同的互易性端口作为输入输出端口的方式，由两个耦合器及一个在线起偏器组成了一个高互易性透射式起偏光纤谐振腔，有效提升了光纤谐振腔中两路光的互易性，为陀螺系统检测精度的进一步提升提供了可能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于包括：第一耦合器C₁、第一光纤、第二光纤和第二耦合器C₂；其中，

所述第一耦合器C₁的b端口通过所述第一光纤与所述第二耦合器C₂的b端口相连接，所述第一耦合器C₁的c端口通过所述第二光纤与所述第二耦合器C₂的c端口连接。

2.根据权利要求1所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：逆时针光经由第一耦合器C₁的a端口到第一耦合器C₁的c端口进入光学谐振腔，沿逆时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出。

3.根据权利要求2所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：逆时针光的光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CCW}为逆时针输入光场；E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，t为时间变量，i为虚数单位。

4.根据权利要求2所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：经第二耦合器C₂的c端口到第二耦合器C₂的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CCW为逆时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CCW为逆时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

5.根据权利要求1所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：顺时针光经由第二耦合器C₂的a端口到第二耦合器C₂的c端口进入光学谐振腔，沿顺时针方向进行绕光学谐振腔多圈传输后经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出。

6.根据权利要求5所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：顺时针光的输入光场通过如下公式得到：

其中，E_{in_CW}为顺时针光的输入光场，t为时间变量，i为虚数单位，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位。

7.根据权利要求5所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：经第一耦合器C₁的c端口到第一耦合器C₁的a端口输出的输出光信号通过如下公式得到：

其中，α_C1ac表示第一耦合器C1的a端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C1bc为第一耦合器C1的b端口和第一耦合器C1的c端口之间的插入损耗，α_C2ac为第二耦合器C2的a端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗，α_C2bc为第二耦合器C2的b端口和第二耦合器C2的c端口之间的插入损耗；k₁和k₂分别表示第一耦合器C₁的耦合系数和第二耦合器C₂的耦合系数；α_L0表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间传输损耗时间，τ₀表示光在第一耦合器C₁的c端口和第二耦合器C₂的c端口之间渡越时间；α_L表示绕光学谐振腔一整圈的传输损耗时间，τ表示绕光学谐振腔一整圈的渡越时间，E_0CW为顺时针输入光的光场幅度，f₀为激光频率，为激光的初始相位，E_CW为顺时针输出光场，t为时间变量，i为虚数单位。

8.根据权利要求1所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：所述第一耦合器C₁包括四个端口。

9.根据权利要求1所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：所述第二耦合器C₂包括四个端口。

10.根据权利要求1所述的光学陀螺用高互易性光学谐振腔，其特征在于：所述第一光纤的长度与所述第二光纤的长度相等。