CN117804419A - 互易性相位调节光路、光纤陀螺及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及互易性相位调节光路、光纤陀螺及调节方法，互易性相位调节光路包括预报单光子光源、分束器矩阵、两个反射镜及两个折返棱镜，两个反射镜分别与预报单光子光源及折返棱镜耦合，两个折返棱镜沿光的传播方向滑动，两个折返棱镜分别与分束器矩阵耦合，基于互易性相位调节光路的光纤陀螺包括光纤环圈、单光子探测器、符合计数仪、反馈调节模块及互易性相位调节光路。本发明提供的方法调节速度快，消除了光学相位差及单向导引误差，将互易性相位调节光路应用到光纤陀螺上，在光路精确调节的同时保证互易性，提高了光纤陀螺的精度。

Description

互易性相位调节光路、光纤陀螺及调节方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及互易性相位调节光路、光纤陀螺及调节方法。

背景技术

近年来，光纤传感得到了长足发展，其中光纤陀螺作为典型的惯性导航设备，在军用及民用领域均有重要应用。随着深远海条件下的高精度、高可靠导航信息的需求，光纤陀螺作为满足上述应用要求的惯性导航系统的核心元件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。

提高光纤陀螺灵敏度的传统方案主要靠增加光纤环圈尺寸和光纤长度来提高灵敏度，这将带来诸多新缺点，如增加系统复杂程度，引入更大的Shupe误差，即指光纤环圈中存在位置不对称的温度扰动时，两束反向传播光束在不同时间经过这段光纤将产生一个非互易相移，不对称的应力变化也会产生类似的非互易相移。Shupe误差对光纤陀螺的精度负面影响很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供互易性相位调节光路、光纤陀螺及调节方法，互易性相位调节光路采用一对能够反向移动的折返棱镜组成相位延迟光路，形成具有互易性的结构，不仅光路调节速度比较快，而且从光路上消除了只在某一路上加延迟光路引入的光学相位差问题，消除了单向导引问题引入的误差，将互易性相位调节光路应用到光纤陀螺上，在光路精确调节的同时还能保证互易性，进一步提高了光纤陀螺的精度。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

互易性相位调节光路，其包括预报单光子光源、分束器矩阵、两个反射镜及两个折返棱镜，两个所述反射镜分别对称的固定安装于预报单光子光源的两侧，且两个反射镜的入射端分别与预报单光子光源的出射端耦合，两个所述折返棱镜分别安装于预报单光子光源的两侧且通过移动装置驱动沿光的传播方向滑动，两个折返棱镜的入射端分别与相应的反射镜的反射端耦合且预报单光子光源入射至反射镜的光与反射镜入射至相应的折返棱镜的光垂直，两个折返棱镜的反射端分别与分束器矩阵的两个入射端耦合，两个折返棱镜入射至分束器矩阵的光分别与反射镜入射至相应的折返棱镜的光平行。

进一步，两个所述折返棱镜分别固定安装于镜架中，所述移动装置为位移台，所述镜架固定安装于位移台上，所述位移台由电机驱动沿折返棱镜入射至分束器矩阵的光的方向往复移动。

优化的，两个所述折返棱镜截面为等腰直角三角形结构。

优化的，两个所述折返棱镜分别由两片夹角90°的反射镜组成。

优化的，预报单光子光源入射至反射镜的光与相应的反射镜的法线成45°夹角。

优化的，分束器矩阵包括固定粘接在一起的四个正方形偏振分束器。

一种基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，其包括光纤环圈、单光子探测器、符合计数仪、反馈调节模块及如上述任一项所述的互易性相位调节光路，光纤环圈的两个尾纤分别与分束器矩阵的两个分发端耦合，所述单光子探测器为两个，两个单光子探测器的入射端分别与分束器矩阵相应的探测端耦合，两个单光子探测器的计数端分别与符合计数仪的入射端耦合，符合计数仪的反馈端与反馈调节模块的入射端耦合，反馈调节模块的调节端与移动装置连接。

基于互易性相位调节光路的光纤陀螺调节方法，用于如上述基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，调节方法包括如下步骤：

S1：预报单光子光源发生自发参量下转换得到一对单光子，一对单光子分别经过相应的反射镜反射后入射至折返棱镜，再经过折返棱镜折射后入射至分束器矩阵；

S2：分束器矩阵对两个入射光子进行分发后分别从光纤环圈的两个端口入射，历遍光纤环圈后再次回到分束器矩阵发生量子干涉；

S3：两个单光子探测器分别对发生量子干涉的两束光进行收集并转化成电信号传输给符合计数仪；

S4：符合计数仪对发生量子干涉的两束光进行符合测量，并绘制干涉曲线，同时将测量信息反馈给反馈调节模块；

S5：若干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0处，移动装置不动作，若干涉曲线中符合计数结果最低点不位于光路相对时间延迟为0处，则执行步骤S6；

S6：反馈调节模块控制移动装置驱动折返棱镜沿光的传播方向滑动且两个折返棱镜滑动的方向相反，观察干涉曲线中符合计数结果最低点处的相对时间延迟，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟减小，则反馈调节模块控制移动装置继续按照原来的方向移动两个折返棱镜，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟增大，则反馈调节模块控制移动装置改变方向，使两个折返棱镜分别向原来的反方向移动，直至干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0；

S7：光纤陀螺进入工作状态开始旋转，持续执行步骤S1至步骤S3，并且以设定频率重复步骤S4至步骤S6，直至光纤陀螺工作状态结束。

优化的，步骤S7中设定频率为1-10赫兹。

发明的有益效果：

1、针对自发参量下转换得到的一对光子，由于其结构“完全对称”，两路引入器件相同而形成具有互易性的结构，可以使两路引入相位突变的次数一致，从光路上消除了只在某一路上加延迟光路引入的光学相位差；

2、由于两路引入器件相同，通过调节预报单光子光源得到的两光子分别经过两光路后到达分束器矩阵时的光强、相位、偏振态等均一致，成功避免了“单向导引”的问题，将该调节光路置于基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺中时，可以满足光强、相位、偏振态等维度的不可区分性，保证了量子干涉的高对比度，进而提高了光纤陀螺的精度；

3、首先在静态下进行调节，使两路光程完全一致，然后基于互易性相位调节光路的光纤陀螺置于转动环境下，通过增加反馈调节模块，使两个折返棱镜沿相反方向联动，即当其中一路位移为时，另一路位移为/>，可同时弥补长度为/>的光程差，调节速度比用单路快一倍。

附图说明

图1是本发明互易性相位调节光路结构示意图。

图2是本发明光纤陀螺结构示意图。

图3是本发明调节方法流程示意图。

图4是本发明符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0处的干涉曲线。

图5是本发明符合计数结果最低点不位于光路相对时间延迟为0处的干涉曲线。

图中：1.光纤环圈，2.预报单光子光源，3.反射镜，4.折返棱镜，5.位移台，6. 分束器矩阵，7.单光子探测器，8.符合计数仪，9.反馈调节模块。

具体实施方式

互易性相位调节光路，其光路图如图1所示，包括预报单光子光源2、分束器矩阵6、两个反射镜3及两个折返棱镜4，两个所述反射镜分别对称的固定安装于预报单光子光源的两侧，且两个反射镜的入射端分别与预报单光子光源的出射端通过空间光路耦合，两个所述折返棱镜分别安装于预报单光子光源的两侧且通过移动装置驱动沿光的传播方向滑动，两个折返棱镜的入射端分别与相应的反射镜的反射端通过空间光路耦合且预报单光子光源入射至反射镜的光与反射镜入射至相应的折返棱镜的光垂直，两个折返棱镜的反射端分别与分束器矩阵的两个入射端通过空间光路耦合，两个折返棱镜入射至分束器矩阵的光分别与反射镜入射至相应的折返棱镜的光平行。

互易性相位调节光路中的预报单光子光源可以通过连续型激光器或飞秒激光器结合泵浦非线性晶体或泵浦体块周期极化非线性晶体实现参量下转换产生，或通过泵浦周期极化非线性波导实现参量下转换，产生一对参量光子；两个反射镜为完全相同的结构，反射镜上镀有参量光波段增反膜以实现参量光子的反射。

本发明保护的互易性相位调节光路，由于其结构“完全对称”，两路引入器件相同而形成具有互易性的结构，可以使两路引入相位突变的次数一致，从光路上消除了只在某一路上加延迟光路引入的光学相位差；并且由于两路引入器件相同，预报单光子光源得到的两光子分别经过两光路后到达分束器矩阵时的光强、相位、偏振态一致，成功避免了“单向导引”的问题。

进一步，两个所述折返棱镜分别固定安装于镜架中，所述移动装置为位移台5，所述镜架固定安装于位移台上，所述位移台由电机驱动沿折返棱镜入射至分束器矩阵的光的方向往复移动，更加方便自动控制折返棱镜的精确移动。

优化的，两个所述折返棱镜截面为等腰直角三角形结构，或者两个所述折返棱镜分别由两片夹角90°的反射镜组成。这样便于使两个折返棱镜入射至分束器矩阵的光分别与反射镜入射至相应的折返棱镜的光平行。

优化的，预报单光子光源入射至反射镜的光与相应的反射镜的法线成45°夹角，便于实现预报单光子光源入射至反射镜的光与反射镜入射至相应的折返棱镜的光垂直。

优化的，分束器矩阵包括固定粘接在一起的四个正方形偏振分束器，其具体结构可如公开号为CN115164865A的名称为“一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法”的专利中所示。

一种基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，其具体结构示意图如图2所示，包括光纤环圈1、单光子探测器7、符合计数仪8、反馈调节模块9及如上述任一项所述的互易性相位调节光路，光纤环圈的两个尾纤分别与分束器矩阵的两个分发端耦合，所述单光子探测器为两个，两个单光子探测器的入射端分别与分束器矩阵相应的探测端耦合，两个单光子探测器的计数端分别与符合计数仪的入射端耦合，符合计数仪的反馈端与反馈调节模块的入射端耦合，反馈调节模块的调节端与移动装置连接。

本发明保护的一种基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，由于包括互易性相位调节光路，且互易性相位调节光路中两路引入器件相同，通过调节可以使预报单光子光源得到的两光子分别经过两光路后到达分束器矩阵时的光强、相位、偏振态一致，成功避免了“单向导引”的问题，从而满足光强、相位、偏振态维度的不可区分性，提高了光纤陀螺的精度。

基于互易性相位调节光路的光纤陀螺调节方法，用于如上述基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，调节方法可概括为：预报单光子源产生一对光子分别入射给反射镜，再经过折返棱镜入射至分束器矩阵；入射光经过分束器矩阵后进入光纤环圈后再次回到分束器矩阵发生量子干涉；单光子探测器将光束进行收集转化后传输给符合计数仪，符合计数仪对发生量子干涉的两束光进行测量并绘制干涉曲线；调节折返棱镜的位置，使干涉曲线中符合计数结果最低点位于时间延迟为0处；光纤陀螺工作，符合计数仪以一定的频率进行测量并绘制干涉曲线，调节折返棱镜的位置，使干涉曲线中符合计数结果最低点位于时间延迟为0处。其流程示意图如图3所示，具体包括如下步骤：

S1：预报单光子光源发生自发参量下转换得到一对单光子，一对单光子分别经过相应的反射镜反射后入射至折返棱镜，再经过折返棱镜折射后入射至分束器矩阵；

S2：分束器矩阵对两个入射光子进行分发后分别从光纤环圈的两个端口入射，历遍光纤环圈后再次回到分束器矩阵发生量子干涉；

S3：两个单光子探测器分别对发生量子干涉的两束光进行收集并转化成电信号传输给符合计数仪；

S4：符合计数仪对发生量子干涉的两束光进行符合测量，并绘制干涉曲线，干涉曲线示意图如图4、图5所示；

S5：若干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0处，移动装置不动作，若干涉曲线中符合计数结果最低点不位于光路相对时间延迟为0处，则执行步骤S6；

S6：反馈调节模块控制移动装置驱动折返棱镜沿光的传播方向滑动且两个折返棱镜滑动的方向相反，观察干涉曲线中符合计数结果最低点处的相对时间延迟，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟减小，则反馈调节模块控制移动装置继续按照原来的方向移动两个折返棱镜，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟增大，则反馈调节模块控制移动装置改变方向，使两个折返棱镜分别向原来的反方向移动，直至干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0，此状态为初始状态；

具体调节时，使两个折返棱镜沿相反方向移动，即一个朝接近分束器矩阵方向移动，另一位移台朝远离分束器矩阵方向移动，每调节一个分度值，记录一次符合计数，直到找到符合计数最低点，并将折返棱镜固定在该位置；

S7：光纤陀螺进入工作状态开始旋转，持续执行步骤S1至步骤S3，并且以设定频率重复步骤S4至步骤S6，直至光纤陀螺工作状态结束。

通过上述调节方法，可以使预报单光子光源得到的两光子分别经过两光路后到达分束器矩阵时的光强、相位、偏振态一致，成功避免了“单向导引”的问题，从而满足光强、相位、偏振态维度的不可区分性，保证了量子干涉的高对比度，提高了光纤陀螺的精度；同时由于设置了反馈调节模块，使两个折返棱镜沿相反方向联动，即当其中一路位移为时，另一路位移为/>，可同时弥补长度为/>的光程差，调节速度比用单路快一倍。

优化的，步骤S7中设定频率为1-10赫兹，频率为1-10赫兹，既可以兼顾移动装置的反应速度要求，又可以满足光纤陀螺的精度要求。

综上所述，本发明提供互易性相位调节光路采用一对能够反向移动的折返棱镜组成相位延迟光路，形成具有互易性的结构，不仅光路调节速度比较快，而且从光路上消除了只在某一路上加延迟光路引入的光学相位差问题，消除了单向导引问题引入的误差，将互易性相位调节光路应用到光纤陀螺上，在光路精确调节的同时还能保证互易性，进一步提高了光纤陀螺的精度。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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.互易性相位调节光路，其特征在于，包括预报单光子光源、分束器矩阵、两个反射镜及两个折返棱镜，两个所述反射镜分别对称的固定安装于预报单光子光源的两侧，且两个反射镜的入射端分别与预报单光子光源的出射端耦合，两个所述折返棱镜分别安装于预报单光子光源的两侧且通过移动装置驱动沿光的传播方向滑动，两个折返棱镜的入射端分别与相应的反射镜的反射端耦合且预报单光子光源入射至反射镜的光与反射镜入射至相应的折返棱镜的光垂直，两个折返棱镜的反射端分别与分束器矩阵的两个入射端耦合，两个折返棱镜入射至分束器矩阵的光分别与反射镜入射至相应的折返棱镜的光平行。

2.根据权利要求1所述的互易性相位调节光路，其特征在于，两个所述折返棱镜分别固定安装于镜架中，所述移动装置为位移台，所述镜架固定安装于位移台上，所述位移台由电机驱动沿折返棱镜入射至分束器矩阵的光的方向往复移动。

3.根据权利要求2所述的互易性相位调节光路，其特征在于，两个所述折返棱镜截面为等腰直角三角形结构。

4.根据权利要求2所述的互易性相位调节光路，其特征在于，两个所述折返棱镜分别由两片夹角90°的反射镜组成。

5.根据权利要求1所述的互易性相位调节光路，其特征在于，预报单光子光源入射至反射镜的光与相应的反射镜的法线成45°夹角。

6.根据权利要求1所述的互易性相位调节光路，其特征在于，所述分束器矩阵包括固定粘接在一起的四个正方形偏振分束器。

7.一种基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，其特征在于，包括光纤环圈、单光子探测器、符合计数仪、反馈调节模块及如权利要求1-6任一所述的互易性相位调节光路，光纤环圈的两个尾纤分别与分束器矩阵的两个分发端耦合，所述单光子探测器为两个，两个单光子探测器的入射端分别与分束器矩阵相应的探测端耦合，两个单光子探测器的计数端分别与符合计数仪的入射端耦合，符合计数仪的反馈端与反馈调节模块的入射端耦合，反馈调节模块的调节端与移动装置连接。

8.基于互易性相位调节光路的光纤陀螺调节方法，其特征在于，用于如权利要求7所述的一种基于互易性相位调节光路的光纤陀螺，调节方法包括如下步骤：

S1：预报单光子光源发生自发参量下转换得到一对单光子，一对单光子分别经过相应的反射镜反射后入射至折返棱镜，再经过折返棱镜折射后入射至分束器矩阵；

S2：分束器矩阵对两个入射光子进行分发后分别从光纤环圈的两个端口入射，历遍光纤环圈后再次回到分束器矩阵发生量子干涉；

S3：两个单光子探测器分别对发生量子干涉的两束光进行收集并转化成电信号传输给符合计数仪；

S4：符合计数仪对发生量子干涉的两束光进行符合测量，并绘制干涉曲线，同时将测量信息反馈给反馈调节模块；

S5：若干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0处，移动装置不动作，若干涉曲线中符合计数结果最低点不位于光路相对时间延迟为0处，则执行步骤S6；

S6：反馈调节模块控制移动装置驱动折返棱镜沿光的传播方向滑动且两个折返棱镜滑动的方向相反，观察干涉曲线中符合计数结果最低点处的相对时间延迟，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟减小，则反馈调节模块控制移动装置继续按照原来的方向移动两个折返棱镜，若符合计数结果最低点处的相对时间延迟增大，则反馈调节模块控制移动装置改变方向，使两个折返棱镜分别向原来的反方向移动，直至干涉曲线中符合计数结果最低点位于光路相对时间延迟为0；

S7：光纤陀螺进入工作状态开始旋转，持续执行步骤S1至步骤S3，并且以设定频率重复步骤S4至步骤S6，直至光纤陀螺工作状态结束。

9.根据权利要求8所述的基于互易性相位调节光路的光纤陀螺调节方法，其特征在于，步骤S7中设定频率为1-10赫兹。