CN1338613A

CN1338613A - 导航级循环干涉型集成光学陀螺仪

Info

Publication number: CN1338613A
Application number: CN 01136249
Authority: CN
Inventors: 章燕申
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2002-03-06

Abstract

本发明属于传感器及人工智能技术领域,包括光收发模块,Y－波导电光相位调制模块以及闭环控制和信号读出电路模块;还包括由耦合器、半导体光放大器、赛奈克效应的敏感环组成的赛奈克效应的敏感环模块;各模块的连接关系为:所说的Y－波导电光相位调制模块通过耦合器分别与所说的光收发模块和赛奈克效应的敏感环模块双向连接,所说的光收发模块中的模转换器分别与该闭环控制和信号读出电路模块中的数字信号处理器及可编程逻辑门阵列相连,该可编程逻辑门阵列通过数模转换器与所说的Y－波导电光相位调制模块相连。本发明具有SSR长度较短,兼容性好,体积小、低成本和高可靠性的优点。

Description

导航级循环干涉型集成光学陀螺仪

技术领域

本发明属于传感器及人工智能技术领域，特别涉及干涉型集成光学陀螺仪的设计。

背景技术

光学陀螺仪，包括激光陀螺仪(Ring Laser Gyroscope，RLG)和光纤陀螺仪(FiberOptical Gyroscope，FOG)，适用于捷联式惯性导航系统。它们和传统的机电陀螺仪相比较，在小型化、低成本和高可靠性等方面均具有优势，因而发展迅速，逐步替代了机电陀螺仪。

RLG和FOG的发展方向是降低成本和实现小型化。1996年本发明人发表了“小型化谐振型光学角速度传感器的关键技术”论文，提出了研制谐振型集成光学陀螺仪(Integrated Optical Gyroscope，IOG)的方案。该方案采用光波导谐振腔作为赛奈克效应的敏感环(Sagnac Sensing Ring，SSR)，并用两个声光移频器分别实现顺、逆时针方向光波谐振频率的闭环跟踪，它们的拍频信号为IOG的输出。和RLG相比较，该方案在小型化和降低成本方面具有一定的优势，由于采用频率跟踪系统，可以降低对光波导SSR中光学损耗的要求，因而在工程上具有可行性。实现该方案的技术关键为：(1)光源线宽＜100kHz，中心波长的相对误差＜10^-6；(2)为了降低光波导SSR的光学损耗，需要采用硅基片二氧化硅掺杂的光波导结构和工艺；(3)需要采用AOFS作为频率跟踪器件。这些技术关键目前虽可以解决，但成本较高。

另一方面，采用FOG的技术方案可以较容易实现低成本的光学陀螺仪，但要缩短光纤敏感线圈的长度仍未得到很好解决。

发明内容

本发明的目的是为克服上述技术的不足之处，提出一种导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，通过减小赛奈克效应的敏感环中的光学损耗，并采用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)加以补偿，可使光波在SSR中能多次循环，具有SSR长度较短，兼容性好，体积小、低成本和高可靠性的优点。

本发明提出的一种导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，包括由超辐射发光二极管及电流源、光探测器、耦合器1、温度探测器、前置放大器及转换器组成的光收发模块，Y-波导电光相位调制模块以及由数模转换器、数字信号处理器及可编程逻辑门阵列组成的闭环控制和信号读出电路模块；其特征在于，还包括由耦合器2、半导体光放大器、赛奈克效应的敏感环组成的赛奈克效应的敏感环模块；各模块的连接关系为：所说的Y-波导电光相位调制模块通过耦合器1、耦合器2分别与所说的光收发模块和赛奈克效应的敏感环模块双向连接，所说的光收发模块中的模转换器分别与该闭环控制和信号读出电路模块中的数字信号处理器及可编程逻辑门阵列相连，该可编程逻辑门阵列通过数模转换器与所说的Y-波导电光相位调制模块相连。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环可采用两根光纤构成，该耦合器可为光纤耦合器，该半导体光放大器可为两端镀高增透膜并带有尾纤的半导体光放大器；该光纤耦合器与半导体光放大器分别通过尾纤与两根光纤连接成为一个环形腔。

所说的赛奈克效应的敏感环模块可采用微光学结构形式；包括：在四边形的四个角各设置一微光学结构的高反射镜M1、M2与M3及一半透半反镜M4构成赛奈克效应的敏感环；在该两反射镜M2与M3之间的光路上设置一个半导体光放大器；以及设置在Y-波导电光相位调制模块的一支光路与M4的反射光路中的高反射镜M5，该M4则位于Y-波导电光相位调制模块的另一支光路中，M4与M5构成耦合器2。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环可采用两根光波导构成，该耦合器为光波导耦合器，该半导体光放大器为两端镀高增透膜的半导体光放大器；该光波导耦合器与半导体光放大器分别通过光波导与两根光波导连接成为一个环形腔。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中还可设置有温度探测器，该温度探测器与与该可编程逻辑门阵列相连。

本发明的技术特点和效果如下：

1、减小光路损耗

本发明以实现小型化和低成本的IOG为目标。采用集成光学技术制作光收发模块、MIOC和具有SOA的SSR模块。由于避免了通过尾纤互相连结，这种IOG光路系统的光学损耗较小。

2、提高光源输出功率

采用模块化结构和SLD光斑转换等技术，提高耦合效率，增大输出功率。

3、采用光信号的双向SOA，降低SOA的自发辐射噪声，以提高输出信号的信噪比。

4、在低量程情况下，可采用开环工作方式，输出信号为各次循环信号之和，因而得到较强的输出信号。

5、在大量程情况下，可采用闭环工作方式。本发明具有提取多次循环输出信号的技术。采用全数字闭环补偿Sagnac相移。

6、由于光波可在SSR模块进行多次循环，因此可采用较短的SSR，降低了陀螺仪对温度的敏感性。

附图说明

图1为本发明导航级循环干涉型集成光学陀螺仪的总体结构图。

图2为本发明实施例1的循环干涉型光纤陀螺仪的光路系统图。

图3为本发明实施例2的循环干涉型微光学陀螺仪的光路系统图。

图4为本发明实施例3的循环干涉型光波导陀螺仪的光路系统图。

图5为本发明各实施例中的光收发模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪结合各附图及多种实施例详细说明如下：

本发明提出的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪总体结构如图1所示，包括由超辐射发光二极管及电流源、光探测器、耦合器1、光探测器、温度探测器、前置放大器及转换器组成的光收发模块11，具有Y-波导电光相位调制器的多功能集成光学芯片(Mutifunctional Integrated Optical Chip，MIOC)、以及由数模转换器、数字信号处理器及可编程逻辑门阵列组成的闭环控制和信号读出电路模块13；由耦合器2、半导体光放大器、赛奈克效应的敏感环及温度探测器(也可省略)组成的赛奈克效应的敏感环(SSR)模块12；在SSR模块中，赛奈克效应的敏感环(SSR)和半导体光放大器(SOA)集成在同一块基片上。

本发明的工作原理为：光波由光收发模块11进入MIOC，分裂为顺逆时针方向传播的两束光波，通过耦合器2进入集成光学SSR模块12多次循环，循环次数相等的两束光波产生干涉，得到有用信号，通过MIOC返回光收发模块，被探测器接收产生模拟电信号。该信号经过探测器信号预处理器(包括前置放大器、滤波器和模数转换器)得到开环工作方式下的输出信号，在闭环工作方式下，经信号经过探测器信号预处理器后被送入闭环控制和信号读出模块13进行数据处理，产生的反馈信号通过数模转换器作用于MIOC，形成闭环控制。

上述各模块的构成分别说明如下：

光收发模块11由超辐射发光二极管(Superluminescent Laser Diode，SLD)及电流源、光探测器、耦合器1、光探测器、温度探测器、前置放大器及转换器组成，可采用成熟技术。

MIOC可采用现有FOG产品中的相应模块。

闭环控制和信号读出电路模块13由数模转换器、数字信号处理器及可编程逻辑门阵列组成，可采用现有FOG产品中的相应模块。

本发明提出的SSR模块可以采用多种实施方案来实现，结合以下各实施例分别说明如下：

实施例1为采用光纤SSR模块的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪(IOG)，其结构如图2所示，这种IOG的光路系统包括光收发模块中的超辐射发光二极管SLD21、MIOC模块23和具有SOA的光纤SSR模块。SLD21发出的低相干光波，经Y波导耦合器22送入MIOC23，再经耦合器24进入光纤SSR25。光波在SSR中被SOA26放大，并沿顺、逆时针方向传播。SSR的输出信号经过耦合器24、MIOC和耦合器22进入光探测器27。

本实施例的电路系统包括光收发模块中的光源的电流源和温控电路28、光探测器的信号预处理电路(包括前置放大器29、滤波器210和模数转换器211)、闭环控制和信号读出电路模块13等。

本实施例的光收发模块中的超辐射发光二极管SLD、MIOC模块和闭环控制和信号读出电路模块均采用已知成熟产品。

本实施例的SSR模块包括；赛奈克效应的敏感环25、SOA26及光纤耦合器24，其中，赛奈克效应的敏感环采用两根光纤构成，光纤耦合器24，SOA均为已知器件，SOA两端镀高增透膜；光纤耦合器与SOA分别通过尾纤与两根光纤连接成为一个环形腔。它的优点是易于生产，可以借用FOG中光纤耦合器的成熟结构和工艺制作。

实施例2为采用微光学SSR模块的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪(IOG)，其结构如图3所示。在这种IOG中，光收发模块和MIOC模块的结构与图2的结构完全相同，SSR模块采用微光学结构形式，其中，在四边形的四个角各设置一微光学结构的高反射镜M1、M2与M3及一半透半反镜M4构成赛奈克效应的敏感环，在该两反射镜M2与M3之间的光路上设置半导体光放大器(SOA)；还包括一设置在MIOC模块的一支光路与M4的反射光路中的高反射镜M5，该M4则位于MIOC模块的另一支光路中，M4与M5构成耦合器2，将经SSR中多次循环且循环次数相等的两束光波的干涉信号分别耦合进MIOC模块。

本实施例的优点是比光波导SSR易于生产。同时，由于微光学SSR中的传播损耗比光波导SSR的小，因而可以降低SOA的增益。

实施例3为采用光波导SSR的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪(IOG)，其结构如图4所示。在这种IOG中，采用光波导取代了实施例1中的光纤构成SSR模块，其余部分与图2结构完全相同，它的特点是小型化，光波导的SSR与SOA可以集成在同一个基片上。

上述各实施例中采用的Y-波导耦合器的光收发模块，其结构如图5所示，图中，SLD31焊接于铜热沉32上，通过半导体制冷器33与壳体34相连，由SLD发出的光波经过微透镜35耦合进入Y-波导耦合器36的一个分支，在Y-波导耦合器的另一端与光纤尾纤37耦合输出。光纤尾纤37与Y-波导耦合器36的耦合端置于套筒38中，通过光纤支撑结构39与Y-波导耦合器进行对接。反馈信号光则通过光纤尾纤耦合进入Y-波导耦合器36，在另一分支上通过光栅310和光探测器311耦合。采用这种结构的光收发模块，由于光源31、探测器311、Y-波导耦合器36之间不通过尾纤相连，因而可以减小光学损耗。

Claims

1、一种导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，包括由超辐射发光二极管及电流源、光探测器、耦合器1、温度探测器、前置放大器及转换器组成的光收发模块，Y-波导电光相位调制模块以及由数模转换器、数字信号处理器及可编程逻辑门阵列组成的闭环控制和信号读出电路模块；其特征在于，还包括由耦合器2、半导体光放大器、赛奈克效应的敏感环组成的赛奈克效应的敏感环模块；各模块的连接关系为：所说的Y-波导电光相位调制模块通过耦合器1、耦合器2分别与所说的光收发模块和赛奈克效应的敏感环模块双向连接，所说的光收发模块中的模转换器分别与该闭环控制和信号读出电路模块中的数字信号处理器及可编程逻辑门阵列相连，该可编程逻辑门阵列通过数模转换器与所说的Y-波导电光相位调制模块相连。

2、如权利要求1所述的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，其特征在于，所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环采用两根光纤构成，该耦合器为光纤耦合器，该半导体光放大器为两端镀高增透膜并带有尾纤的半导体光放大器；该光纤耦合器与半导体光放大器分别通过尾纤与两根光纤连接成为一个环形腔。

3、如权利要求1所述的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，其特征在于，所说的赛奈克效应的敏感环模块采用微光学结构形式；包括：在四边形的四个角各设置一微光学结构的高反射镜M1、M2与M3及一半透半反镜M4构成赛奈克效应的敏感环；在该两反射镜M2与M3之间的光路上设置一个半导体光放大器；以及设置在Y-波导电光相位调制模块的一支光路与M4的反射光路中的高反射镜M5，该M4则位于Y-波导电光相位调制模块的另一支光路中，M4与M5构成耦合器2。

4、如权利要求1所述的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，其特征在于，所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环采用两根光波导构成，该耦合器为光波导耦合器，该半导体光放大器为两端镀高增透膜的半导体光放大器；该光波导耦合器与半导体光放大器分别通过光波导与两根光波导连接成为一个环形腔。

5、如权利要求1、2、3或4所述的导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，其特征在于，所说的赛奈克效应的敏感环模块中设置有温度探测器，该温度探测器与与该可编程逻辑门阵列相连。