高靈敏度的光纖陀螺儀的製作方法

2023-09-16 19:38:40 3

專利名稱：高靈敏度的光纖陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及陀螺儀，尤其涉及一種高靈敏度的光纖陀螺儀。
背景技術：
光纖陀螺儀是利用光學Sagnac效應實現對轉動檢測的一種高精度的慣性傳感器 件。它是一種非常重要的傳感器，不僅在飛機導航，而且在太空飛行器制導，衛星定位，汽車定 向，智慧機器人，天文望遠鏡等諸多方面起著極為關鍵的作用。我國現階段主要致力於陀螺 的工程化，實用化研究。為了使陀螺達到實用化的要求，提高光纖陀螺儀的靈敏度要求就顯 得非常的重要。 對於傳統的幹涉式光纖陀螺系統而言，如圖2所示，由光源1發出的光經分束器2 一分為二，其中一束進入多功能集成光學晶片3的輸入端，晶片3中的分束器將光束一分為 二後輸出，其中上光束按順時針方向經過光纖傳感環5後返回晶片3;下光束按反時針方向 經過光纖傳感環5後返回晶片3 ;這二束順時針光和反時針光由晶片3中的分束器合成形 成幹涉，經晶片3輸入端至分束器2 —分為二，其中一束由光電探測器7變為電信號，經過 信號處理單元8，生產反饋加到晶片3中相位調製器上，並同時輸出陀螺儀相對於慣性參考 系的轉動信號。這種陀螺的缺點是如果要增加靈敏度，必須增加光纖傳感環5的光纖長度， 而當光纖傳感環的空間溫度場隨時間的變化，會引進測量相位誤差(Shupe效應)，傳感環 光纖長度越長，Shupe效應的相位誤差越難以克服。本發明就是針對提高光纖陀螺儀靈敏 度的一種非常有效的方案。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種高靈敏度的光纖陀螺儀。
高靈敏度的光纖陀螺儀是由光源發出的光經分束器一分為二，其中一束光進入多 功能集成光學晶片輸入端，多功能集成光學晶片中的分束器將光束分為上下二光束後輸 出，其中上光束進入第一光纖2X2聲光開關，當第一光纖2X2聲光開關開啟時，上光束輸 出後進入光纖傳感環，再進入第二光纖2X2聲光開關，此時第二光纖2X2聲光開關和第 一光纖2 X 2聲光開關同時關閉，上光束經過第二光纖2 X 2聲光開關進入第一光纖2 X 2聲 光開關，然後再次進入光纖傳感環，並且在光纖傳感環、第二光纖2 X 2聲光開關、第一光纖 2X2聲光開關組成的環路中按順時針方向循環多次；下光束進入第二光纖2X2聲光開關， 當第二光纖2X2聲光開關與第一光纖2X2聲光開關同時開啟時，下光束輸出後進入光纖 傳感環和第一光纖2 X 2聲光開關，此時第一光纖2 X 2聲光開關和第二光纖2 X 2聲光開關 同時關閉，下光束經過第一光纖2X2聲光開關進入第二光纖2X2聲光開關，然後再次進 入光纖傳感環，並且在光纖傳感環、第一光纖2X2聲光開關、第二光纖2X2聲光開關組成 的環路中按反時針方向循環多次；這二束順時針光和反時針光經過多次循環後，第二光纖 2X2聲光開關和第一光纖2X2聲光開關同時開啟，順時針光和反時針光分別經過第二光 纖2X2聲光開關和第一光纖2X2聲光開關進入多功能集成光學晶片中，由多功能集成光學晶片中的分束器合成形成幹涉，經多功能集成光學晶片輸入端至分束器一分為二，其中 一束由光電探測器變為電信號，經過信號處理單元，生產反饋加到多功能集成光學晶片中 相位調製器上，並同時輸出陀螺儀相對於慣性參考系的轉動信號。 本發明採用兩個低損耗聲光開關，分別插入到集成光學晶片二個輸出埠和光纖 傳感環二個埠之間，使得順時針光和反時針光能夠在傳感環內多次循環，從而增加了傳 感靈敏度。由於光纖2X2聲光開關具有0. ldB量級的低損耗，如果循環次數為IO次，與具 有相同光纖傳感環的傳統光纖陀螺相比，靈敏度增加了 10倍，而光能損耗僅增加2. 2dB。本 發明避免了採用增加傳感環長度方法來增加靈敏度所帶來的大的Shupe效應誤差，節省了 成本。


圖1是高靈敏度的光纖陀螺儀結構示意圖；
圖2是傳統的閉環光纖陀螺結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，高靈敏度的光纖陀螺儀是由光源1發出的光經分束器2—分為二，其 中一束光進入多功能集成光學晶片3輸入端，多功能集成光學晶片3中的分束器將光束分 為上下二光束後輸出，其中上光束進入第一光纖2X2聲光開關4，當第一光纖2X2聲光開 關4開啟時，上光束輸出後進入光纖傳感環5，再進入第二光纖2 X 2聲光開關6，此時第二 光纖2 X 2聲光開關6和第一光纖2 X 2聲光開關4同時關閉，上光束經過第二光纖2 X 2聲 光開關6進入第一光纖2 X 2聲光開關4，然後再次進入光纖傳感環5，並且在光纖傳感環5、 第二光纖2X2聲光開關6、第一光纖2X2聲光開關4組成的環路中按順時針方向循環多 次；下光束進入第二光纖2 X 2聲光開關6，當第二光纖2 X 2聲光開關6與第一光纖2 X 2聲 光開關4同時開啟時，下光束輸出後進入光纖傳感環5和第一光纖2 X 2聲光開關4，此時第 一光纖2 X 2聲光開關4和第二光纖2 X 2聲光開關6同時關閉，下光束經過第一光纖2 X 2 聲光開關4進入第二光纖2 X 2聲光開關6，然後再次進入光纖傳感環5，並且在光纖傳感環 5、第一光纖2X2聲光開關4、第二光纖2X2聲光開關6組成的環路中按反時針方向循環 多次；這二束順時針光和反時針光經過多次循環後，第二光纖2X2聲光開關6和第一光纖 2 X 2聲光開關4同時開啟，順時針光和反時針光分別經過第二光纖2 X 2聲光開關6和第一 光纖2X2聲光開關4進入多功能集成光學晶片3中，由多功能集成光學晶片3中的分束器 合成形成幹涉，經多功能集成光學晶片3輸入端至分束器2 —分為二，其中一束由光電探測 器7變為電信號，經過信號處理單元8，生產反饋加到多功能集成光學晶片3中相位調製器 上，並同時輸出陀螺儀相對於慣性參考系的轉動信號。 本發明光源採用半導體雷射器泵浦的摻鉺光纖寬譜螢光光源，分束器2是分光比 為50% : 50X的保偏光纖耦合器，多功能集成光學晶片3是Y型鈮酸鋰波導晶片，其中輸 入波導集成有起偏器，二個波導輸出波導集成有推挽式相位調製器。第一光纖2X2聲光開 關4結構和製造如下用兩根光纖，把其中一根預拉細，然後將這兩根直徑不同的光纖平行 放在一起，按拉錐工藝製成零信號光纖耦合器，在耦合器一端安裝用壓電陶瓷推動的圓錐 體，壓電陶瓷沒有加信號時，零信號光纖耦合器不產生耦合；當壓電陶瓷加10MHz、1. 5毫瓦
4驅動時，聲波在耦合區產生周期折射率擾動，通過聲光耦合零信號光纖耦合器將輸入光完 全耦合到另一光纖，僅有0. ldB的低損耗。光纖傳感環5用長度一公裡的保偏光纖按四極 子繞法繞成平均95毫米的圓環，第二光纖2X 2聲光開關6與第一光纖2X 2聲光開關4的 結構完全相同。第一聲光開關4和第二光纖2 X 2聲光開關6同時開啟，將順時針光束和反 時針光束同時引入光纖傳感環5中，5微秒後(光在光纖傳感環內傳播一圈的時間)，第一 聲光開關4和第二光纖2X2聲光開關6同時關閉，光在光纖傳感環5中循環，循環5次後， 第一聲光開關4和第二光纖2 X 2聲光開關6又同時關開啟，順時針光和反時針經過聲光開 關進入多功能集成光學晶片3合成形成幹涉，經過分束器2並由光電探測器7變為電信號， 經過信號處理單元8生產反饋加到多功能集成光學晶片3中相位調製器上，並同時輸出陀 螺儀相對於慣性參考系的轉動信號。在相同的輸入信號和器件條件下，本發明結構的光纖 陀螺儀輸出的轉動信號幅度是不用聲光開關的傳統光纖陀螺的5倍。
權利要求
一種高靈敏度的光纖陀螺儀，其特徵在於由光源(1)發出的光經分束器(2)一分為二，其中一束光進入多功能集成光學晶片(3)輸入端，多功能集成光學晶片(3)中的分束器將光束分為上下二光束後輸出，其中上光束進入第一光纖2×2聲光開關(4)，當第一光纖2×2聲光開關(4)開啟時，上光束輸出後進入光纖傳感環(5)，再進入第二光纖2×2聲光開關(6)，此時第二光纖2×2聲光開關(6)和第一光纖2×2聲光開關(4)同時關閉，上光束經過第二光纖2×2聲光開關(6)進入第一光纖2×2聲光開關(4)，然後再次進入光纖傳感環(5)，並且在光纖傳感環(5)、第二光纖2×2聲光開關(6)、第一光纖2×2聲光開關(4)組成的環路中按順時針方向循環多次；下光束進入第二光纖2×2聲光開關(6)，當第二光纖2×2聲光開關(6)與第一光纖2×2聲光開關(4)同時開啟時，下光束輸出後進入光纖傳感環(5)和第一光纖2×2聲光開關(4)，此時第一光纖2×2聲光開關(4)和第二光纖2×2聲光開關(6)同時關閉，下光束經過第一光纖2×2聲光開關(4)進入第二光纖2×2聲光開關(6)，然後再次進入光纖傳感環(5)，並且在光纖傳感環(5)、第一光纖2×2聲光開關(4)、第二光纖2×2聲光開關(6)組成的環路中按反時針方向循環多次；這二束順時針光和反時針光經過多次循環後，第二光纖2×2聲光開關(6)和第一光纖2×2聲光開關(4)同時開啟，順時針光和反時針光分別經過第二光纖2×2聲光開關(6)和第一光纖2×2聲光開關(4)進入多功能集成光學晶片(3)中，由多功能集成光學晶片(3)中的分束器合成形成幹涉，經多功能集成光學晶片(3)輸入端至分束器(2)一分為二，其中一束由光電探測器(7)變為電信號，經過信號處理單元(8)，生產反饋加到多功能集成光學晶片(3)中相位調製器上，並同時輸出陀螺儀相對於慣性參考系的轉動信號。
全文摘要
本發明公開了一種高靈敏度的光纖陀螺儀。該陀螺儀在傳統光纖陀螺的結構基礎上增加了二個光纖2×2聲光開關，將這二個光纖2×2聲光開關分別插入到多功能集成光學晶片二個輸出埠和光纖傳感環二個埠之間，使得順時針光和反時針光能夠在光纖傳感環內多次循環後輸出。本發明與具有相同光纖傳感環的傳統光纖陀螺相比，傳感靈敏度大大提高。本發明避免了採用增加傳感環長度方法來增加靈敏度所帶來的大的Shupe效應誤差。
文檔編號G01C19/72GK101694386SQ20091015402
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月22日 優先權日2009年10月22日
發明者周柯江, 張大茂, 申越 申請人:浙江大學;