一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀的製作方法

2023-05-30 13:44:06

專利名稱：一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖陀螺儀，特別是一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀。
背景技術：
有源諧振型光纖陀螺是一種新型的光學陀螺，它利用稀土摻雜光纖在環形諧振腔的順、逆時針兩個方向上產生雷射，補償了因環形諧振腔傳播損耗引起的光波衰減，使諧振腔輸出雷射的線寬變得極窄，接近量子噪聲的極限，利用簡單的拍頻檢測方法就可以得到非常高的頻差測量精度。這種陀螺儀主要包括光路部分和電路部分，光路部分包括泵浦雷射器、有源環形諧振腔、隔離器、偏振控制器、第一耦合器和探測器，其中有源環形諧振腔由波分復用器、摻鉺光纖、第二耦合器、濾模器和偏振控制器構成；電路部分包括光源驅動電路和信號檢測電路。這種陀螺儀不需要使用氦氖雷射器，可實現全固態結構和高可靠性，具有潛在精度高、耐衝擊振動、重量輕和工藝簡單等顯著特點。這種陀螺儀是光纖陀螺同時實現小型化和較強力學環境適應性的重要技術途徑之一。在有源環形諧振腔內形成穩定的雷射時，沿雷射的傳播方向會形成穩定的駐波， 在駐波的波腹處，光強最大，粒子反轉數下降的最多；在駐波的波節處，光強為零，粒子反轉數基本上沒有變化。於是粒子反轉數相對於雷射的傳播方向出現周期性的凹陷，這種現象稱為空間燒孔效應，相鄰兩孔之間的距離為1/2波長。由於在波節處粒子反轉數依然很大， 所以容易形成另一波長雷射的駐波波腹，即形成多縱模雷射，這會導致較大的解調誤差，甚至導致陀螺失效。此外，當有源諧振型光纖陀螺儀的旋轉角速率小於某一角速率時，有源環形諧振腔中的正反兩束雷射的頻率相同，陀螺儀的輸出拍頻為零，這種現象被稱為閉鎖。閉鎖的實質是由於正反兩束雷射模式的相互耦合，引起雷射耦合的主要原因是光路中存在背向散射。當一束雷射沿諧振腔的順時針方向傳播時，光路的非理想性將引起背向散射，順時針方向傳播雷射的背向散射光將變為逆時針方向傳播，並耦合到逆時針方向傳播的雷射中，反之亦然。由於存在這種耦合，當相反方向傳播的兩束雷射的頻率之差小到一定程度時，將發生頻率牽引，導致兩束雷射的頻率相同，使陀螺儀輸出的頻差為零。通過閉鎖效應產生的機理可知，減小閉鎖的根本方法是減少光路的背向散射，這要求不斷優化光路的設計方案和提高光學器件的質量，但是由於光纖中固有的瑞利背向散射及光學器件連接處的反射，很難徹底消除光路中的背向散射。偏頻法是解決閉鎖效應的有效方法，通過機械抖動偏頻來解除鎖定的方案已經成功應用於雷射陀螺儀中，但是採用機械抖動偏頻的方法會使有源諧振型光纖陀螺儀失去小型化和結構簡單的優勢。此外，可採用「光學抖動法」消除閉鎖效應。如在有源環形諧振腔對稱的位置上放置兩個PZT相位調製器，給調製器分別施加大小相等符號相反的正弦調製信號，使諧振腔中傳輸的兩束光波之間產生非互易的相位差，從而使得該有源諧振型光纖陀螺儀的工作點偏離鎖區，即使其在小角速度或者靜止的時候也能檢測到頻差，有效地抑制閉鎖。但採用PZT的方法，只能
3施加正弦調製信號，通過PZT後的光波偏振態成周期性的變化，並產生附加的雙折射效應， 這將導致陀螺發生漂移。目前空間燒孔效應和徹底解決閉鎖而且不引入其它問題是影響有源諧振型光纖陀螺儀精度和實現工程化的主要問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供了一種能夠消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀。本發明包括如下技術方案一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀，其特徵在於包括光路部分和電路部分；光路部分包括泵浦雷射器、摻鉺光纖環形諧振腔、第一隔離器、第二隔離器、第一偏振控制器、第一耦合器和探測器；電路部分包括光源驅動電路和信號檢測電路；摻鉺光纖環形諧振腔包括波分復用器、摻鉺光纖、第二耦合器、選模器、第二偏振控制器、濾模器、偏頻器；泵浦雷射器由光源驅動電路提供驅動電流；泵浦雷射器產生的雷射經波分復用器分成在摻鉺光纖環形諧振腔沿順時針方向傳播的雷射和沿逆時針方向傳播的雷射；沿逆時針方向傳播的雷射到達第二耦合器之後被分為輸出光波和繼續在摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的逆時針方向光波；沿順時針方向傳播的雷射到達第二耦合器之後被分為輸出光波和繼續在摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的順時針方向光波；第二耦合器輸出的一路光波經第一隔離器到達第一耦合器；第二耦合器輸出的另一路光波經第二隔離器和第一偏振控制器後到達第一耦合器；到達第一耦合器的兩束光發生幹涉，然後到達探測器，探測器輸出的信號經信號檢測電路實現角速度的測量；沿逆時針方向傳播的雷射經過所述選模器後變為Y方向線偏振光，沿順時針方向傳播的雷射經過所述選模器後變為X方向線偏振光；所述的偏頻器給摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符號相反的方波相位調製信號，使之產生非互易的相位差，而且通過此偏頻器後的光波偏振態不會發生變化。所述偏頻器包括第一偏振分束器、第一反射鏡、第一集成光學相位調製器、第二偏振分束器、第二反射鏡和第二集成光學相位調製器。所述選模器包括第一光纖準直器、第一法拉第旋轉器、起偏器、第二法拉第旋轉器和第二光纖準直器。本發明與現有技術相比的優點在於(1)本發明的光纖陀螺儀，選用選模器會使沿逆時針方向傳播的雷射為Y方向線偏振光，沿順時針方向傳播的雷射為X方向線偏振光，由於兩束偏振方向互相垂直的雷射不能發生幹涉和模式簡併，因此雷射在摻鉺光纖中傳播時不會產生空間燒孔效應。(2)本發明的光纖陀螺儀，選用偏頻器可給摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符號相反的方波相位調製，使之產生非互易的相位差，而且通過此偏頻器後的光波偏振態不會發生變化，從而使得該摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀的工作點偏離鎖區，即使其在小角速度或者靜止的時候也能檢測到頻差，有效地抑制閉鎖而且未引入其它問題。


圖1為本發明光纖陀螺儀的組成示意圖；圖2為偏頻器的組成示意圖；圖3為選模器的組成示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發明光纖陀螺儀的組成示意圖，包括光路部分17和電路部分18， 光路部分17和電路部分18之間採用電線連接；光路部分17包括泵浦雷射器1、摻鉺光纖環形諧振腔、第一隔離器9、第二隔離器10、第一偏振控制器11、第一耦合器12和探測器 13，其中摻鉺光纖環形諧振腔由波分復用器2、摻鉺光纖3、第二耦合器4、偏頻器5、濾模器 6、第二偏振控制器7和選模器8構成；電路部分18包括光源驅動電路15和信號檢測電路 14 ；所述的泵浦雷射器1由電路部分提供驅動電流。第一耦合器12的分光比為45 55 55 45。第二耦合器4的分光比為90 10 99 1。如圖2所示，偏頻器5由第一偏振分束器19、第一反射鏡20、第一集成光學相位調製器21、第二偏振分束器22、第二反射鏡23和第二集成光學相位調製器M構成。如圖3所示，選模器6包括第一光纖準直器25、第一法拉第旋轉器沈、起偏器27、 第二法拉第旋轉器觀和第二光纖準直器四。結合圖1-3，說明本發明的光纖陀螺儀的工作原理為光源驅動電路15驅動泵浦雷射器1產生波長為980nm的雷射，經波分復用器輸入到摻鉺光纖環形諧振腔16中，經過摻鉺光纖3後實現對光波信號的放大，形成波長為 1550nm的雷射，該1550nm的雷射在摻鉺光纖環形諧振腔16中分成兩束光波，一束沿順時針傳播(定義從摻鉺光纖3沿最小距離到達波分復用器2的方向為順時針)，另一束沿逆時針傳播(定義從摻鉺光纖C3)沿最小距離到達第二耦合器4的方向為逆時針)；沿逆時針傳播的光波到達第二耦合器4之後被分為兩束光波之後，一部分光波(光功率小於10% )被耦合出摻鉺光纖環形諧振腔16，另一部分光波(光功率大於90%)繼續在摻鉺光纖環形諧振腔16中傳播，並經選模器8中的第一光纖準直器25，到達第一法拉第旋轉器沈，該第一法拉第旋轉器沈使得光波的光矢量被左旋45角(沿選模器中規定的+Z方向看過去來定義光波的旋轉方向)，然後該光波經起偏器27變為偏振方向為Y方向的線偏振光，該線偏振光經第二法拉第旋轉器觀和第二光纖準直器四後從選模器8中輸出，並經第二偏振控制器7，到達濾模器6，然後該光波到達偏頻器5中的第一偏振分束器19，並沿光路①經第一反射鏡20，到達第一集成光學相位調製器21 (第一集成光學相位調製器21會對該光波施加一方波相位調製信號)，然後經第二偏振分束器22，返回到摻鉺光纖3，被再次放大；同理，沿順時針傳播的光波從反方向依次經過偏頻器5、濾模器6、第二偏振控制器7、選模器8中的第二光纖準直器四，到達第二法拉第旋轉器觀，該第二法拉第旋轉器觀使得該光波的光矢量被右旋45角，然後該光波在經過起偏器27時，偏振方向為X方向的線偏振光被通過，然後該偏振方向為X方向的線偏振光經第二耦合器4之後被分為兩束光波，一部分光波(光功率小於10%)被耦合出摻鉺光纖環形諧振腔16，另一部分光波(光功率大於90%)繼續在摻鉺光纖環形諧振腔16中傳播，並回到摻鉺光纖3中，繼續被放大，其中濾模器6、第二偏振控制器7和第二耦合器4對沿順時針傳播的光波所起的作用與對逆時針傳播的光波所起的作用相同；這兩束光波會在摻鉺光纖環形腔16中循環傳播。
被從摻鉺光纖環形腔16中耦合出來的光波，其中一束光波經第一隔離器9到達第一耦合器12，另一束光波經第二隔離器10以及第一偏振控制器11 (該偏振控制器11使此兩束光波的偏振方向相同)後到達第一耦合器12，到達第一耦合器12的兩束光發生幹涉， 然後到達探測器13，並實現光電信號轉換，最後經信號檢測電路14實現角速度的測量；信號檢測電路14的工作原理具體可以參見兵器工業出版社《光電慣性技術》1999年9月第一版P89 94中關於判向與計數處理電路的相關介紹。偏振控制器7可用來控制光波的功率，使在摻鉺光纖環形諧振腔16傳播的兩束光波的功率基本相等。濾模器6用來降低光譜的寬度，增加光波的穩定性，避免跳模的發生。沿逆時針傳播的光波經過偏頻器5之前，只有Y方向偏振光，該光波到達偏頻器 5中的第一偏振分束器19，並沿光路①經第一反射鏡20，到達第一集成光學相位調製器 21 (第一集成光學相位調製器21會對該光波施加一方波相位調製信號)，然後經第二偏振分束器22輸出。沿順時針傳播的光波在經過偏頻器5之前，含有X方向和Y方向兩個偏振方向，此兩個偏振方向的光波會在偏頻器5中分別沿光路①的反方向和光路②傳播輸出， 偏振方向為X方向的光波經過第二集成光學相位調製器2時會被施加一個與給偏振方向為 Y方向的光波所施加的大小相等，但方向相反的方波相位調製信號，以達到使此兩束光波之間產生一個非互易相位差的目的，而偏振方向為Y方向的光波到達選模器8後被濾除。通過摻鉺光纖環形諧振腔中的偏頻器，給摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符號相反的方波相位調製，使之產生非互易的相位差，而且通過此偏頻器後的光波偏振態不會發生變化，從而使得該摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀的工作點偏離鎖區，即使其在小角速度或者靜止的時候也能檢測到頻差，有效地抑制閉鎖而且未引入其它問題。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀，其特徵在於包括光路部分(17) 和電路部分(18)；光路部分(17)包括泵浦雷射器(1)、摻鉺光纖環形諧振腔(16)、第一隔離器(9)、第二隔離器(10)、第一偏振控制器(11)、第一耦合器(12)和探測器(13)；電路部分(18)包括光源驅動電路(1 和信號檢測電路(14)；摻鉺光纖環形諧振腔(16)包括波分復用器O)、摻鉺光纖(3)、第二耦合器G)、選模器(8)、第二偏振控制器(7)、濾模器(6)、 偏頻器(5)；泵浦雷射器(1)由光源驅動電路(1 提供驅動電流；泵浦雷射器(1)產生的雷射經波分復用器( 分成在摻鉺光纖環形諧振腔(16)沿順時針方向傳播的雷射和沿逆時針方向傳播的雷射；沿逆時針方向傳播的雷射到達第二耦合器(4)之後被分為輸出光波和繼續在摻鉺光纖環形諧振腔(16)中傳播的逆時針方向光波；沿順時針方向傳播的雷射到達第二耦合器(4)之後被分為輸出光波和繼續在摻鉺光纖環形諧振腔(16)中傳播的順時針方向光波；第二耦合器(4)輸出的一路光波經第一隔離器(9)到達第一耦合器(12)； 第二耦合器(4)輸出的另一路光波經第二隔離器(10)和第一偏振控制器(11)後到達第一耦合器(1 ；到達第一耦合器(1 的兩束光發生幹涉，然後到達探測器(13)，探測器(13) 輸出的信號經信號檢測電路(14)實現角速度的測量；沿逆時針方向傳播的雷射經過所述選模器(8)後變為Y方向線偏振光，沿順時針方向傳播的雷射經過所述選模器(8)後變為 X方向線偏振光；所述的偏頻器( 給摻鉺光纖環形諧振腔(16)中傳播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符號相反的方波相位調製信號，使之產生非互易的相位差，而且通過此偏頻器( 後的光波偏振態不會發生變化。
2.根據權利要求1所述的一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀，其特徵在於所述偏頻器( 包括第一偏振分束器(19)、第一反射鏡00)、第一集成光學相位調製器 (21)、第二偏振分束器(22)、第二反射鏡和第二集成光學相位調製器04)。
3.根據權利要求1所述的一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀，其特徵在於所述選模器(8)包括第一光纖準直器(25)、第一法拉第旋轉器(沈)、起偏器(27)、第二法拉第旋轉器08)和第二光纖準直器09)。
全文摘要
一種消除閉鎖的摻鉺光纖環形諧振腔光纖陀螺儀，包括光路部分和電路部分，光路部分包括泵浦雷射器、摻鉺光纖環形諧振腔、第一隔離器、第二隔離器、第一偏振控制器、第一耦合器和探測器，其中摻鉺光纖環形諧振腔由波分復用器、摻鉺光纖、第二耦合器、偏頻器、濾模器、第二偏振控制器和選模器構成；電路部分包括光源驅動電路和信號檢測電路。沿逆時針方向傳播的雷射經過所述選模器後變為Y方向線偏振光，沿順時針方向傳播的雷射經過所述選模器後變為X方向線偏振光；所述的偏頻器給摻鉺光纖環形諧振腔中傳播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符號相反的方波相位調製信號。本發明能夠避免產生空間燒孔效應和消除閉鎖。
文檔編號G01C19/72GK102519447SQ201110385159
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者楊永斌, 王軍龍, 王學鋒, 王巍 申請人:北京航天時代光電科技有限公司