用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器及光纤陀螺光路制造技术

用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器及光纤陀螺光路，利用LiNbO3晶体的电光效应实现相位调制，包含衬底m、在衬底上加工LiNbO3晶体波导、以及与LiNbO3晶体波导耦合的保偏光纤光路段：其中a、b、c波导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；光路段h与波导f、g耦合，为保偏光纤；光路段i、j、k是分别与a、d、e波导耦合的保偏光纤。本发明专利技术在不增加光纤陀螺光纤线圈长度和光纤陀螺体积的前提下，可将光纤陀螺干涉仪光路光程提高两倍，从而提高光纤陀螺仪的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种倍增光纤陀螺干涉仪光程的干涉仪光路方案。
技术介绍
光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种新型全固态陀螺仪表，具有可靠性高、抗冲击振动能力强、体积小、质量轻、启动时间短、结构设计灵活等特点，在海陆空天军事领域及其它民用领域已获得广泛应用。光纤陀螺是惯性导航系统的核心仪表，其性能直接决定了惯性导航系统的性能。随着光纤陀螺应用的不断深入和拓展，一些领域对光纤陀螺的精度要求日益提高，尤其是在光纤陀螺的体积受到较大约束时，突破现有精度水平更为困难。目前光纤陀螺大多采用干涉型全数字保偏方案，其主要部分Sagnac干涉仪由光纤线圈和Y波导集成光学调制器组成，如图2所示。所采用的光纤均为保偏光纤，其目的是降低由于光纤中光偏振态的变化给陀螺带来的误差。在Sagnac干涉仪内，沿着闭合光路相向传输的两路光波返回到起始点发生干涉，干涉信号的相位差正比于Sagnac干涉仪敏感轴的输入角速度：式(1)中，L为Sagnac干涉仪的总光程；D为光纤线圈的平均直径；λ为光波的波长；c为光在真空中传播的速度；Ks为Sagnac干涉仪的标度因数，由L、D、λ、c这几项参数决定；Ω为Sagnac干涉仪敏感轴的输入角速率。从上式可以看出，在一个已知的光纤陀螺仪方案中，Ks也是已知的，通过检测Sagnac干涉仪中干涉信号的相位差可得到输入角速率Ω。通常情况下，通过提高Ks，在相同输入角速率Ω下，也正比增大，采用检测到的信号在解调后得到的角速率Ω的误差也相应减小，有利于提高光纤陀螺的精度。在实际情况下，决定Ks的各项参数中，λ是基本固定的，c是常数，要提高标度因数Ks，一般情况下采用两个方法：一是通过增加光纤线圈的长度来增加干涉仪的总光程L，二是增加光纤线圈的平均直径D来实现。这两个方法都不可避免的造成光纤陀螺的体积增大，使得光纤陀螺的应用受到较大约束。目前在干涉型光纤陀螺中一般采用基于电光效应的波导型LiNbO3集成光学调制器，主要起到光信号起偏、分光、以及相位调制的作用，其光路结构如图1所示。其中①、②、③为采用质子交换工艺制作的LiNbO3晶体，采用质子交换的波导具备偏振功能，质子取代Li+进入LiNbO3晶体后使得Z轴的折射率增大，而X或Y轴的折射率减小，使沿X或Y轴的偏振光不能形成导模，从而实现偏振的功能，只能传输一个偏振模式的信号光；④、⑤、⑥为输入输出接口的尾纤；⑦为制作LiNbO3晶体的衬底。当这种集成光学调制器接入陀螺光路后(如图1)，从光源(4)输出经过光纤耦合器(3)的①、③端接口尾纤，进入集成光学调制器(2)的①端接口尾纤，起偏后(设偏振方向为X向)分别由集成光学调制器(2)的②、③端接口尾纤输出，分别沿保偏光纤线圈(1)顺时针和逆时针传输。因其信号光的偏振方向仍未X向，沿保偏光纤线圈(1)顺时针和逆时针传输的两束信号光再由集成光学调制器(2)的②、③端接口尾纤输入，发生干涉后由集成光学调制器(2)的①端接口尾纤输入，最终经过光纤耦合器(3)的③、②端接口尾纤，进入光电探测器(5)，并将光信号转化为电信号。使用这种集成光学调制器时，决定光纤陀螺标度因数Ks的光纤线圈的平均直径D由光纤线圈的尺寸决定，而另一个决定因素——干涉仪的总光程L——则由光纤线圈的光纤长度l和光纤的折射率n决定，L＝nl。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于倍增光纤陀螺干涉仪的集成光学调制器及Sagnac干涉仪光路。本专利技术的技术解决方案是：一种用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器，所述集成光学调制器包含衬底m、在衬底m上加工LiNbO3晶体波导、以及与LiNbO3晶体波导耦合的保偏光纤光路段；其中LiNbO3晶体波导由a、b、c、d、e、f、g七段波导组成；a、b、c波导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；晶体波导d、e的长度L2为2mm～5mm；晶体波导a的长度L3为1.5mm～4.5mm；晶体波导d的一端与晶体波导b、f的一端相交于B点；晶体波导e的一端与晶体波导c、g的一端相交于C点；晶体波导a的一端与晶体波导b、c的另一端相交于A点；晶体波导f、g的另一端分别与光路段h的两端耦合；晶体波导a、d、e的另一端分别耦合光路段i、j、k的一端，光路段h、i、j、k为保偏光纤。进一步的，A点距晶体波导d、e与耦合光路段j、k的一端距离L1为10mm～20mm；晶体波导d、e平行，二者之间距离d0为300μm～1000μm；晶体波导f、g分别与晶体波导a平行，f、g距a的距离d1、d2为150μm～500μm；晶体波导端面直径为3μm～7μm。所述集成光学调制器的工作波长是850nm、1310nm或1550nm。所述保偏光纤是PANDA型、BOWTIE型、TIGER型、椭圆包层型或一字型。光纤包层直径是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm、或Φ40μm。一种光纤陀螺光路，包括保偏光纤线圈、集成光学调制器、光纤耦合器、光源和探测器；集成光学调制器的波导g、光路段k与保偏光纤线圈的接口光纤进行保偏连接，其中光路段j与保偏光纤线圈的①端接口光纤90°对轴连接，光路段k与保偏光纤线圈的②端接口光纤0°对轴连接，形成光纤熔接点S1和S2；集成光学调制器的光路段i与光纤耦合器的输出端③端接口光纤连接，形成光纤熔接点S3；光纤耦合器的输入端①端接口光纤与光源的接口光纤连接，形成光纤熔接点S4；光纤耦合器的返回端②端接口光纤与探测器的接口光纤连接，形成光纤熔接点S5；光纤耦合器的空头端④端接口光纤处理成回波损耗大于50dB的状态，即防止光信号反射回干涉仪光路。本专利技术与现有技术相比有益效果为：本专利技术的技术方案在不增加光纤长度、不增大光纤陀螺尺寸的条件下，将Sagnac干涉仪的光程提高为原来的两倍，将光纤陀螺的精度提高近2倍，有利于导弹、卫星等应用领域对光纤陀螺的高精度、小型化要求。本专利技术中所描述的用于倍增光纤陀螺干涉仪的集成光学调制器如图3所示。其中a、b、c波导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；光路段h与f、g波导耦合，为保偏光纤；光路段i、j、k是分别与a、d、e波导耦合的保偏光纤。基于这种构造方式，由于a、b、c波导采用质子交换技术制备，具备偏振功能，只能传输一个偏振模式(沿X轴或沿Y轴)的信号光；而d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备，h、i、j、k光路段是与其他波导耦合的保偏光纤，均不具备偏振功能，沿X轴或Y轴的偏振光均能传输。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器，其特征在于：所述集成光学调制器(2)包含衬底m、在衬底m上加工LiNbO3晶体波导、以及与LiNbO3晶体波导耦合的保偏光纤光路段；其中LiNbO3晶体波导由a、b、c、d、e、f、g七段波导组成；a、b、c波导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；晶体波导d、e的长度L2为2mm～5mm；晶体波导a的长度L3为1.5mm～4.5mm；晶体波导d的一端与晶体波导b、f的一端相交于B点；晶体波导e的一端与晶体波导c、g的一端相交于C点；晶体波导a的一端与晶体波导b、c的另一端相交于A点；晶体波导f、g的另一端分别与光路段h的两端耦合；晶体波导a、d、e的另一端分别耦合光路段i、j、k的一端，光路段h、i、j、k为保偏光纤。

【技术特征摘要】
1.用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器，其特征在于：所述集成光学调制
器(2)包含衬底m、在衬底m上加工LiNbO3晶体波导、以及与LiNbO3晶体波导耦合的保偏光纤
光路段；其中LiNbO3晶体波导由a、b、c、d、e、f、g七段波导组成；a、b、c波导采用质子交换技
术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；晶体波导d、e的长度L2为2mm～5mm；晶体波导a
的长度L3为1.5mm～4.5mm；晶体波导d的一端与晶体波导b、f的一端相交于B点；晶体波导e
的一端与晶体波导c、g的一端相交于C点；晶体波导a的一端与晶体波导b、c的另一端相交于
A点；晶体波导f、g的另一端分别与光路段h的两端耦合；晶体波导a、d、e的另一端分别耦合
光路段i、j、k的一端，光路段h、i、j、k为保偏光纤。
2.根据权利要求1所述的用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器，其特征在
于：A点距晶体波导d、e与耦合光路段j、k的一端距离L1为10mm～20mm；晶体波导d、e平行，二
者之间距离d0为300μm～1000μm；晶体波导f、g分别与晶体波导a平行，f、g距a的距离d1、d2
为150μm～500μm；晶体波导端面直径为3μm～7μm。
3.根据权利要求1所述的用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器，其特征在
于：所述集成光学调制器的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，曲轶，龙娅，许保祥，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，长春理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11