无源偏置光学陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及一种无源偏置光学陀螺仪，解决现有光学Sagnac陀螺仪系统中含有相位调制器，使得陀螺仪系统增加了成本、空间和功耗，以及产生噪声的问题。该陀螺仪包括第一功分器、偏振分束器、Sagnac环路、偏振转换器和光学混波器；偏振转换器位于环路两端之间的中点处；偏振分束器包括第一端口、第二端口和第三端口；光信号输入第一功分器被分成两个相等的输出信号，第一功分器的两个输出信号分别输入两个偏振分束器的第一端口，并由两个偏振分束器的第二端口输出至Sagnac环路的两端，Sagnac环路内的光信号由偏振转换器改变其偏振态后，由Sagnac环路的两端离开，离开Sagnac环路后的光信号分别输入偏振分束器的第二端口，并由两个偏振分束器的第三端口输入光学混波器。

【技术实现步骤摘要】
无源偏置光学陀螺仪
本专利技术涉及一种光学传感器，具体涉及一种无源偏置光学陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪被用于感知旋转运动，而光学陀螺仪则通过Sagnac效应感知旋转运动。Sagnac效应是指在同一个闭合环路中，以相反方向传输的两个完全相同的光信号，将经历两个不同的相位或时间延迟，其中延迟的差异与环路的有效长度以及环路平面内的角速度成比例的现象。Sagnac光学陀螺仪是现有最灵敏的旋转传感器类型之一。图1为传统光学Sagnac陀螺仪系统基本元件的示意图，该系统包括一个光源11，用于提供输入信号S，信号S可以处于两个正交偏振态之一。信号首先通过光环形器12，然后通过2×2耦合器13。光学中2×2耦合器具有以下功能，将一个信号输入到2×2耦合器一端的任何一个端口时，功率将平均地分配到另一端的各个端口上。2×2耦合器具有双向传输功能，表示输入端口和输出端口可以互换，其响应不会发生变化。2×2耦合器的输出信号被输入Sagnac环路14的两端，两个信号以相反的方向在环路内传播，以符号S+和S-来区分两个信号的传播方向。在图1中，信号S+沿逆时针方向传播，而信号S-沿顺时针方向传播。陀螺仪输出的对向传播信号，以与输入方向相反的方向再次进入2×2耦合器。在输出方向上，2×2耦合器也可用作“光学解析器”或“光学解调器”，当两个信号同时到达2×2耦合器的一端时，另一端的功率比取决于两个信号的相对相位。2×2耦合器的一个端口输出信号So2，另一个端口的光信号回到环形器，作为信号So1上从环形器的第三个端口输出。传统光学Sagnac陀螺仪系统通过设置一个相位调制器用以将陀螺仪的运行偏置点设定在响应曲线的最佳点，该最佳点通常是具有最大响应斜率的点。图2A和图2B为传统光学Sagnac陀螺仪两个输出信号So1和So2的典型响应正弦型曲线图。当相位调制器被关闭或不存在时，图2A和图2B中的点A表示静态(非旋转的)陀螺仪的偏置点。图2A中的点A位于响应曲线的最大点上，图2B中的点A位于响应曲线的最小点上，在这两种情况下，点A处的瞬时斜率均为零，这意味着陀螺仪不能测量出静态点附近微小的转动变化。为了以最优方式测量出静态点附近微小的转动变化，偏置点应该位于最大斜率处，如图2A和2B中所示的点B。传统的陀螺仪通过在Sagnac环路中引入“人为旋转”来偏置到点B处，即通过在Sagnac环路上的增加相位调制器而实现，将调制器不对称地放置在环路中，调制器更靠近一个输入/输出端口，而远离另一个输入/输出端口。调制器中的路径长度和调制器速度(重复频率)决定了偏置点在响应曲线上的位置。也就是说，若没有相位调制器，在没有旋转(静态响应)的条件下，陀螺仪响应处于正弦曲线的最大值或最小值，任何曲线在最大值或最小值时，斜率均为零。由于陀螺仪用于检测转速的变化，因此需要通过非零斜率检测出最小的转速，斜率越大，陀螺仪的灵敏度越高。为了将静态偏置点从正弦曲线的零斜率点处移开，使用相位调制器来引起陀螺仪的人为“旋转”。相位调制器的路径长度和速度可以保证将运行时的偏置点更为有利地沿着响应曲线布置在斜率最大的点处。相位调制器是一种机械振动芯轴，Sagnac环路的一部分围绕其环绕，相位调制器通常由压电材料通过拉伸制成，为环路系统的一部分。但是，由于该类相位调制器体积大、成本高、耗电大、需要专用的封装方式，所以增加相位调制器则增加了陀螺仪系统的成本、空间和功耗。此外，调制器中的不稳定性或噪声可能会给陀螺仪的响应产生噪声。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有光学Sagnac陀螺仪系统中含有相位调制器，使得陀螺仪系统的成本、空间和功耗增加，以及产生噪声的问题，提供一种无源偏置光学陀螺仪。本专利技术的技术方案是：一种无源偏置光学陀螺仪，包括第一功分器、偏振分束器、Sagnac环路、偏振转换器和光学混波器；所述偏振转换器设置在Sagnac环路内，且位于环路两端之间的中点处；所述偏振分束器包括第一端口、第二端口和第三端口；光信号输入第一功分器被分成两个相等的输出信号，第一功分器的两个输出信号分别输入两个偏振分束器的第一端口，并分别由两个偏振分束器的第二端口输出至Sagnac环路的两端，Sagnac环路内的光信号由偏振转换器改变其偏振态后，从Sagnac环路的两端离开，离开Sagnac环路后的光信号分别输入偏振分束器的第二端口，并由两个偏振分束器的第三端口输入光学混波器；所述光学混波器包括至少一个移相器和至少一个耦合器，所述移相器设置在偏振分束器的输出端，所述耦合器用于将光信号输出。进一步地，所述光学混波器包括一个移相器和一个耦合器，所述移相器设置在一个偏振分束器的第三端口上，所述耦合器接收移相器和另一个偏振分束器的光信号，并将光信号输出。进一步地，所述移相器为两个，分别与两个偏振分束器的第三端口连接。进一步地，所述耦合器为两个，两个移相器分别设置在两个偏振分束器的第三端口上，两个耦合器分别设置在两个移相器的输出端。进一步地，还包括分别设置在两个偏振分束器第三端口的第二功分器、第三功分器，两个耦合器分别为第一耦合器、第二耦合器，两个移相器分别为第一移相器、第二移相器；第二功分器的一路信号通过第一移相器输入第一耦合器，另一路信号输入第二耦合器；所述第三功分器的一路信号通过第二移相器输入第二耦合器，另一路信号输入第一耦合器。进一步地，所述第一功分器、偏振分束器、偏振转换器和光学混波器被集成在光学芯片上。进一步地，所述第一功分器、第二功分器、第三功分器为Y型波导功分器或2×2耦合器。进一步地，所述移相器、第一移相器、第二移相器为波导。进一步地，所述输入第一功分器的光信号具有一个偏振态或两个正交偏振态。进一步地，所述Sagnac环路为集成的环形谐振器或长路径的波导环路。本专利技术与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本专利技术的无源偏置光学陀螺仪去除了机电式的相位调制器，依靠Sagnac环路的结构，在Sagnac环路中设置一个偏振旋转器，从而在陀螺仪内建立一个新的光学状态，然后在Sagnac环路外部设置无源耦合器和移相器，通过移相器将偏置点设定在所需的斜率上，无需设置相位调制器，从而避免了系统增加了成本、空间和功耗的问题。2.由于本专利技术的相位调制器是通过在光学芯片的Sagnac环路设置一个偏振旋转器完成的，因此本专利技术受外界干扰因素少，产生的背景噪声小。3.本专利技术将部分器件(不包括Sagnac环路)放置在一个集成光路上，从而使系统具有鲁棒性、稳定性和可批量制造性。附图说明图1为传统光学Sagnac陀螺仪系统基本元件的示意图；图2A为传统光学Sagnac陀螺仪输出信号So1的典型响应正弦型曲线图；图2B为传统光学Sagnac陀螺仪输出信号So2的典型响应正弦型曲线图；图3为本专利技术无源偏置光学陀螺仪的第一优选实施例示意图；图4A为本专利技术无源偏置光学陀螺仪的输出信号So1的响应正弦型曲线图；图4B为本专利技术无源偏置光学陀螺仪的输出信号So2的响应正弦型曲线图；图5为本专利技术无源偏置光学陀螺仪的第二优选实施例示意图；图6为本专利技术偏振分束器端口示意图。附图标记：11-光源，12-光环形器，13-耦合器，14-Sagnac环路，15-相位调制器；2-第一功分器，3-偏振分束器，4-Sagnac环路，5-偏振转换器，6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：包括第一功分器(2)、偏振分束器(3)、Sagnac环路(4)、偏振转换器(5)和光学混波器；所述偏振转换器(5)设置在Sagnac环路(4)内，且位于Sagnac环路(4)两端之间的中点处；所述偏振分束器(3)包括第一端口(31)、第二端口(32)和第三端口(33)；光信号输入第一功分器(2)被分成两个相等的输出信号，第一功分器(2)的两个输出信号分别输入两个偏振分束器(3)的第一端口(31)，并分别由两个偏振分束器(3)的第二端口(32)输出至Sagnac环路(4)的两端，Sagnac环路(4)内的光信号由偏振转换器(5)改变其偏振态后，从Sagnac环路(4)的两端离开，离开Sagnac环路(4)后的光信号分别输入偏振分束器(3)的第二端口(32)，并由两个偏振分束器(3)的第三端口(33)输入光学混波器；所述光学混波器包括至少一个移相器和至少一个耦合器，所述移相器与偏振分束器(3)的第三端口(33)连接，所述耦合器用于将光信号输出。

【技术特征摘要】
1.一种无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：包括第一功分器(2)、偏振分束器(3)、Sagnac环路(4)、偏振转换器(5)和光学混波器；所述偏振转换器(5)设置在Sagnac环路(4)内，且位于Sagnac环路(4)两端之间的中点处；所述偏振分束器(3)包括第一端口(31)、第二端口(32)和第三端口(33)；光信号输入第一功分器(2)被分成两个相等的输出信号，第一功分器(2)的两个输出信号分别输入两个偏振分束器(3)的第一端口(31)，并分别由两个偏振分束器(3)的第二端口(32)输出至Sagnac环路(4)的两端，Sagnac环路(4)内的光信号由偏振转换器(5)改变其偏振态后，从Sagnac环路(4)的两端离开，离开Sagnac环路(4)后的光信号分别输入偏振分束器(3)的第二端口(32)，并由两个偏振分束器(3)的第三端口(33)输入光学混波器；所述光学混波器包括至少一个移相器和至少一个耦合器，所述移相器与偏振分束器(3)的第三端口(33)连接，所述耦合器用于将光信号输出。2.根据权利要求1所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述光学混波器包括一个移相器(6)和一个耦合器(7)，所述移相器(6)设置在一个偏振分束器(3)的第三端口(33)上，所述耦合器(7)接收移相器(6)和另一个偏振分束器(3)的光信号，并将光信号输出。3.根据权利要求1所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述移相器为两...

【专利技术属性】
技术研发人员：布兰特·埃弗雷特·李特尔，
申请(专利权)人：西安奇芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61