一种再入式干涉型光纤陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种再入式干涉型光纤陀螺仪，属于光纤通信领域。本发明专利技术的光纤陀螺仪包括宽带光源、２×２耦合器、偏振起偏器、探测器、２×２保偏耦合器、相位调制器、两保偏／旋转合／分束器、保偏光纤环；其中２×２保偏耦合器一端口与一保偏／旋转合／分束器的一分束端口连接，且２×２保偏耦合器该侧的另一端口经相位调制器与另一保偏／旋转合／分束器的一分束端口连接；两保偏／旋转合／分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口连接；保偏光纤环中连接有一段保偏光纤，其快慢轴与保偏光纤环的快慢轴具有设定偏角；两保偏／旋转合／分束器的另一分束端口光纤连接。本发明专利技术降低了光纤陀螺仪的成本，提高了测量旋转角速度的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤陀螺仪，尤其涉及一种再入式干涉型光纤陀螺仪，属于光纤通信领域。
技术介绍
陀螺仪是一种能够高精度地检测相对空间转动的装置，现在有很多利用转动带来的物理效应研究的陀螺仪类型，如机械陀螺仪、光纤陀螺仪、原子陀螺仪等。光纤陀螺仪是一种结构简单，成本较低，精度高的全固态惯性器件。其在军用和民用领域有着广泛的应用，如战术武器指导、航天定向导航，汽车导航仪，机器人控制等。 光纤陀螺仪的基本原理是基于萨格奈克(sagnac)效应，这是一种相对论效应。简单地说，在一任意形状的闭合光学环路中，从其中任意一点出发，向环路中相对的两个方向发出的光，分别沿环路顺时针和逆时针方向传播。环路在相对空间有转动角速度的时候，两个不同方向的光再回到源点时经过的路径或时间是不同的，表现在光波函数上，有一定的相位差。这种现象称为萨格奈克效应。相位差与旋转角速度有关系，会带来干涉效应，从而能够通过测量干涉效应来推导旋转的速度。 旋转引起的两路光的相对相位变化称为萨格奈克相移，理论上推导得 式中，L为光纤线圈长度，D为光纤线圈直径，λ为信号光的中心波长，c为真空中的光速，Ω为系统转动角速度。由公式(1)可以看出，萨格奈克效应及其相移φs大小与介质的折射率无关，且与环长L成正比。 在传统的光纤陀螺方案中，如图1中的最小互易性结构，光纤环中只存在单一的光路径，信号光由光纤环输入端进入后，经过环路后，直接从输出端出来。由于按照公式(1)，萨格奈克相移与环长L成比例。要获取较大萨格奈克相移，需要很长的光纤。为了解决此问题，研究人员提出了无源再入式光纤陀螺仪，但是由于其采用普通耦合器，使得有效环长路径并没有太大的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种再入式干涉型光纤陀螺仪。本专利技术的光纤陀螺仪在信号进入环的入口处采用特殊的偏振合束/分束器，并在环中加一段有一定角度熔接的保偏光纤，实现了信号光多进少出的效果，从而有效提高了信号光传播路径，增强了萨格奈克效应。从而在同样光纤环长度下，提高了测量精度。本专利技术提出的再入式干涉型光纤陀螺仪可以使光纤环的有效长度Leff增加到多倍于环长L的程度，相应比例地提高了萨格奈克效应及其相移，从而更容易和准确地检测物体的转动速度。 本专利技术的技术方案为 一种再入式干涉型光纤陀螺仪，其特征在于包括宽带光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探测器、2×2保偏耦合器、相位调制器、两保偏/旋转合/分束器、保偏光纤环； 所述宽带光源的输出端和所述探测器的接收端分别与所述2×2耦合器同一侧的两端口光纤连接； 所述2×2耦合器的另一侧一端口与所述偏振起偏器光纤连接，且所述偏振起偏器与所述2×2保偏耦合器一侧的一端口光纤对轴连接； 所述2×2保偏耦合器另一侧的一端口与一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接，且所述2×2保偏耦合器该侧的另一端口经所述相位调制器与另一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接； 两所述保偏/旋转合/分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口光纤对轴连接； 所述保偏光纤环中连接有一段保偏光纤，该段保偏光纤两端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴分别具有设定的偏角； 两所述保偏/旋转合/分束器的另一分束端口之间光纤对轴连接。 进一步的，所述保偏光纤环的正中位置连接有该段保偏光纤。 进一步的，该段保偏光纤的一端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴以偏角α熔接，该段保偏光纤的另一端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴以偏角β熔接。 进一步的，所述偏角β＝-α。 进一步的，所述偏角0°＜α≤10°。 进一步的，所述偏角α＝5°。 进一步的，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。 图2为本专利技术提出的基于偏振转换的再入式干涉型保偏光纤陀螺仪方案。光源采用ASE宽带光源。发出的信号光经过耦合器后，由起偏器起偏到保偏光纤的快轴或慢轴上。耦合器2为3db保偏耦合器，光纤环为保偏光纤环。假设信号光被起偏于快轴上，从而经过保偏耦合器2后分别沿顺时针和逆时针方向传播。在耦合器2某一分光路上加上铌酸锂相位调制器，实现相位调制。快轴上的光经过2×1保偏/旋转合束器后，被转换到慢轴上，进入光纤线圈。保偏/旋转合/分束器示意图如图3所示。线圈正中位置接入一段保偏光纤，其两端与保偏光纤环的正交快慢轴以偏角α熔接，如图4所示，所接入的保偏光纤慢轴上的光被分解到所熔接的保偏光纤的两个轴上进行传播，在经过另一端的熔接处，再次经过二次分解。总的来说，实现了光在两个轴上的分解，在原来慢轴上的光强占比为cos2α，快轴上光强占比为sin2α。继续传播到另一端的偏振保偏/旋转分束器后，在慢轴的cos2α占比的光被分到环光路中继续传播，通过入端的偏振保偏/旋转合束器进入光纤环路中，进行如上所述的多圈重复传输；而快轴的占比为sin2α的光经过偏振保偏/旋转分束器后被分到另一支路上，再经过耦合器2出来进行干涉。此时，偏振保偏/旋转分束器实现的是偏振分束的功能。顺时针和逆时针方向都是按照上述路径传播，且容易看出，能够保证整个光路的互易性。 由于采用宽带光源，如对50nm带宽、中心波长为1550nm的信号光，其干涉长度约为48μm，相比于光纤环长来说很短，所以只有经过相同圈数的光才能够干涉。下面来计算有效环长。传统的单圈传输结构的有效环长对应的萨格奈克相移如公式(1)所示。在环中绕n圈出来的信号光的能量占刚从耦合器2进入线圈时信号光能量的比例为 由于所转圈数越大，相应的信号光能量越小，设第N圈之后的信号光传输作用可以忽略，每一圈的等效萨格奈克相移为相应的圈数n和光能量比例的乘积，设对轴偏角α＝5°，如图5所示。 总体的有效萨格奈克相移为 有效的萨格奈克相移与圈数N的关系如图6所示，当N很大时，可以看出 有效萨格奈克相移提高了1/sin2α倍，如偏角α＝5°时增大了132倍，因此可以极大地提高灵敏度。实际中考虑到接入损耗，在每一圈传播中引起功率的损耗，灵敏度会有一定的降低。 下面讨论采用一种正弦波相位调制波形的信号调制方法。如图2所示，在耦合器2后的一分支光路上加上铌酸锂相位调制器。可精确测量环路此时的渡越时间τ。 采用正弦波方式调制，t时刻调制相位为φ(t)＝φmcosωt。那么转n圈出来干涉的两束光由正弦波调制引起的相位差为 其中， t时刻耦合器2出来的干涉的信号包含重复了n＝1，2，3，…圈后出来的光信号，考虑干涉信号光的交流项，对第n圈，其干涉功率为 P(n，t)＝P0sin2αcos2(n-1)αcos(Δφ(t，n)+nφs) ＝P0sin2αcos2(n-1)αcos(2Ansin(ωt+θn)+nφs) (6) 由于只有经过相同圈数的顺时针和逆时针信号光才能进行干涉，则总功率为 用滤波器滤波，得到干涉信号的一次、二次和四次谐波分别为 一次谐波 二次谐波 四次谐波 由于 精确测量确定τ，通过选定调制频率ω＝π/τ，使得Ji(An)＝Ji(An+2)，i＝1，2，4；当n为奇数时，有 ，当n为偶数时，有Ji(An)＝0。 这样，通过二次谐波和四次谐波之比，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种再入式干涉型光纤陀螺仪，其特征在于包括宽带光源、２×２耦合器、偏振起偏器、探测器、２×２保偏耦合器、相位调制器、两保偏／旋转合／分束器、保偏光纤环；所述宽带光源的输出端和所述探测器的接收端分别与所述２×２耦合器同一侧的两端口光纤连接；所述２×２耦合器的另一侧一端口与所述偏振起偏器光纤连接，且所述偏振起偏器与所述２×２保偏耦合器一侧的一端口光纤对轴连接；所述２×２保偏耦合器另一侧的一端口与一所述保偏／旋转合／分束器的一分束端口光纤对轴连接，且所述２×２保偏耦合器该侧的另一端口经所述相位调制器与另一所述保偏／旋转合／分束器的一分束端口光纤对轴连接；两所述保偏／旋转合／分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口光纤对轴连接；所述保偏光纤环中连接有一段保偏光纤，该段保偏光纤两端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴分别具有设定的偏角；两所述保偏／旋转合／分束器的另一分束端口之间光纤对轴连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉杰，李正斌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]