CN102003959B - 一种环形光学微腔式光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形光学微腔式光纤陀螺仪。由激光器、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、熔锥光纤、环形光学微腔、拍频检测光路、光电探测器、数据处理电路构成；激光器的输出臂与隔离器输入臂相连；隔离器输出臂与第一耦合器的一个输入臂相连；第一耦合器的两个输出臂分别与第二耦合器和第三耦合器的一个输入臂相连；第二耦合器与第三耦合器的一个输出臂与环形光学微腔耦合；第二耦合器与第三耦合器的输入侧的另外一臂与拍频检测光路输入端相连；拍频检测光路的输出端与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出端与数据处理电路输入端相连。本发明的光纤陀螺仪实现光纤陀螺在晶片上的集成，大大减小了光纤陀螺的体积。

Description

一种环形光学微腔式光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺仪，尤其涉及一种环形光学微腔式光学陀螺仪。

背景技术

基于Sagnac效应的光学陀螺，具有动态范围大、耐冲击振动等抗环境干扰力强、精度覆盖面全、体积小、重量轻、功耗低、结构和加工工艺简单、成本低等特点，成为捷联惯性系统的理想器件，并广泛应用于军事和民用等领域。但在某些特殊引用领域，如微小型卫星的姿态控制、航空炸弹和火箭炮的导航控制等，陀螺的体积和重量受到严重限制，迫切需要应用微小型光纤陀螺测量载体的加速度，因此，光纤陀螺的小型化成为光纤陀螺技术发展的一个重要方向，进行光纤陀螺的小型化技术研究具有重要意义。

传统的光纤陀螺由于采用敏感环作为其传感元件，并且敏感环、光源、探测器及电路等各部分基本分离，整体集成度低，从而导致光纤陀螺仪的体积和重量都比较大；但是目前的很多惯导系统对光纤陀螺的体积和重量有着严格的限制，使得传统的光学陀螺仪无法满足这些应用。

光学微腔技术的发展给光纤陀螺的小型化带来的新希望。采用可制作于硅晶片上的光学微腔，省去了传统光纤陀螺中体积巨大的光纤敏感环部分，大大减小了光纤陀螺的体积；同时由于其制作于硅晶片上，这就为实现硅晶片上整个系统的集成提供了很大的可能性；还有光学微腔有极高的品质因数Q值，这就在理论上保证了光学微腔式光纤陀螺的测量精度。

发明内容

针对传统光纤陀螺仪敏感环体积和重量大、集成度低等缺点，本发明的目的在于提供了一种环形光学微腔式光纤陀螺仪，环形光学微腔是它的敏感元件，同时由于环形光学微腔制作于晶片上，这就大大减小了光纤陀螺仪的体积和重量，同时提高了光纤陀螺的集成度。

本发明采用的技术方案是：

本发包括光学部分，与光学部分依次相连接的拍频检测光路、光电检测器和数据处理电路。光学部分包括激光器、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、熔锥光纤、环形光学微腔、拍频检测光路、光电探测器和数据处理电路；激光器的输出端与隔离器的输入臂相连，隔离器的输出臂与第一耦合器的一个输入臂相连，第一耦合器的两个输出臂分别与第二耦合器和第三耦合器的一个输入臂相连，第二耦合器和第三耦合器的一个输出臂分别与熔锥光纤相连，两根熔锥光纤的熔锥段与环形光学微腔相耦合；第二耦合器和第三耦合器输入侧的另一臂与拍频检测光路的输入端相连；拍频检测光路的输出端与光电检测器的输入端相连；光电检测器的输出端与数据处理电路的输入端相连；数据处理电路输出测量信号。

所述的第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器的分束比都是50∶50。

所述的两熔锥光纤与环形光学微腔的结构为上下对称耦合结构。

激光器输出的激光经过隔离器进第一耦合器，第一耦合器将输入激光分成两束，由其两输出臂分别进入第二耦合器与第三耦合器，第二耦合器与第三耦合器是对称配置的，两个耦合器的一个输出臂与熔锥光纤相连，它们另外的一个输出臂闲置，在熔锥光纤的熔锥段光纤与环形光学微腔发生耦合，光纤中能在环形光学微腔中谐振的光耦合进入环形光学微腔，未耦合进环形光学微腔的光在光纤中继续传播直至损耗，由于耦合作用是相互的，耦合进环形光学微腔的光有一部分耦合回光纤中，其传播方向与最初在光纤中传输的光的传播方向相反，这部分光分别返回第二与第三耦合器中，并耦合进入两耦合器输入侧的另一臂，之后沿着光纤进入拍频检测光路，并在光路中发生作用，由于两部分光在环形光学微腔中的传输方向不同，在环形光学微腔有垂直于环形光学微腔环面的角速度时，两部分光相对于原激光都有频移，一个频率增大，一个频率减小，于是在拍频检测光路中便可检测到拍频现象，接下来的光电探测器和数据处理电路得到频移大小，并根据频移大小得到角速度的大小。

本发明具有的有益效果是：

本发明是传统光纤陀螺和激光陀螺的进一步小型化，是光学陀螺向微型化发展的方向。和传统光纤陀螺与激光陀螺相比，环形光学微腔式光纤陀螺仪用集成在晶片上的环形光学微腔取代传统光纤陀螺的光纤环河由分立元件组成的环形激光谐振腔，因而具有体积小，重量轻的特点。与传统的机械陀螺相比，环形光学微腔式光纤陀螺仪大大减小了活动部件，因而，环形光学微腔式光纤陀螺仪可以承受更大的冲击力，能够抗更大的振动，具有高可靠性。由于环形光学微腔式光纤陀螺仪采用逐渐成熟的微加工技术制作其环形光学微腔，因而，可以批量生产，利于降低生产成本。这种低成本、小型、抗振动的环形光学微腔式光纤陀螺仪无论在军用还是民用，都具有很大的应用价值。

附图说明

图1是环形光学微腔式光纤陀螺仪的系统示意图。

图2是图1环形光学微腔和熔锥光纤的右视图。

图3是图1环形光学微腔和熔锥光纤的俯视图。

图中：1、激光器；2、隔离器；3、第一耦合器；4、第二耦合器；5、第三耦合器；6、熔锥光纤；7、环形光学微腔；8、拍频检测光路；9、光电探测器；10、数据处理电路；11、光学微腔支柱；12、硅基底；13、熔锥光纤纤芯；14、熔锥光纤包层；4-1、第二耦合器信号光输出臂；5-1、第三耦合器信号光输出臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明是包括光学部分，与光学部分依次相连接的拍频检测光路8、光电检测器9和数据处理电路10。光学部分包括激光器1、隔离器2、第一耦合器3、第二耦合器4、第三耦合器5、熔锥光纤6、环形光学微腔7、拍频检测光路8、光电探测器9和数据处理电路10；激光器1的输出端与隔离器2的输入臂相连，隔离器2的输出臂与第一耦合器3的一个输入臂相连，第一耦合器3的两个输出臂分别与第二耦合器4和第三耦合器5的一个输入臂相连，第二耦合器4和第三耦合器5的一个输出臂分别与熔锥光纤6相连，两根熔锥光纤6的熔锥段与环形光学微腔7相耦合；环形光学微腔7通过微加工技术制作于硅晶片上，环形光学微腔7与光学微腔支柱11相连，光学微腔支柱11有支撑环形光学微腔7和减小环形光学微腔7中光损耗的作用，光学微腔支柱11与硅基底12相连，如图2所示。

第二耦合器4输入侧的另一臂经第二耦合器信号光输出臂4-1与拍频检测光路8的一个输入端相连，第三耦合器5输入侧的另一臂经第三耦合器信号光输出臂5-1与拍频检测光路8的另一个输入端相连；拍频检测光路8的输出端与光电检测器9的输入端相连；光电检测器9的输出端与数据处理电路10的输入端相连；数据处理电路10输出测量信号。

所述的第一耦合器3、第二耦合器4和第三耦合器5的分束比都是50∶50。这种情况下，激光器1中输入的经第一耦合器3和第二耦合器4进入与第二耦合器4输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤的光的强度和激光器1中输入的经第一耦合器3和第三耦合器5进入与第三耦合器5输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤的光的强度相等。

所述的两熔锥光纤6与环形光学微腔7的制作结构为上下对称耦合结构。在这种情况下，两熔锥光纤6与环形光学微腔7的耦合系数相同。与第二耦合器4输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤的光耦合进入环形光学微腔7，再经环形光学微腔7耦合进入与第三耦合器5输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤，这部分光束的强度为B；与第三耦合器5输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤的光耦合进入环形光学微腔7，再经环形光学微腔7耦合进入与第二耦合器4输出端的一个输出臂相连的熔锥光纤，这部分光束的强度为C；由于两熔锥光纤6与环形光学微腔7的耦合系数相同，B＝C。

激光器输出的激光经过隔离器进第一耦合器，这里隔离器的作用是防止逆向传播的光进入激光器对输出激光的稳定性造成影响。第一耦合器的分束比都是50∶50，将输入激光分成能量相等的两束，由其两输出臂分别进入第二耦合器与第三耦合器。第二耦合器与第三耦合器是对称配置的，两个耦合器的一个输出臂与熔锥光纤相连，它们另外的一个输出臂闲置。在熔锥光纤的熔锥段光纤与环形光学微腔发生耦合，光纤中能在微腔中谐振的光耦合进入环形光学微腔，未耦合进环形光学微腔的光在光纤中继续传播直至损耗。由于耦合作用是相互的，耦合进环形光学微腔的光还会耦合回光纤中，这部分光的传播方向与最初在光纤中传输的光的传播方向相反；还有从第二耦合器中耦合进环形光学微腔的光在环形光学微腔中顺时针传播，我们称这部分光为CW，CW中有一部分从第三耦合器的耦合臂耦合回光纤，继而进入第三耦合器的信号光输出臂，同时从第三耦合器中耦合器进环形光学微腔的光在环形光学微腔中逆时针传播，我们称这部分光为CCW，CCW中有一部分从第二耦合器的耦合臂耦合会光纤，继而进入第二耦合器的信号光输出臂。

我们定义Ω方向为垂直于环形光学微腔环面的方向，环形光学微腔转动角速度为零(Ω＝0)时，CW和CCW光振幅最大处的角频率ω₀是相等的。而在环形光学微腔转动角速度不为零(Ω≠0)时，对应于环形光学微腔转动角速度Ω，CW和CCW光振幅最大处的角频率ω_CW、ω_CCW相对于ω₀有偏移，且有

ω_CW＜ω₀＜ω_CCW，或ω_CCW＜ω₀＜ω_CW；

对于一定的环形光学微腔转动角速度Ω，有一个与其对应的CW光和CCW光振幅最大处的角频率差Δω＝ω_CW-ω_CCW，CW光和CCW光振幅最大处的角频率差Δω与环形光学微腔转动角速度Ω之间有线性关系，表示为：

Δω＝(4A/λL)Ω

式中Δω为CW光和CCW光振幅最大处的角频率差；

    A为环形光学微腔环的面积；

    λ为环形光学微腔内的光波长；

L为环形光学微腔的腔长；

Ω为环形光学微腔转动角速度。

通过测量Δω的大小，我们即可得到Ω的大小。

CW光和CCW光在振幅最大处的电场强度可分别由下式给出

E_CW＝acos(k_CWz-ω_CWt)和E_CCW＝a(k_CCWz-ω_CCWt)

式中E_CW为CW光在振幅最大处的电场强度；

    E_CCW为CCW光在振幅最大处的电场强度；

    a为电场强度的振幅；

    k_CW为CW光波数；

    k_CW为CCW光波数；

    ω_CW为CW光的角速度；

    ω_CCW为CCW光的角速度；

    t为时间。

在拍频检测光路中，两传播方向的光叠加：

$E=E_{\mathrm{CW}}+E_{\mathrm{CCW}}=2a\cos (k_{m}z-{\mathrm{\ω}}_{m}t)\cos (\stackrel{\‾}{\mathrm{kz}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t)=A\cos (\stackrel{\‾}{k}z-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t)$

式中 $\stackrel{\‾}{k}=(k_{\mathrm{CW}}+k_{\mathrm{CCW}})/2$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{CW}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{CCW}})/2$

k_m＝(k_CW-k_CCW)/2 ω_m＝(ω_CW-ω_CCW)/2

A＝2acos(K_mz-ω_mt)

因为角速度带来的频移与光频相比很小，有ω_CW≈ω_CCW，于是合成波强度为

I＝A²＝2a²[1+cos2(k_mz-ω_mt)]

通过检测合成波强度的变化即可得到Δω＝2ω_m。

接下来的光电探测器与数据处理电路可以实现Δω的检测，由Δω与Ω的对应关系，得到环形光学微腔转动角速度的大小。

如图2所示，两根熔锥光纤6的熔锥段与环形光学微腔7相耦合，两熔锥光纤6的轴线与环形光学微腔7的距离相等，两熔锥光纤6的轴线与环形光学微腔7环面上的大圆在同一水平面，环形光学微腔7通过微加工技术制作于硅晶片上，环形光学微腔7与光学微腔支柱11相连，光学微腔支柱11有支撑环形光学微腔7和减小环形光学微腔7中光损耗的作用，光学微腔支柱11与硅基底12相连。

如图3所示，两熔锥光纤6与环形光学微腔7的制作结构为上下对称耦合结构，两熔锥光纤6相互平行，两熔锥光纤6的轴线与环形光学微腔7的距离相等；两熔锥光纤6中黑色区域为熔锥光纤纤芯13，透明区域为熔锥光纤包层14，两熔锥光纤6中与环形光学微腔耦合的光纤直径和两熔锥光纤6中远离两熔锥光纤6与环形光学微腔耦合的光纤直径相比小，图示中大小比例并非实际大小比例。

Claims (3)

1.一种环形光学微腔式光纤陀螺仪，包括光学部分，与光学部分依次相连接的拍频检测光路(8)、光电检测器(9)和数据处理电路(10)，拍频检测光路(8)的输出端与光电检测器(9)的输入端相连，两根熔锥光纤(6)的熔锥段与环形光学微腔(7)相耦合；其特征在于：光学部分包括激光器(1)、隔离器(2)、第一耦合器(3)、第二耦合器(4)、第三耦合器(5)、熔锥光纤(6)、环形光学微腔(7)、拍频检测光路(8)、光电探测器(9)和数据处理电路(10)；激光器(1)的输出端与隔离器(2)的输入臂相连，隔离器(2)的输出臂与第一耦合器(3)的一个输入臂相连，第一耦合器(3)的两个输出臂分别与第二耦合器(4)和第三耦合器(5)的一个输入臂相连，第二耦合器(4)和第三耦合器(5)的一个输出臂分别与熔锥光纤(6)相连；环形光学微腔(7)通过微加工技术制作于硅晶片上，环形光学微腔(7)与光学微腔支柱(11)相连，光学微腔支柱(11)有支撑环形光学微腔(7)和减小环形光学微腔(7)中光损耗的作用，光学微腔支柱(11)与硅基底(12)相连；第二耦合器(4)和第三耦合器(5)输入侧的另一臂与拍频检测光路(8)的输入端相连；光电检测器(9)的输出端与数据处理电路(10)的输入端相连；数据处理电路(10)输出测量信号。

2.根据权利要求1所述的一种环形光学微腔式光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一耦合器(3)、第二耦合器(4)和第三耦合器(5)的分束比都是50∶50。

3.根据权利要求1所述的一种环形光学微腔式光纤陀螺仪，其特征在于：所述的两熔锥光纤(6)与环形光学微腔(7)的结构为上下对称耦合结构。 

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