一种空芯光子晶体光纤陀螺

1.一种空芯光子晶体光纤陀螺，包含有可调窄线宽激光器(4)，集成光学调制器(5)，第一探测器(6)，第二探测器(7)，第一保偏光纤耦合器(8)，第二保偏光纤耦合器(9)；其特征在于：还包含有一个具有透射/反射功能的光耦合模块(11)和一个由空芯光子晶体光纤绕制的空芯光纤谐振环(12)，空芯光纤谐振环(12)两端分别与光耦合模块(11)的输出端c和d相连；可调窄线宽激光器(4)发出的激光通过集成光学调制器(5)分成两等份；分别通过第一保偏光纤耦合器(8)和第二保偏光纤耦合器(9)后由光耦合模块(11)的输入端a和b进入光耦合模块(11)，再由光耦合模块(11)的输出端c和d输出并注入空芯光纤谐振环(12)中沿顺/逆时针方向传输；所述的光耦合模块(11)具有透射/反射功能，使得在光耦合模块(11)和空芯光纤谐振环(12)之间传输光形成顺/逆时针方向的谐振，同时有部分谐振光透过光耦合模块(11)，分别通过第一保偏光纤耦合器(8)和第二保偏光纤耦合器(9)返回到第一探测器(6)，第二探测器(7)，根据两个探测器上检测到的信号，可测量顺/逆时针方向谐振光的频率差，通过检测电路可得到载体的角速度，实现陀螺仪表的功能；
所述的光耦合模块(11)为一种微光学组件，由分别连接光耦合模块(11)的输入端a和b的第一输入普通光纤(14)和第二输入普通光纤(15)、分别连接光耦合模块(11)的输出端c和d的第一输出空芯光子晶体光纤(16)和第二输出空芯光子晶体光纤(17)、凸球面镜(18)和支撑结构(19)组成；支撑结构(19)支撑凸球面镜(18)和与之相连接的四根输入输出光纤；输入光分别经过第一输入普通光纤(14)和第二输入普通光纤(15)传输到凸球面镜(18)，经过凸球面镜(18)后分别汇聚并耦合进到第一输出空芯光子晶体光纤(16)和第二输出空芯光子晶体光纤(17)，然后进入空芯光纤谐振环(12)，由第一输出空芯光子晶体光纤(16)进入的光将由第二输出空芯光子晶体光纤(17)输出，经过凸球面镜(18)的凹面反射聚焦后再次进入第一输出空芯光子晶体光纤(16)端，形成顺时针的多次传输光，由第一输出空芯光子晶体光纤(16)进入的光形成顺时针的谐振，同理由第二输出空芯光子晶体光纤(17)进入的光也会形成逆时针的谐振。
2.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：凸球面镜(18)的一面为曲率半径较小的凸面、另一面为曲率半径较大的凹面；在凸球面镜(18)的凹面镀有反射率大于96％，透射率小于4％的薄膜(20)，实现光耦合模块(11)的透射/反射功能。
3.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：所述的第一输入普通光纤(14)和第二输入普通光纤(15)、第一输出空芯光子晶体光纤(16)和第二输出空芯光子晶体光纤(17)分别与凸球面镜(18)过主点的斜光轴重合，且分别关于凸球面镜(18)的主光轴对称。
4.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：所述的可调窄线宽激光器(4)为可调DFB半导体激光器，或者采用可调窄线宽光纤激光器，其线宽小于1MHz。
5.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：所述的集成光学调制器(5)实现分光和频率调制功能，采用干涉型光纤陀螺用的Y波导集成光学调制器，在其位相调制器(13)上的调制电极加上幅度为两倍的半波电压、频率可调的调制信号，以实现工作光波的频率的微调和跟踪。
6.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于：所述集成光学调制器(5)与第一保偏光纤耦合器(8)和第二保偏光纤耦合器(9)之间，以及第一保偏光纤耦合器(8)和第二保偏光纤耦合器(9)与光耦合模块(11)之间的连接光纤均采用保偏光纤。

一种空芯光子晶体光纤陀螺\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种光学陀螺仪表，特别涉及一种采用空芯光子晶体光纤的谐振型光纤陀螺仪表。\n背景技术\n[0002] 光纤陀螺是一种全固态、真正静音的陀螺，具有可靠性高、寿命长、动态范围宽、抗冲击、抗振动、体积小、重量轻、适合大批量生产等特点，且可达到很高精度。\n但面向工程应用，光纤陀螺还存在温度敏感、噪声大、磁敏感以及抗辐射能力差等问题。 通过优化的结构及热设计、更精细的光纤环的绕制、更完善的信号检测方案及有效的屏蔽技术，可以较好的解决这些问题，但这些技术和措施也使光纤陀螺更加复杂且不能取得好的效果。 在环境变化时，特别是存在温度梯度时，陀螺的性能指标一般要降低一个数量级。 为了保证高精度光纤陀螺在实际的环境中还能保持高精度，一些抑制和屏蔽措施被加入到光纤陀螺及其系统中，这些措施可以在一定程度上解决上述问题，但也带来了成本高、体积质量大、功耗高、启动时间长、可靠性低等问题。\n[0003] 谐振型光纤陀螺(RFOG)用多圈光纤形成光学谐振腔，集激光陀螺的多圈传输和光纤陀螺的多圈绕制特点于一身，可用较短(几十米)光纤制作高精度光纤陀螺，同等精度的情况下，其光纤长度可以缩短到干涉型光纤陀螺的1/10～1/100，尺寸可以比激光陀螺更小。 尽管有许多人进行了长期的研究，但一直没有取得突破，最好的试验室研究的精度为0.4°/h。 阻碍其向高精度和实用化方向发展的主要原因有：\n[0004] (1)由光纤中非线性效应引起的Kerr效应和潜在的布里渊散射；\n[0005] (2)由温度导致的应力变化引起的漂移；\n[0006] (3)随机偏振耦合引起的偏振非互易。\n[0007] 在激光陀螺中，光在真空的谐振腔中传输，因此上述问题并不重要，在干涉型光纤陀螺中，采用宽谱光源可有效抑制Kerr效应和偏振非互易误差。 但在谐振型光纤陀螺中，一直没有找到合适的方法解决这些问题，其主要原因是谐振腔由实心光纤实现，光纤的后向散射、Kerr效应、偏振耦合影响和温度系数都过大，而且在采用窄线宽激光光源时，这些问题更加严重。\n发明内容\n[0008] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种由空芯光子晶体光纤组成谐振环的谐振型光纤陀螺仪表装置；本发明提供的陀螺仪表可以解决目前光纤陀螺精度低，温度稳定性差、磁敏感和噪声大的问题，同时具备更好的抗辐射能力。\n[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空芯光子晶体光纤陀螺，包含有可调窄线宽激光器，集成光学调制器，第一探测器，第二探测器第一保偏光纤耦合器，第二保偏光纤耦合器；其特征在于：还包含一个具有透射/反射功能的光耦合模块和一个由空芯光子晶体光纤围城的空芯光纤谐振环，空芯光纤谐振环两端分别与光耦合模块的输出端c和d相连；可调窄线宽激光器发出的激光通过集成光学调制器分成两等份；分别通过第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器后由光耦合模块的输入端a和b进入光耦合模块，再由光耦合模块的输出端c和d输出并注入空芯光纤谐振环中沿顺/逆时针方向传输；光耦合模块具备部分透射/反射功能，在光耦合模块和空芯光纤谐振环之间传输光形成顺/逆时针方向的谐振，同时谐振光小部分透过光耦合模块，分别通过第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器返回到第一探测器，第二探测器，根据两个探测器上检测到的信号，可测量顺/逆时针方向谐振光的频率差，通过检测电路可得到载体的角速度，实现陀螺仪表的功能。\n[0010] 所述的光耦合模块为一种微光学组件，由分别连接光耦合模块的输入端a和b的第一输入普通光纤和第二输入普通光纤、分别连接光耦合模块的输出端c和d的第一输出空芯光子晶体光纤和第二输出空芯光子晶体光纤、凸球面镜和支撑结构组成；支撑结构支撑凸球面镜和与之相连接的四根输入输出光纤；输入光分别经过第一输入普通光纤和第二输入普通光纤传输到凸球面镜，经过凸球面镜后分别汇聚并耦合进到第一输出空芯光子晶体光纤和第二输出空芯光子晶体光纤，然后进入空芯光纤谐振环，由第一输出空芯光子晶体光纤进入的光将由第二输出空芯光子晶体光纤输出，经过凸球面镜的凹面反射聚焦后再次进入第一输出空芯光子晶体光纤端，形成顺时针的多次传输光，由第一输出空芯光子晶体光纤进入的光形成顺时针的谐振，同理由第二输出空芯光子晶体光纤进入的光也会形成逆时针的谐振。\n[0011] 所述光耦合模块中的凸球面镜的一面为曲率半径较小的凸面、另一面为曲率半径较大的凹面；在凸球面镜的凹面镀有反射率大于96％，透射率小于4％的薄膜，实现光耦合模块的透射/反射功能。\n[0012] 所述光耦合模块中的第一输入普通光纤和第二输入普通光纤、第一输出空芯光子晶体光纤和第二输出空芯光子晶体光纤分别与凸球面镜过主点的斜光轴重合，且分别关于凸球面镜的主光轴对称。\n[0013] 所述的可调窄线宽激光器为可调DFB半导体激光器，或者采用可调窄线宽光纤激光器，其线宽小于1MHz。\n[0014] 所述的集成光学调制器实现分光和频率调制功能，采用干涉型光纤陀螺用的Y波导集成光学调制器，在其位相调制器上的调制电极加上幅度为两倍的半波电压、频率可调的调制信号，以实现工作光波的频率的微调和跟踪。\n[0015] 所述集成光学调制器与第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器之间，以及第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器与光耦合模块之间的连接光纤均采用保偏光纤。\n[0016] 本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明通过在光耦合模块和由新型的空芯光子晶体光纤绕制的空芯光纤谐振环之间形成陀螺的谐振腔实现光的输入和输出，形成了与激光陀螺类似的全空间传输谐振腔，大大减小了瑞利散射、后向散射、光路中偏振耦合和热非互易引起的噪声和位相误差，能明显提高陀螺的精度；本发明的空芯光子晶体光纤陀螺具有体积小，实现方便，可靠性高的特点；且由于空芯光子晶体光纤对辐射不敏感，本发明提出的空芯光子晶体光纤陀螺还具有较高的抗辐射能力，适合空间应用。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明所采用的一种典型的空芯光子晶体光纤的断面图；\n[0018] 图2是本发明光子晶体光纤陀螺结构示意图；\n[0019] 图3是本发明光子晶体光纤陀螺中光耦合模块结构示意图；\n[0020] 图中：1为空心包层，2为空芯，3为涂敷层，4为调窄线宽激光器，5为集成光学调制器，6为第一探测器，7为第二探测器，8为第一保偏光纤耦合器，9.为第二保偏光纤耦合器，11为光耦合模块，12为空芯光纤谐振环，13为位相调制器，14为第一输入普通光纤，15为第二输入普通光纤，16为第一输出空芯光子晶体光纤，17为第二输出空芯光子晶体光纤，18为凸球面镜，19为支撑结构，20为薄膜。\n具体实施方式\n[0021] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。\n[0022] 本发明的空芯光子晶体光纤陀螺由可调窄线宽激光器4，集成光学调制器5，第一探测器6和第二探测器7，第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器9，光耦合模块11，空芯光纤谐振环12组成，其结构图如图2所示；所有器件均通过保偏光纤连接；\n从可调窄线宽激光器4发出的激光通过集成光学调制器5后分为两等份，分别通过第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器9由光耦合模块11的输入端a和b进入光耦合模块11。\n[0023] 本发明的空芯光子晶体光纤陀螺采用了光耦合模块11，它为一种微光学组件，由第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤15、第一输出空芯光子晶体光纤16和第二输出空芯光子晶体光纤17、凸球面镜18和支撑结构19组成，如图3所示；支撑结构19用于支撑凸球面镜18和与之相连接的四根输入输出光纤；凸球面镜18的一面为曲率半径较小的凸面、另一面为曲率半径较大的凹面；第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤\n15位于凸球面镜18的凸面端；第一输出空芯光子晶体光纤16和第二输出空芯光子晶体光纤17位于凹球面镜18的凹面端；四根光纤纵轴分别与凸球面镜18过主点的斜光轴重合，且第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤15、第一输出空芯光子晶体光纤16和第二输出空芯光子晶体光纤17分别关于凸球面镜18的主光轴对称；在凸球面镜18的凹面镀有反射率大于96％，透射率小于4％的薄膜20，第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤15分别与耦合模块11的输入端a和b相连；第一输出空芯光子晶体光纤16和第二输出空芯光子晶体光纤17分别与光耦合模块11的输出端c和d相连。\n[0024] 从第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器9输出的光，经过第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤15汇聚到凸球面镜18后分别耦合进到第一输出空芯光子晶体光纤16和第二输出空芯光子晶体光纤17，分别由光耦合模块11的输出端c和d输出进入空芯光纤谐振环12；在空芯光纤谐振环12中，光分别沿逆/顺时针方向传输，由第二输出空芯光子晶体光纤17进入的光将由第一输出空芯光子晶体光纤16端输出，经过凸球面镜18的凹面反射聚焦后再次进入第二输出空芯光子晶体光纤17端，形成逆时针的多次传输光，在满足谐振条件时，即光纤环长度为光波长的整数倍时，形成谐振；同样，由第一输出空芯光子晶体光纤16进入的光将由第二输出空芯光子晶体光纤17端输出，经过凸球面镜18的凹面反射聚焦后再次进入第一输出空芯光子晶体光纤16端，形成顺时针的多次传输光，由第一输出空芯光子晶体光纤16进入的光也会形成顺时针的谐振。凸球面镜18上镀的反射率大于96％，透射率小于4％的薄膜20一方面提供高的反射率，保证谐振腔的品质，另一方面还让部分谐振光透过并通过第一输入普通光纤14和第二输入普通光纤15输出，通过第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器9后分别进入第一探测器6和第二探测器7，以实现频差的测量。\n[0025] 光耦合模块11使两部分光沿相反方向注入空芯光纤谐振环12，在环中沿顺/逆时针传输；在光路静止的情况下，调节可调窄线宽激光器4的输出波长，可使在空芯光纤谐振环12中沿相反方向传输的两束光谐振，而且它们的谐振频率相同。当空芯光纤谐振环12沿其轴存在旋转时，顺/逆时针方向的光谐振特性将会发生改变，与旋转方向相同的传输光的谐振频率将变大，反之变小，其频率差可由下式表示：\n[0026] \n[0027] 其中：N为光纤圈数，D为光纤环直径，n为光纤折射率，在空心光子晶体光纤陀螺中，其值为1，λ为工作激光波长，Ω为旋转角速率。 光耦合模块11具备部分透射/反射功能，薄膜20反射率高，保证空芯光纤谐振环12内传输光形成有效的谐振，同时能将谐振光小部分透过，返回到第一探测器6和第二探测器7上，根据探测器上检测到的信号，可测量顺/逆时针方向谐振光的频率差，通过上式便可得到载体的角速度，实现陀螺仪表的功能。\n[0028] 本发明的空芯光子晶体光纤陀螺的空芯光纤谐振环12采用空芯光子晶体光纤绕制而成；图1为空心结构的光子晶体光纤的一种典型结构的断面图，包含光纤由空芯1，空心包层2和涂敷层3三个部分。这种光纤的包层和芯都是空心的，基于光子带隙传输机理，输入光将只能在空芯中传输，可认为光在类似真空的空芯中传输。 与传统的实心光纤相比，这种光纤具有很低的瑞利散射、后向散射和偏振耦合，由于是一种空芯结构，光纤中基本没有热应力，因而由热应力引起的非互易相位很低，这对于提高陀螺的精度非常重要。 另外，这种光纤全部由石英晶体制成，因而具备很好的抗辐射能力。\n[0029] 在本发明中，可调窄线宽激光器4首选为可调DFB半导体激光器，也可采用可调窄线宽光纤激光器，其线宽小于1MHz。 在陀螺工作时，通过微调激光器工作波长实现谐振环中光的谐振并在角速度测量过程中跟踪谐振频率的变化。\n[0030] 在本发明中，集成光学调制器5实现分光和频率调制功能，采用干涉型光纤陀螺用的Y波导集成光学调制器，在其位相调制器13上的调制电极上加上幅度为两倍的半波电压、频率可调的调制信号，以实现工作光波的频率的微调和跟踪。\n[0031] 在本发明中，由于集成光学调制器5为单偏振波导，因此第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器9以及相位调制器与第一保偏光纤耦合器8和第二保偏光纤耦合器\n9与光耦合模块11之间的连接光纤均采用保偏光纤。