一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺及其自注入锁定方法

本发明属于光学陀螺领域；具体涉及一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺及其自注入锁定方法。

背景技术：

1、谐振式光学陀螺是一种基于sagnac效应实现角速度检测的惯性传感器，其利用高相干光在谐振腔内多次循环传播来增强旋转引起的非互易频率差，广泛应用于惯性导航、姿态控制和精密测量等领域。窄线宽单纵模激光器是该类陀螺的核心光源，其频率稳定性和相位噪声水平直接影响陀螺的检测精度。传统谐振式光学陀螺多采用主动电子稳频方法实现激光锁定，但该方法通常需要电光调制器件和复杂伺服控制电路，导致系统体积大、成本高，不利于小型化和集成化。

2、自注入锁定技术通过全光反馈环路将半导体激光器输出光反馈至激光器内部，使激光频率被动锁定于外部谐振腔的谐振模式，可在无需复杂电子反馈的情况下压窄dfb激光器线宽并提高频率稳定性。然而，激光器自注入锁定至光纤环形谐振腔时，为获得较好的线宽压窄效果通常需要较长谐振腔，而腔长增加会使自由光谱范围减小，导致谐振纵模密集，激光器容易在相邻模式间发生模式跳变。

3、对于自注入锁定谐振式光纤陀螺，两个激光器需分别锁定于顺时针和逆时针传输模式，并通过拍频信号提取sagnac频移。若两个激光器发生模式跳变，将产生与真实旋转无关的虚假拍频变化，甚至导致拍频信号中断。同时，双腔结构设计不合理还可能使sagnac频移相互抵消，降低旋转灵敏度。因此，亟需一种能够抑制模式跳变、避免sagnac频移抵消并保持稳定拍频输出的自注入锁定谐振式光纤陀螺结构。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺及其自注入锁定方法，能够在无需复杂电学反馈控制的条件下，实现工作光源的自注入锁定、模式跳变抑制、共模频率噪声抑制以及旋转角速度的稳定检测。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺，所述光纤陀螺包括工作光源ⅰdfb1、工作光源ⅱdfb2、环形器ⅰcir1、环形器ⅱcir2、隔离器ⅰiso1、隔离器ⅱiso2、分束耦合器ⅰc1、分束耦合器ⅱc2、模式选择折叠双腔、1×3分束耦合器ⅰc6、1×3分束耦合器ⅱc7、光电探测器ⅰpd1、光电探测器ⅱpd2、光电探测器ⅲpd3、合束耦合器c8、线宽测量仪、示波器和频率计数器；

4、所述工作光源ⅰdfb1与环形器ⅰcir1相连接，所述环形器ⅰcir1与隔离器ⅰiso1相连接，所述隔离器ⅰiso1与分束耦合器ⅰc1相连接，所述分束耦合器ⅰc1与模式选择折叠双腔的第一端相连接，所述模式选择折叠双腔的第二端与1×3分束耦合器ⅰc6相连接，所述1×3分束耦合器ⅰc6分别与合束耦合器c8和光电探测器ⅰpd1相连接；

5、所述工作光源ⅱdfb2与环形器ⅱcir2相连接，所述环形器ⅱcir2与隔离器ⅱiso2相连接，所述隔离器ⅱiso2与分束耦合器ⅱc2相连接，所述分束耦合器ⅱc2与模式选择折叠双腔的第三端相连接，所述模式选择折叠双腔的第四端与1×3分束耦合器ⅱc7相连接，所述1×3分束耦合器ⅱc7分别与合束耦合器c8和光电探测器ⅱpd2相连接；

6、所述分束耦合器ⅰc1和分束耦合器ⅱc2还与线宽测量仪相连接，所述合束耦合器c8通过光电探测器ⅲpd3与频率计数器相连接，所述光电探测器ⅰpd1和光电探测器ⅱpd2均与示波器相连接。

7、进一步的，所述模式选择折叠双腔包括环形谐振腔ⅰfrr1、环形谐振腔ⅱfrr2、光纤环形谐振腔构成耦合器ⅲc3、光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4、光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5；

8、所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅲc3的1号端口和2号端口分别作为折叠双腔的第一输入端口和第二输入端口，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅲc3的3号端口与光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4的1号端口相连接，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅲc3的4号端口与光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4的2号端口相连接，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4的3号端口与光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5的1号端口相连接，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4的4号端口与光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5的2号端口相连接，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5的3号端口和光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5的4号端口分别作为折叠双腔的第一输出端口和第二输出端口；所述折叠双腔的第一输出端口与1×3分束耦合器ⅰc6的输入端口相连接，所述折叠双腔的第二输出端口与1×3分束耦合器ⅱc7的输入端口相连接。

9、一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺的自注入锁定方法，所述自注入锁定方法使用如上述一种基于模式选择折叠双腔结构抑制模式跳变的自注入锁定谐振式光纤陀螺，所述自注入锁定方法包括以下步骤：

10、步骤1：将工作光源ⅰdfb1、工作光源ⅱdfb2输出的激光经环形器及隔离器导入分束耦合器ⅰc1和分束耦合器ⅱc2；各分束耦合器分出的一路光信号输入线宽分析仪，以实时表征对应光源的相位噪声及光谱线宽，另一路光信号输入模式选择折叠双腔；

11、步骤2：利用模式选择折叠双腔内的光纤环形谐振腔ⅰfrr1进行粗模式选择，并利用环形谐振腔ⅱfrr2进行细模式鉴别，通过级联滤波增大相邻主模式间隔，扩展等效自由光谱范围，抑制模式竞争，为双光源提供稳定的频率参考基准；

12、步骤3：模式选择折叠双腔对输入光波进行谐振选模，输出顺时针与逆时针的第一、第二谐振光波；经由1×3分束耦合器ⅰc6和1×3分束耦合器ⅱc7分束后，利用各自1支路的全光反馈回路，将光波分别反馈至工作光源ⅰdfb1与工作光源ⅱdfb2，迫使双光源的频率分别锁定于腔体的顺时针与逆时针谐振模式；

13、步骤4：提取1×3分束耦合器ⅰc6和1×3分束耦合器ⅱc7分束后的2支路的光信号，经光电探测器ⅰpd1、光电探测器ⅱpd2转换为电信号后输入示波器，实时监测并验证工作光源ⅰdfb1与工作光源ⅱdfb2的自注入锁定状态及稳定性；

14、步骤5：提取1×3分束耦合器ⅰc6和1×3分束耦合器ⅱc7分束后的3支路的光信号进行合束拍频，利用光电探测器ⅲpd3将拍频光信号转换为电信号；基于双光源锁定于同一物理腔体产生的共模噪声抑制特性，根据顺/逆时针光波的非互易频率差解算旋转角速度，实现低噪声光学传感。

15、进一步的，所述步骤1具体为，

16、步骤1.1：工作光源ⅰdfb1输出的激光经过环形器ⅰcir1和隔离器ⅰiso1后进入分束耦合器ⅰc1，工作光源ⅱdfb2输出的激光经过环形器ⅱcir2和隔离器ⅱiso2后进入分束耦合器ⅱc2；其中，环形器ⅰcir1和环形器ⅱcir2中的光均由1号端口传输至2号端口，并由2号端口传输至3号端口；

17、步骤1.2：进入分束耦合器ⅰc1的激光被分为两路，其中一路进入线宽分析仪，用于表征工作光源ⅰdfb1的相位噪声和光谱线宽，另一路进入模式选择折叠双腔；进入分束耦合器ⅱc2的激光被分为两路，其中一路进入线宽分析仪，用于表征工作光源ⅱdfb2的相位噪声和光谱线宽，另一路进入模式选择折叠双腔。

18、进一步的，所述步骤2具体为，

19、步骤2.1：工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2输入至模式选择折叠双腔中的光波分别沿相反方向传播，并分别与模式选择折叠双腔中的顺时针传输模式和逆时针传输模式相互作用；所述模式选择折叠双腔中的光纤环形谐振腔ⅰfrr1用于进行粗模式选择，光纤环形谐振腔ⅱfrr2用于进行细模式鉴别，使模式选择折叠双腔的相邻主模式间隔被增大，从而扩展等效自由光谱范围并抑制模式竞争；

20、步骤2.2：在自注入锁定过程中，所述模式选择折叠双腔通过粗模式选择和细模式鉴别扩展等效自由光谱范围，使工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2的锁定频率保持在对应主模式上，从而抑制模式跳变并保持连续稳定的拍频输出。

21、进一步的，所述步骤3具体为，

22、步骤3.1：模式选择折叠双腔对输入光波进行谐振选模后分别输出第一谐振光波和第二谐振光波，所述第一谐振光波进入1×3分束耦合器ⅰc6，所述第二谐振光波进入1×3分束耦合器ⅱc7；

23、步骤3.2：1×3分束耦合器ⅰc6将第一谐振光波分为1支路、2支路和3支路，1×3分束耦合器ⅱc7将第二谐振光波分为1支路、2支路和3支路；1×3分束耦合器ⅰc6的1支路作为全光反馈支路，将第一谐振光波反馈至工作光源ⅰdfb1，使工作光源ⅰdfb1的输出频率锁定至模式选择折叠双腔的顺时针传输谐振模式；1×3分束耦合器ⅱc7的1支路作为全光反馈支路，将第二谐振光波反馈至工作光源ⅱdfb2，使工作光源ⅱdfb2的输出频率锁定至模式选择折叠双腔的逆时针传输谐振模式，从而实现工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2的自注入锁定。

24、进一步的，所述步骤4具体为，1×3分束耦合器ⅰc6的2支路与光电探测器ⅰpd1相连接，光电探测器ⅰpd1与示波器相连接，用于检测工作光源ⅰdfb1的自注入锁定状态；c7的2支路与光电探测器ⅱpd2相连接，光电探测器ⅱpd2与示波器相连接，用于检测工作光源ⅱdfb2的自注入锁定状态。

25、进一步的，所述步骤5具体为，

26、步骤5.1：1×3分束耦合器ⅰc6的3支路和1×3分束耦合器ⅱc7的3支路分别作为拍频检测支路，并经合束耦合器c8合束后输入光电探测器ⅲpd3，使顺时针传输光波与逆时针传输光波发生叠加干涉，形成拍频信号；

27、步骤5.2：光电探测器ⅲpd3将所述拍频信号转换为电信号后输入频率计，频率计记录所述拍频信号的频率变化；由于工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2均锁定于同一模式选择折叠双腔，所述拍频信号用于实现共模频率噪声抑制，并根据顺时针传输光波与逆时针传输光波之间的非互易频率差获得旋转角速度。

28、进一步的，所述模式选择双腔通过光纤环形谐振腔ⅰfrr1与光纤环形谐振腔环形谐振腔ⅱfrr2的腔长匹配实现模式选择，进而扩展等效自由光谱范围并抑制主模式与次模式之间的模式跳变；

29、定义环形谐振腔ⅰfrr1的腔长为

l1，环形谐振腔ⅱfrr2的腔长为

l2，环形谐振腔ⅰfrr1与环形谐振腔ⅱfrr2采用非对称腔长设计，且二者腔长满足如下匹配关系：

30、(1)

31、其中，

m1和

m2为互质整数；

32、所述环形谐振腔ⅰfrr1的自由光谱范围为

fsr1，环形谐振腔ⅱfrr2的自由光谱范围为

fsr2，所述模式选择折叠双腔的等效自由光谱范围

fsr满足如下关系：

33、(2)

34、其中，

fsr1=c/(

neff*

l1)，

fsr2=c/(

neff*

l2)，

neff为光纤有效折射率，c为真空光速；

35、当环形谐振腔ⅰfrr1的谐振模式与环形谐振腔ⅱfrr2的谐振模式在特定模式阶数处同时满足谐振条件时，所述模式选择双腔形成共同谐振模式，所述共同谐振模式被定义为主模式；当环形谐振腔ⅰfrr1的谐振模式与环形谐振腔ⅱfrr2的谐振模式仅部分重叠或不重叠时，所对应的模式被定义为次模式，所述次模式包括部分重叠模式和非重叠模式；

36、所述环形谐振腔ⅰfrr1用于对输入光波进行粗模式选择，以提供初步滤波；所述环形谐振腔ⅱfrr2用于对经粗模式选择后的光波进行细模式鉴别，以进一步筛选满足双腔共同谐振条件的模式；通过环形谐振腔ⅰfrr1的粗模式选择和环形谐振腔ⅱfrr2的细模式鉴别，所述主模式的输出光强被增强，所述次模式的输出光强被衰减，使自注入锁定过程中工作光源优先锁定于主模式；

37、所述部分重叠模式在自注入锁定过程中不能形成稳定锁定或仅产生弱频率牵引作用，所述非重叠模式仅产生弱单边锁定作用，因此所述主模式相对于次模式具有锁定竞争优势；通过上述腔长匹配关系和粗细两级模式选择机制，所述模式选择折叠双腔将原本密集分布的谐振模式筛选为间隔为等效自由光谱范围fsr的主模式序列，从而降低工作光源由主模式跳变至次模式的概率，抑制主模式与次模式之间的模式跳变。

38、进一步的，所述模式选择双腔为折叠双腔，用于保证sagnac效应产生的频移不发生抵消，从而实现旋转角速度的正常检测；

39、所述模式选择折叠双腔包括第一光纤环形谐振腔ⅰfrr1和第二光纤环形谐振腔环形谐振腔ⅱfrr2，所述环形谐振腔ⅰfrr1由光纤环形谐振腔构成耦合器ⅲc3和光纤环形谐振腔构成耦合器光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4构成，所述环形谐振腔ⅱfrr2由光纤环形谐振腔构成耦合器光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4和光纤环形谐振腔构成耦合器光纤环形谐振腔构成耦合器ⅴc5构成，所述光纤环形谐振腔构成耦合器ⅳc4为环形谐振腔ⅰfrr1和环形谐振腔ⅱfrr2共用的中心耦合器；

40、所述环形谐振腔ⅰfrr1和环形谐振腔ⅱfrr2采用折叠式连接结构，使输入至环形谐振腔ⅰfrr1和环形谐振腔ⅱfrr2的光信号在两个谐振腔内沿同向传播；当所述自注入锁定谐振式光纤陀螺发生旋转时，所述环形谐振腔ⅰfrr1和环形谐振腔ⅱfrr2中产生的sagnac频移具有相同符号，使两个谐振腔中的旋转诱导频率偏移相互叠加，而非相互抵消；

41、工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2分别自注入锁定于模式选择折叠双腔的顺时针传输模式和逆时针传输模式，当外界旋转角速度作用于模式选择折叠双腔时，顺时针传输模式与逆时针传输模式之间产生非互易频率分裂；

42、所述非互易频率分裂形成拍频信号δ

f，所述拍频信号δ

f与旋转角速度ω满足如下关系：

43、(3)

44、其中，

d为环形谐振腔ⅰfrr1和环形谐振腔ⅱfrr2的近似相同直径，

neff为光纤有效折射率，

λ为工作光源ⅰdfb1和工作光源ⅱdfb2的中心波长；

45、所述拍频信号δ

f由1×3分束耦合器ⅰc6的3支路和1×3分束耦合器ⅱc7的3支路经合束耦合器c8合束后输入光电探测器ⅲpd3检测，并由频率计记录，以根据所述拍频信号δ

f获得旋转角速度ω。

46、本发明的有益效果是：

47、本发明采用工作光源dfb1和工作光源dfb2作为光源，并通过模式选择折叠双腔构成全光反馈环路，使两个工作光源分别实现自注入锁定，无需复杂电学稳频系统，能够降低系统体积和控制复杂度，有利于自注入锁定谐振式光纤陀螺的小型化和集成化；本发明通过光纤环形谐振腔frr1与光纤环形谐振腔frr2的非对称腔长匹配，使模式选择折叠双腔的等效自由光谱范围得到扩展，并利用frr1的粗模式选择和frr2的细模式鉴别增强主模式、衰减次模式，从而抑制工作光源由主模式向次模式跳变；本发明采用折叠双腔结构，使frr1和frr2中由旋转产生的sagnac频移具有相同符号，避免双腔中旋转诱导频率偏移相互抵消，从而保证顺时针传输模式和逆时针传输模式之间形成可检测的拍频信号，实现旋转角速度的正常测量；本发明通过一分三耦合器c6和c7分别形成全光反馈支路、锁定状态检测支路和拍频检测支路，既能够实现自注入锁定状态的实时监测，又能够通过拍频信号实现共模频率噪声抑制，提高角速度检测稳定性；本发明还通过调节耦合器c3的耦合参数抑制主模式劈裂，降低劈裂峰值之间的模式跳变概率。可见，本发明在抑制模式跳变、避免sagnac频移抵消、降低频率噪声和保持连续稳定拍频输出的同时，提高了自注入锁定谐振式光纤陀螺的长期稳定性和实用化能力。