一种双偏振干涉式光纤陀螺的制作方法

1.本公开涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种双偏振干涉式光纤陀螺。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，干涉式光纤陀螺作为光纤陀螺技术中最成熟的代表，在导航制导、姿态控制等应用场景中都有着极其广泛的应用。
3.光纤陀螺的原理基于萨格纳克效应(sagnac effect)。具体说，在转动的闭合光路中，由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针方向和逆时针方向传输时发生干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向和逆时针方向传输的两束光产生了与旋转角速度成正比的相位差这个相位差被称作sagnac相移。由于干涉式光纤陀螺中sagnac相移非常微弱，极易淹没在沿光纤累积的相位噪声中，需要采取适当的方法提升信噪比。
4.干涉式光纤陀螺的主要性能指标包括零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围和带宽这5个方面。其中，零偏稳定性通常定义为在一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差1σ，由光纤陀螺静态仪输出中的漂移和噪声共同决定；随机游走系数是表征光纤陀螺中白噪声大小的一项重要特征参数，其物理意义为在光纤陀螺中仅有白噪声的情况下，尽管不同带宽要求下测得的陀螺仪输出的1σ不同，但其随机游走系数不变：
[0005][0006]
其中，rwc代表随机游走系数，其单位为σ
ω
(t)为检测时间t内的标准偏差，b
e
＝1/t为检测带宽。在一定范围内，光纤陀螺的信噪比越高，随机游走系数越小。
[0007]
互易性条件是光纤陀螺抑制噪声的重要方法之一，其目的是让两束相向传播的光以同样的传播模式在同样的光路中传播，并以同样的偏振状态进行干涉，使它们之间的非互易相位差只包含sagnac相移。这就是光纤陀螺工作条件中要求的互易性条件：单模互易性、耦合器互易性和偏振互易性。单模互易性要求采用单模光纤来减少光纤传播模式间的交叉耦合及其寄生干涉。耦合器互易性通过采用两个耦合器，保证两束光都经历一次环耦合器的直通臂和交叉臂，干涉时携带同样的耦合器相移。偏振互易性的实现是通过采用起偏器件的方式使得光在入环、传播和出光干涉时都处于同样的偏振模式，以抑制偏振非互易误差。满足这些条件的结构可以输出真实而稳定的旋转运动信息。这样的结构称为光纤陀螺的“最小互易结构”。目前，干涉式光纤陀螺通常采用最小互易结构，这种结构只利用了光纤的一个偏振模式，非互易端口不可用，起偏器造成较大的光路损耗，很难满足高精度光纤陀螺的应用需求。


技术实现要素：

[0008]
本公开的目的是提供一种双偏振干涉式光纤陀螺，以至少解决现有干涉式光纤陀
螺的上述缺陷之一。
[0009]
本公开实施例提供一种双偏振干涉式光纤陀螺，包括：
[0010]
光源、第一消偏器、耦合器、光电探测器、相位调制单元和光纤环；所述耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第二端口为非互易端口；
[0011]
所述光源与所述第一消偏器的输入端连接；
[0012]
所述耦合器的第一端口与所述第一消偏器的输出端连接；
[0013]
所述耦合器的第二端口与所述光电探测器连接；
[0014]
所述耦合器的第三端口通过所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；
[0015]
所述耦合器的第四端口与所述光纤环的另一端连接；
[0016]
所述光源输出任意偏振模式的偏振光至所述第一消偏器；所述第一消偏器对所述光源发出偏振光进行功率均衡和消相干，得到两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光；所述耦合器接收所述双偏振光，并将所述双偏振光耦合到所述光纤环内发生干涉，并将所述光纤环内干涉光信号耦合输出至所述光电探测器；所述光电探测器将所述干涉光信号转换为电信号输出；所述相位调制单元用于提供调制信号。
[0017]
根据本技术的一些实施方式中，所述第一消偏器采用lyot消偏器。
[0018]
根据本技术的一些实施方式中，所述光纤环为保偏光纤环。
[0019]
根据本技术的一些实施方式中，所述光纤环为消偏结构的单模光纤环。
[0020]
根据本技术的一些实施方式中，所述耦合器的第三端口依次经第二消偏器和所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；
[0021]
所述耦合器的第四端口经第三消偏器与所述光纤环的另一端连接。
[0022]
根据本技术的一些实施方式中，所述第二消偏器和第三消偏器均采用lyot消偏器。
[0023]
根据本技术的一些实施方式中，所述相位调制单元包括信号发生器和pzt相位调制器。
[0024]
根据本技术的一些实施方式中，所述光源为激光光源或ase光源。
[0025]
本公开与现有技术相比的优点在于：
[0026]
本公开提供的双偏振干涉式光纤陀螺，采用消偏器与耦合器结合实现极简结构的双偏振干涉式光纤陀螺，降低了干涉式光纤陀螺的结构复杂度、整体成本和光路损耗，达到与互易结构等效的稳定输出效果。
附图说明
[0027]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0028]
图1示出了现有的一种最小互易结构的干涉式光纤陀螺示意图；
[0029]
图2示出了本技术提供的一种双偏振干涉式光纤陀螺的示意图。
具体实施方式
[0030]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0031]
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0032]
为了解决上述现有技术中存在的问题，下面结合附图进行说明。
[0033]
图1示出了现有的一种最小互易结构的干涉式光纤陀螺示意图；如图1所示，包括光源、光电探测器、起偏器、环端耦合器、信号发生器和pzt相位调制器、光纤环。根据附图1，最小互易结构的工作原理是：由光源发出的偏振光输入光源耦合器，并被分成两路偏振光，其中沿直通臂传输并输出的偏振光输入起偏器；起偏器将输入的偏振光变为线偏振光并将该线偏振光输入到环端耦合器。环端耦合器将输入的线偏振光分成两路分别从其右侧的两个端口输出；环端耦合器输出的两路线偏振光分别沿光纤环的顺时针和逆时针方向传输，然后返回环端耦合器并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏振光又被环端耦合器分成两路并分别从环端耦合器左侧的两个端口输出。从环端耦合器的左上端口出发的，沿顺时针、逆时针方向传输的线偏振光返回到环端耦合器的左上端口时所经过的光程是相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光，输出互易光的端口也被称为互易端口。然而，从环端耦合器的左下端口出发的，沿顺时针、逆时针方向传输的线偏振光到达环端耦合器的左下端口时所经过的光程是不相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺的检测信号使用的。从环端耦合器的互易端口输出的线偏振光经过起偏器输入到光源端耦合器，光源端耦合器将输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其左下端口输入光电探测器。当光纤环静止时，从环端耦合器的互易端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回环端耦合器的互易端口时所经过的光程是相同的；当光纤环转动时，从环端耦合器的互易端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回环端耦合器的互易端口时所经过的光程是不相同的；在这两种情况下，光电探测器接收到的光信号强度有所不同，由此则可以计算出光纤环转动的角速度。
[0034]
本技术提供的双偏振干涉式光纤陀螺，是对图1所示根据最小互易结构原理工作的干涉式光纤陀螺的改进，本技术使用消偏器将光源发出偏振光处理为两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光，并取消起偏器，让双偏振光两个偏振模式在光纤环内发生干涉，由此，光电探测器检测到的仍然是两个独立、不相干的模式。两个模式经过光强叠加形成最终的检测信号，其光强叠加的过程便实现了光域的偏振误差补偿。同时，由于非互易端口与互易端口仅相差一个固定的耦合非互易误差，可以通过施加固定偏置予以消除，非互易端口也可用。非互易端口检测时则可将两个耦合器(图1中的光源端耦合器和环端耦合器)简化为一个耦合器，实现如图2所示的极简结构的双偏振干涉式光纤陀螺。
[0035]
图2示出了本技术提供的一种双偏振干涉式光纤陀螺的示意图；如图2所示，本技术提供的双偏振干涉式光纤陀螺，包括：
[0036]
光源100、第一消偏器200、耦合器300、光电探测器400、相位调制单元500和光纤环
600；所述耦合器300包括第一端口310、第二端口320、第三端口330和第四端口340，所述第二端口320为非互易端口；
[0037]
所述光源100与所述第一消偏器200的输入端连接；
[0038]
所述耦合器300的第一端口310与所述第一消偏器200的输出端连接；
[0039]
所述耦合器300的第二端口320与所述光电探测器连接；
[0040]
所述耦合器300的第三端口330通过所述相位调制单元与所述光纤环600的一端310连接；
[0041]
所述耦合器300的第四端口340与所述光纤环600的另一端620连接；
[0042]
所述光源100，用于输出任意偏振模式的偏振光至所述第一消偏器200；具体的，所述光源可以为激光光源或ase光源。
[0043]
ase光源(amplified spontaneous emission，放大自发辐射光源)是基于掺铒光纤放大自发辐射的一种宽谱光源。
[0044]
所述第一消偏器200，用于对所述光源100发出偏振光进行功率均衡和消相干，得到两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光；所述第一消偏器200可以采用lyot消偏器。
[0045]
lyot消偏器对光源发出偏振光进行功率均衡和消相干的具体过程为：
[0046]
根据lyot消偏器琼斯矩阵计算出，经过lyot消偏器的偏振光可以写成不相干的两个偏振态的形式，进行光强的归一化之后的简化形式为：
[0047][0048]
式中，d是偏振光的偏振度；δβ是模式双折射，其值是保偏光纤中两个偏振态的传播常数之差。
[0049]
当转角45
°
的时候，x、y方向光强相等，即lyot消偏器理想时可以得到d＝0的平衡双偏振光。
[0050]
所述耦合器300，用于接收所述双偏振光，并将所述双偏振光耦合到所述光纤环600内发生干涉，并将所述光纤环600内干涉光信号耦合输出至所述光电探测器400；
[0051]
所述光电探测器400，用于将所述干涉光信号转换为电信号输出；
[0052]
所述相位调制单元500，用于提供调制信号，对上述双偏振干涉式光纤陀螺进行相位调制。具体的，所述相位调制单元500包括信号发生器和pzt相位调制器。
[0053]
pzt相位调制器是一种特制的光纤盘绕压电陶瓷换能器器件，具有相位调制功能，可应用于反射型传感系统中光波相位解调，干涉型传感器模拟，干涉仪系统的相位调制等，通过对pzt调制深度的解调可以获得传感信息。
[0054]
为了使光纤陀螺工作在灵敏度较高的状态，本技术在光纤环的一端加上pzt相位调制器，pzt相位调制器使两束光波在不同时间受到相位调制，产生一个相位差。
[0055]
所述光纤环600可以采用保偏光纤环，也可以采用消偏结构的单模光纤环。
[0056]
当所述光纤环600采用消偏结构的单模光纤环时，在耦合器300和光纤环600的两个端口之间增加两个消偏器，分别为第二消偏器和第三消偏器。具体的，所述耦合器300的第三端口330依次经第二消偏器和所述相位调制单元500与所述光纤环600的一端610连接；所述耦合器300的第四端口340经第三消偏器与所述光纤环600的另一端620连接。
[0057]
具体的，所述第二消偏器和第三消偏器均可以采用lyot消偏器，单模光纤环时在
环入口两端分别连接一个lyot消偏器，用来消除每个偏振模式经过环的非互易成分的相干性。
[0058]
值得一提的是，本技术上述连接均通过光纤进行连接。
[0059]
本技术中，耦合器300接收双偏振光，并将双偏振光耦合到光纤环600内发生干涉，并将光纤环600内干涉光信号耦合输出至光电探测器400，以转换为电信号输出。该干涉信号中两个偏振模式偏振非互易误差反向，光强叠加的过程中便实现了光域的偏振误差补偿，达到与传统互易结构等效的稳定输出效果。
[0060]
最小互易结构干涉式光纤陀螺只利用了光纤的一个偏振模式，采用起偏器抑制偏振非互易误差，非互易端口偏振非互易误差无法消除；本技术提出的光域补偿双偏振干涉式光纤陀螺，利用了光纤的两个偏振模式，采用光域补偿的方法有效地消除了偏振误差，非互易端口偏振误差与互易端口一致，仅相差固定的耦合非互易误差。
[0061]
互易端口偏振误差引起的相移如下：
[0062][0063]
其中，γ(z)是光源的相干度，z
rij
是c
ri
c
rj*
引入的等效双折射光程差，
[0064]
φ
r23
是c
ri
c
rj*
的相位，ij∈{1,2,3,4}。在理想分光比即偏振度d＝0时即实现偏振误差补偿。
[0065]
如图2所示，光电探测器检测的干涉信号来自非互易端口，由于光域补偿后的偏振误差引起的相移与互易端口形式一致，可表示为：
[0066][0067]
其中，γ(z)是光源的相干度，z
nrij
是c
nri
c
nrj*
引入的等效双折射光程差；
[0068]
φ
nr23
是c
nri
c
nrj*
的相位，ij∈{1,2，3，4}。同样地，在理想分光比即偏振度d＝0时即实现偏振误差补偿。
[0069]
本技术中，光源端消偏器采用lyot消偏器，理想时可以得到d＝0的平衡双偏振光，可以实现非互易端口偏振误差补偿。
[0070]
本公开提供的双偏振干涉式光纤陀螺，采用消偏器与耦合器结合实现极简结构的双偏振干涉式光纤陀螺，降低了干涉式光纤陀螺的结构复杂度、整体成本和光路损耗，达到与互易结构等效的稳定输出效果。
[0071]
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
[0072]
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。