CN101706280A - 一种用于受激布里渊光纤陀螺的光路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于受激布里渊光纤陀螺的光路结构,从窄线宽掺铒光纤激光器出射的光源,经A耦合器后分为两束沿不同路径传输的光。其中一束光经过全光纤声光移频器、A光纤环行器、A偏振控制器和B耦合器后进入光子晶体光纤谐振腔中;另一束光经过可变衰减器、B光纤环行器、B偏振控制器和B耦合器后进入光子晶体光纤谐振腔。两束光分别成为逆时针顺时针传输的抽运光,由于光子晶体光纤中抽运光波场与弹性声波场相互作用产生受激布里渊散射。因此受激布里渊散射可描述为抽运光波、斯托克斯光波通过声波进行的非线性互作用,抽运光波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺仪,更特别地说,是指一种适用于用作光纤陀螺仪的光路结构。
背景技术
光纤陀螺仪是一种全固态、真正静音的陀螺,依据对处理信息的不同可以分为光路结构和电路结构,光路结构与电路结构之间采用一个光电探测器实现连接。光纤陀螺仪是一种具有可靠性高、寿命长、动态范围宽、抗冲击振动、体积小、重量轻并适合于大批量生产等特点,可达到很高的精度,已成为各类惯性***首选的惯性仪表。
专利申请公开号为CN 101067556A,公开日为2007年11月7日中公开了一种四频差动布里渊光纤陀螺,该光纤陀螺利用泵浦光的偏频技术解决频率锁定和旋转方向的判断问题,并且利用四频差动检测技术消除了由偏频不稳定给***带来的误差。
近来,由于光纤通信和光纤传感相关领域技术的发展,窄带光源、特种光纤等技术和器件的相继突破,给新型受激布里渊光纤陀螺技术的突破带来了契机。在受激布里渊光纤陀螺的窄带激光光源方面。受激布里渊光纤陀螺最初采用波长0.633μm的He-Ne激光器作为光源。但是He-Ne激光器增益介质为气体,抗冲击和振动能力较差。而后也有采用波长1.32μm的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器作为光源,但Nd:YAG激光器体积较大,不太适合于小型化陀螺的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,该光路结构利用窄线宽激光信号在光子晶体光纤中的受激布里渊散射的机理,实现了正反两路受激布里渊散射信号在光子晶体光纤环谐振腔中的Sagnac效应;采用全光纤声光移频器来获得固定频偏,从而消除了受激布里渊光纤陀螺中的频率锁定,并能够判别旋转方向。
本发明是一种受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,该光路结构包括有窄线宽掺铒光纤激光器、A耦合器、声光移频器、A光纤环行器、A偏振控制器、B耦合器、可变衰减器、B光纤环行器、B偏振控制器、C耦合器和光子晶体光纤谐振腔。
窄线宽掺铒光纤激光器的尾纤与A耦合器的a端口连接;
A耦合器的a端口与窄线宽掺铒光纤激光器的尾纤连接,A耦合器的b端口与声光移频器的入纤连接,A耦合器的c端口与可变衰减器的入纤连接;
声光移频器的尾纤与A光纤环行器的a端口连接;
A光纤环行器的a端口与声光移频器的尾纤连接,A光纤环行器的b端口与A偏振控制器的一端连接,A光纤环行器的c端口与C耦合器的a端口连接;
A偏振控制器的一端与A光纤环行器的b端口连接,A偏振控制器的另一端与B耦合器的a端口连接;
B耦合器的a端口与A偏振控制器的另一端的连接,B耦合器的b端口与B偏振控制器的另一端连接,B耦合器的c端口和d端口连接在光子晶体光纤谐振腔的高非线性光子晶体光纤的两端上;
可变衰减器的入纤与A耦合器的c端口连接,可变衰减器的尾纤与B光纤环行器的a端口连接;
B光纤环行器的a端口与可变衰减器的尾纤连接,B光纤环行器的b端口与B偏振控制器的一端连接,B光纤环行器的c端口与C耦合器的b端口连接;
B偏振控制器的一端与B光纤环行器的b端口连接,B偏振控制器的另一端与B耦合器的b端口连接;
C耦合器的a端口与A光纤环行器的c端口连接,C耦合器的b端口与B光纤环行器的c端口连接,C耦合器的c端口与光电探测器的信号输入端连接。
本发明的一种受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构优点在于:
该方案与之前的受激布里渊光纤陀螺方案相比,具有以下技术优势:
1)采用高非线性光子晶体光纤构成光纤环谐振腔。一方面增强了受激布里渊散射效应,使得光纤陀螺的灵敏度提高;一方面光纤环长度的减少,降低了外界的热和机械应力对光纤环偏振态的影响,提高了光纤陀螺的稳定性。
2)采用窄线宽单频单偏振光纤激光器作为光源,其线宽不到1kHz,远远小于布里渊增益的带宽10MHz,因此可以获得很高的布里渊增益。此外窄线宽单频单偏振光纤激光器还具有输出功率大、频率稳定、偏振度高的特点,有利于获得稳定的受激布里渊拍频信号
3)采用全光纤声光移频器来获得较大的固定频偏,从而消除受激布里渊光纤陀螺中的频率锁定,并能够判别旋转方向。
4)信号处理上将声光移频器驱动信号源作为参考信号引入信号处理过程中。一方面可以减小声光移频器的频率抖动对受激布里渊光纤陀螺精度的影响;另一方面也可以对声光移频器驱动信号进行适当的调制,采用先进的信号处理方法提高受激布里渊光纤陀螺的测量精度。
5)在光路中引入了可变衰减器和偏振控制器,可以同时在实验中研究光纤环谐振腔中的由于抽运光功率差异造成的克尔效应以及抽运光偏振态变化对受激布里渊光纤陀螺的影响。
6)构成光纤环谐振腔的耦合器采用分光比可调耦合器,能够在实验中进一步研究耦合器的分光比对受激布里渊光子晶体光纤陀螺性能的影响,并对受激布里渊光纤陀螺的理论模型进行验证。
附图说明
图1是本发明受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示,本发明是一种受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,该光路结构包括有窄线宽掺铒光纤激光器1、A耦合器11、声光移频器2、A光纤环行器4A、A偏振控制器5A、B耦合器12、可变衰减器3、B光纤环行器4B、B偏振控制器5B、C耦合器13和光子晶体光纤谐振腔6.
窄线宽掺铒光纤激光器1的尾纤与A耦合器11的a端口连接;在本发明中,窄线宽掺铒光纤激光器1作为光源,其输出的中心波长为1549nm~1551nm,线宽小于1kHz。
A耦合器11的a端口与窄线宽掺铒光纤激光器1的尾纤连接,A耦合器11的b端口与声光移频器2的入纤连接,A耦合器11的c端口与可变衰减器3的入纤连接;在本发明中,A耦合器11的分光比为50∶50。
声光移频器2(工作波长为1550nm±10nm、***损耗为2.0dB~2.5dB,移频量为55MHz)的入纤与A耦合器11的b端口连接,声光移频器2的尾纤与A光纤环行器4A的a端口连接;
A光纤环行器4A的a端口与声光移频器2的尾纤连接,A光纤环行器4A的b端口与A偏振控制器5A的一端连接,A光纤环行器4A的c端口与C耦合器13的a端口连接;在本发明中,A光纤环行器4A的a端口至b端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至c端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至a端口的隔离度为>40dB,c端口至b端口的隔离度为>40dB,a端口和c端口的交叉串扰为>45dB。
A偏振控制器5A的一端与A光纤环行器4A的b端口连接,A偏振控制器5A的另一端与B耦合器12的a端口连接;在本发明中,A偏振控制器5A的***损耗为0.1dB~0.3dB。
B耦合器12的a端口与A偏振控制器5A的另一端的连接,B耦合器12的b端口与B偏振控制器5B的另一端连接,B耦合器12的c端口和d端口连接在光子晶体光纤谐振腔6的高非线性光子晶体光纤的两端上;光子晶体光纤谐振腔6是将高非线性光子晶体光纤(受激布里渊增益系数为5×10-10m/W~5×10-9m/W)缠绕在一个圆柱或其他形状的骨架上形成。在本发明中,B耦合器12的分光比为90∶10。于是受激布里渊激光的10%仍留在谐振腔内,90%输出到B耦合器12。经过一段时间后,残留在谐振腔中的10%受激布里渊激光到达B耦合器12,于是它的10%被限制在谐振腔内,90%输出到B耦合器12。这样受到限制的受激布里渊激光在谐振腔内形成顺时针和逆时针传输的受激布里渊激光。
可变衰减器3的入纤与A耦合器11的c端口连接,可变衰减器3的尾纤与B光纤环行器4B的a端口连接;在本发明中,可变衰减器3的可变衰减范围为0.1dB~6dB,工作波长为1550nm±10nm。
B光纤环行器4B的a端口与可变衰减器3的尾纤连接,B光纤环行器4B的b端口与B偏振控制器5B的一端连接,B光纤环行器4B的c端口与C耦合器13的b端口连接;在本发明中,B光纤环行器4B的a端口至b端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至c端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至a端口的隔离度为>40dB,c端口至b端口的隔离度为>40dB,a端口和c端口的交叉串扰为>45dB。
B偏振控制器5B的一端与B光纤环行器4B的b端口连接,B偏振控制器5B的另一端与B耦合器12的b端口连接;在本发明中,A偏振控制器5A的***损耗为0.1dB~0.3dB。
C耦合器13的a端口与A光纤环行器4A的c端口连接,C耦合器13的b端口与B光纤环行器4B的c端口连接,C耦合器13的c端口与光电探测器的信号输入端连接;在本发明中,C耦合器13的分光比为50∶50。
光电探测器输出电信号给电路结构。在本发明中,电路结构可以由前置放大电路、滤波电路、A/D转换器、相位调制器驱动电路、D/A转换器和主控芯片组成。
本发明的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构的光路传输为:
窄线宽掺铒光纤激光器1出射的激光经A耦合器11后分成两束激光,其中一束激光进入声光移频器2,另一束激光进入可变衰减器3;
声光移频器2出射的移频激光顺次经A光纤环行器4A、A偏振控制器5A和B耦合器12的a端口入、d端口出,进入光子晶体光纤谐振腔6中形成A抽运光5A-1;
可变衰减器3出射的衰减后激光顺次经B光纤环行器4B、B偏振控制器5B和B耦合器12后的b端口入、c端口出,进入光子晶体光纤谐振腔6中形成B抽运光5B-1;
A抽运光5A-1在光子晶体光纤谐振腔6中产生反向的受激布里渊增益,该增益对顺时针传输的A受激布里渊激光61具有放大作用;在本发明中,被放大后的A受激布里渊激光61的增益高达20dB~60dB。
B抽运光5B-1在光子晶体光纤谐振腔6中产生反向的受激布里渊增益,该增益对逆时针传输的B受激布里渊激光62具有放大作用;在本发明中,被放大后的B受激布里渊激光62的增益高达20dB~60dB。在光子晶体光纤谐振腔6中放大后的A受激布里渊激光61和放大后的B受激布里渊激光62在运行时的增益是相同的。
从光子晶体光纤谐振腔6中出射的90%的A受激布里渊激光61顺次经B耦合器12的d端口、a端口、A偏振控制器5A、A光纤环行器4A的b端口、c端口后进入C耦合器13中;
从光子晶体光纤谐振腔6中出射的90%的B受激布里渊激光62顺次经B耦合器12的c端口、b端口、B偏振控制器5B、B光纤环行器4B的b端口、c端口后进入C耦合器13中;
从光子晶体光纤谐振腔6中出射的10%的A受激布里渊激光61继续在光子晶体光纤谐振腔6中循环,在循环过程中被A抽运光5A-1产生的受激布里渊增益放大,然后90%的A受激布里渊激光再次被输出;
从光子晶体光纤谐振腔6中出射的10%的B受激布里渊激光62继续在光子晶体光纤谐振腔6中循环,在循环过程中被B抽运光5B-1产生的受激布里渊增益放大,然后90%的B受激布里渊激光再次被输出。
在本发明中,为了降低光子晶体光纤谐振腔6中受激布里渊散射的阈值功率,采用了高非线性光子晶体光纤构成光纤环谐振腔。由于模面积很小,其布里渊增益比普通单模光纤高1~2个数量级,该光纤环谐振腔一方面可以增强受激布里渊散射效应,使得光纤陀螺的灵敏度提高;另一方面可以减少光纤环长度,降低了外界的热和机械应力对光纤环偏振态的影响,提高了光纤陀螺的稳定性。
在A抽运光5A-1和B抽运光5B-1的频率相同的情况下,光子晶体光纤环谐振腔6静止时,A受激布里渊激光61和B受激布里渊激光62的频率相同,当谐振腔以角速度Ω旋转时,由于Sagnac效应,它们之间产生了频差Δf=fbcw-fbccw,fhcw表示A受激布里渊激光61的中心频率,fbccw表示B受激布里渊激光62的中心频率。频差Δf正比于角速度Ω时,满足式中,S为光子晶体光纤环谐振腔6所包围的面积,λ0为窄线宽掺铒光纤激光器1的中心波长,n为高非线性光子晶体光纤的折射率,L为光子晶体光纤环谐振腔6中光纤的长度。
为了消除在角速度Ω较小时,受激布里渊光纤陀螺的拍频锁定问题,进入光子晶体光纤环谐振腔6中的两束光(A抽运光5A-1和B抽运光5B-1)的中心频率不同,起到偏频的作用,不仅解决了锁定问题,而且可以对陀螺的旋转方向进行判断,扩大了受激布里渊光纤陀螺的动态范围。由于全光纤声光移频器2的采用,最终经过C耦合器13后到达光电探测器中的A受激布里渊激光61和B受激布里渊激光62的频率差为ω为声光移频器2的移频量。
本发明的一种用于受激布里渊光纤陀螺的光路结构,从窄线宽掺铒光纤激光器出射的光源,经A耦合器后分为两束沿不同路径传输的光。其中一束光经过全光纤声光移频器、A光纤环行器、A偏振控制器和B耦合器后进入光子晶体光纤谐振腔中;另一束光经过可变衰减器、B光纤环行器、B偏振控制器和B耦合器后进入光子晶体光纤谐振腔。两束光分别成为逆时针顺时针传输的抽运光,由于光子晶体光纤中抽运光波场与弹性声波场相互作用产生受激布里渊散射。这种受激布里渊散射过程中的弹性声波场是在抽运光(窄线宽激光)的作用下,光子晶体光纤介质通过电致伸缩效应而产生的,这是一种相干的声波场,它与抽运光耦合产生相干的受激布里渊散射,而得到与抽运光方向相反的斯托克斯光。这种产生斯托克斯光的受激布里渊散射过程可以看成湮灭一个入射光子,同时产生一个反向散射光子和一个同向的声子。因此受激布里渊散射可经典描述为抽运光波、斯托克斯光波通过声波进行的非线性互作用,抽运光波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。
Claims (10)
1.一种受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,所述的光纤陀螺包括有光路结构、电路结构和光电探测器,光电探测器连接在光路结构与电路结构之间,其特征在于:该光路结构包括有窄线宽掺铒光纤激光器(1)、A耦合器(11)、声光移频器(2)、A光纤环行器(4A)、A偏振控制器(5A)、B耦合器(12)、可变衰减器(3)、B光纤环行器(4B)、B偏振控制器(5B)、C耦合器(13)和光子晶体光纤谐振腔(6);
光子晶体光纤谐振腔(6)是将受激布里渊增益系数为5×10-10m/W~5×10-9m/W的高非线性光子晶体光纤缠绕在一个圆柱或其他形状的骨架上形成;
窄线宽掺铒光纤激光器(1)的尾纤与A耦合器(11)的a端口连接;A耦合器(11)的b端口与声光移频器(2)的入纤连接,A耦合器(11)的c端口与可变衰减器(3)的入纤连接;声光移频器(2)的尾纤与A光纤环行器(4A)的a端口连接;A光纤环行器(4A)的b端口与A偏振控制器(5A)的一端连接,A光纤环行器(4A)的c端口与C耦合器(13)的a端口连接;A偏振控制器(5A)的另一端与B耦合器(12)的a端口连接;B耦合器(12)的b端口与B偏振控制器(5B)的另一端连接,B耦合器(12)的c端口和d端口连接在光子晶体光纤谐振腔(6)的受激布里渊增益系数为5×10-10m/W~5×10-9m/W的高非线性光子晶体光纤的两端上;可变衰减器(3)的入纤与A耦合器(11)的c端口连接,可变衰减器(3)的尾纤与B光纤环行器(4B)的a端口连接;B光纤环行器(4B)的b端口与B偏振控制器(5B)的一端连接,B光纤环行器(4B)的c端口与C耦合器(13)的b端口连接;B偏振控制器(5B)的另一端与B耦合器(12)的b端口连接;C耦合器(13)的a端口与A光纤环行器(4A)的c端口连接,C耦合器(13)的b端口与B光纤环行器(4B)的c端口连接,C耦合器(13)的c端口与光电探测器的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构的光路传输为:
窄线宽掺铒光纤激光器(1)出射的激光经A耦合器(11)后分成两束激光,其中一束激光进入声光移频器(2),另一束激光进入可变衰减器(3);
声光移频器(2)出射的移频激光顺次经A光纤环行器(4A)、A偏振控制器(5A)和B耦合器(12)的a端口入、d端口出,进入光子晶体光纤谐振腔(6)中形成A抽运光(5A-1);
可变衰减器(3)出射的衰减后激光顺次经B光纤环行器(4B)、B偏振控制器(5B)和B耦合器(12)后的b端口入、c端口出,进入光子晶体光纤谐振腔(6)中形成B抽运光(5B-1);
A抽运光(5A-1)在光子晶体光纤谐振腔(6)中产生反向的受激布里渊增益,该增益对顺时针传输的A受激布里渊激光(61)具有增益放大20dB~60dB的作用;
B抽运光(5B-1)在光子晶体光纤谐振腔(6)中产生反向的受激布里渊增益,该增益对逆时针传输的B受激布里渊激光62具有增益放大20dB~60dB的作用;
从光子晶体光纤谐振腔(6)中出射的90%的A受激布里渊激光(61)顺次经B耦合器(12)的d端口、a端口、A偏振控制器(5A)、A光纤环行器(4A)的b端口、c端口后进入C耦合器(13)中;
从光子晶体光纤谐振腔(6)中出射的90%的B受激布里渊激光(62)顺次经B耦合器(12)的c端口、b端口、B偏振控制器(5B)、B光纤环行器(4B)的b端口、c端口后进入C耦合器(13)中;
从光子晶体光纤谐振腔(6)中出射的10%的A受激布里渊激光(61)继续在光子晶体光纤谐振腔(6)中循环,在循环过程中被A抽运光(5A-1)产生的受激布里渊增益放大,然后90%的A受激布里渊激光再次被输出;
从光子晶体光纤谐振腔(6)中出射的10%的B受激布里渊激光(62)继续在光子晶体光纤谐振腔(6)中循环,在循环过程中被B抽运光(5B-1)产生的受激布里渊增益放大,然后90%的B受激布里渊激光再次被输出。
3.根据权利要求2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:在A抽运光(5A-1)和B抽运光(5B-1)的频率相同的情况下,光子晶体光纤环谐振腔(6)静止时,A受激布里渊激光(61)和B受激布里渊激光(62)的频率相同,当谐振腔以角速度Ω旋转时,由于Sagnac效应,它们之间产生了频差Δf=fbcw-fbccw,fbcw表示A受激布里渊激光(61)的中心频率,fbccw表示B受激布里渊激光(62)的中心频率;频差Δf正比于角速度Ω时,满足式中,S为光子晶体光纤环谐振腔(6)所包围的面积,λ0为窄线宽掺铒光纤激光器(1)的中心波长,n为高非线性光子晶体光纤的折射率,L为光子晶体光纤环谐振腔(6)中光纤的长度。
4.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:光子晶体光纤谐振腔(6)中的A受激布里渊激光(61)和B受激布里渊激光(62)之间存在的频率差为ω为声光移频器(2)的移频量,S为光子晶体光纤环谐振腔(6)所包围的面积,λ0为窄线宽掺铒光纤激光器(1)的中心波长,n为高非线性光子晶体光纤的折射率,L为光子晶体光纤环谐振腔(6)中光纤的长度。
5.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:窄线宽掺铒光纤激光器(1)输出的中心波长为1549nm~1551nm,线宽小于1kHz。
6.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:A耦合器(11)的分光比为50∶50;B耦合器(12)的分光比为90∶10;C耦合器(13)的分光比为50∶50。
7.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:声光移频器(2)的工作波长为1550nm±10nm、***损耗为2.0dB~2.5dB,移频量为55MHz。
8.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:A光纤环行器(4A)和B光纤环行器(4B)的a端口至b端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至c端口的***损耗为0.3dB~0.8dB,b端口至a端口的隔离度为>40dB,c端口至b端口的隔离度为>40dB,a端口和c端口的交叉串扰为>45dB。
9.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:A偏振控制器(5A)和B偏振控制器(5B)的***损耗为0.1dB~0.3dB。
10.根据权利要求1或2所述的受激布里渊光子晶体光纤陀螺的光路结构,其特征在于:可变衰减器(3)的可变衰减范围为0.1dB~6dB,工作波长为1550nm±10nm。
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