CN103047980A - 再入式光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种再入式光纤陀螺，包括：光源；光电探测器；具有两个端口的第一耦合器；具有三个端口的MIOC；具有四个端口的第二耦合器以及Sagnac效应光纤敏感环，所述第二耦合器中的四个端口两两相通，其中，所述光源和光电探测器经由光纤与所述第一耦合器的一个端口相连，所述第一耦合器的另一端口经由光纤与所述MIOC的一个端口相连，所述MIOC的另两个端口分别经由光纤与所述第二耦合器的互不相通的两个端口相连，以及所述Sagnac效应光纤敏感环与所述第二耦合器的其它两个端口相连。利用该光纤陀螺，可以满足方向性条件，从而提高检测精度。

Description

再入式光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更为具体地，涉及一种再入式光纤陀螺。

背景技术

1981年，首次提出了再入式光纤陀螺，该再入式光纤陀螺又称为谐振干涉式光纤陀螺。传统的再入式光纤陀螺如图1所示，与干涉式光纤陀螺的结构类似，区别仅仅在于在多功能集成光学器件（MIOC）和Sagnac效应敏感环（SSR）之间增加了一个耦合器。假设输入光电场强度为E_in，经过多圈循环。探测器会探测到顺时针和逆时针的各圈信号，两束光在探测器处发生干涉，得到有用的相干信息为：

$I={\left|E_{\mathrm{in}}\right|}^2{T}_0^2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{2n}(1+\cos \left({\mathrm{n\φ}}_S\right))$ 等式（1）

其中，

α是耦合器2的幅度耦合系数，t_f为SSR的振幅传输系数，φ_S是Sagnac相移。

图1示出了传统再入式光纤陀螺逻辑示意图。如图1所示，光源发出的光通过耦合器1，然后经过MIOC、耦合器2在SSR中按照逆时针和顺时针两个方向传播。具体地，SSR中的逆时针光的传播路径是：依次经过MIOC、耦合器2的端口1和端口4，随后进入到SSR中顺时针传播，然后依次经过端口2和端口3逆时针返回到MIOC（有时，光在SSR内多圈循环）。SSR中的顺时针光的传播路径是：依次经过MIOC、耦合器2的端口3和端口2，随后进入到SSR中逆时针传播，然后依次经过端口4和端口1顺时针返回到MIOC。

从上述等式（1）可以看出，最后的输出信号为所有圈相位的叠加。在图1中示出的再入式光纤陀螺中，由于光在SSR中循环多圈，相当于延长了SSR的长度。因此这种再入式光纤陀螺的优势是：类似于谐振式光纤陀螺，克服了光纤陀螺所用光纤太长而由此带来的受温度影响的缺点，提高了精度；缩短了光纤长度，能够显著降低成本，减小尺寸。

光纤陀螺的基本原理是检测含有旋转角速度信息的Sagnac相移φ_S，通常，φ_S越大，检测灵敏度越高。然而，上述图1中示出的传统再入式光纤陀螺不满足方向性条件，从而导致实际测量得到的精度不够理想。本文中所述的方向性条件是指光纤陀螺中的所有基本单元对谐振结构的总相位响应做出相同符号的贡献，而没有相互抵消的情况。而在图1中，MIOC与耦合器2之间的谐振回路（简称为SSR₁）虽然不长，但是相位差积累效应不能忽略。由此，在SSR₁中顺时针传播的光经过耦合器2将会变成逆时针传播，同理在SSR₁中逆时针传播的光经过耦合器2将会变成顺时针传播，这样将会抵消积累的Sagnac相移，从而导致检测精度不高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种再入式光纤陀螺，该再入式光纤陀螺能够满足方向性条件，从而提高检测精度。

根据本发明的一个方面，提供了一种再入式光纤陀螺，包括：一种再入式光纤陀螺，其特征在于，包括：光源；光电探测器；具有两个端口的第一耦合器；具有三个端口的多功能集成光学器件（MIOC）；具有四个端口的第二耦合器以及Sagnac效应光纤敏感环，所述第二耦合器中的的四个端口两两相通，其中，所述光源和光电探测器经由光纤与所述第一耦合器的一个端口相连，所述第一耦合器的另一端口经由光纤与所述MIOC的一个端口相连，所述MIOC的另两个端口分别经由光纤与所述第二耦合器的互不相通的两个端口相连，以及所述Sagnac效应光纤敏感环与所述第二耦合器的其它两个端口相连。

在上述方面的一个或多个示例中，所述Sagnac效应光纤敏感环可以是单模谐振环。

在上述方面的一个或多个示例中，所述Sagnac效应光纤敏感环可以是并行谐振环。在一个优选示例中，所述并行谐振环可以是保偏光纤旋转级联谐振环。在另一优选示例中，所述并行谐振环可以是多模光纤/多芯光纤旋转级联谐振环。

利用上述再入式光纤陀螺，由于MIOC与第二耦合器之间的谐振回路与Sagnac效应光纤敏感环位于第二耦合器的同一侧，从而可以满足方向性条件，由此提高光纤陀螺的检测精度。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1示出了常规的再入式光纤陀螺的结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图；

图3示出了根据本发明的另一实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图；

图4示出了图3中的保偏光纤旋转级联谐振环的示意图；

图5示出了并行谐振环与单模谐振环的群指数仿真对比图；

图6是多模光纤或多芯光纤旋转级联谐振环的示意图；和

图7示出了根据本发明的另一实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图2示出了根据本发明的一个实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图。

如图2所示，该再入式光纤陀螺包括光源、光电探测器、具有两个端口的耦合器1（即，第一耦合器）、具有三个端口的多功能集成光学器件（MIOC）、具有四个端口的耦合器2（即，第二耦合器）以及Sagnac效应光纤敏感环（在下文中称为SSR环）。

所述光源用于产生光，比如产生窄带光。在本发明的一个示例中，所述光源例如可以是宽谱光源，比如激光光源。或者，所述光源可以是其它合适的光源。所述光电探测器用于进行光电探测，从而将所接收的光信号转换为电信号以供光纤陀螺的后续处理。

在图2中所示的再入式光纤陀螺中，所述耦合器1的一个端口（端口1）经由光纤与所述光源和光电探测器相连，以及所述耦合器1的另一端口（端口2）经由光纤与所述MIOC的一个端口（端口1）相连。

所述MIOC可以是Y波导或者多功能集成光波导调制器。所述多功能集成光波导调制器是闭环光纤陀螺的核心器件，具有起偏与检偏、分束与合束以及电光相位调制补偿功能，是实现闭环光纤陀螺灵敏度、宽动态范围、高输出线性度等优良特性的关键。

如图2所示，所述MIOC通常具有三个端口，端口1、端口2和端口。该三个端口中的任何一个都可以作为输入端口和输出端口两者。例如，如图2中所示，当光从耦合器1到达MIOC并传输到耦合器2时，端口1作为输入端口，端口2和端口3作为输出端口。而当光在SSR环中循环后到达耦合器2并经由MIOC传输到耦合器1时，端口1作为输出端口，端口2和端口3作为输入端口。

所述耦合器2具有四个端口，即，端口1，端口2，端口3和端口4，所述四个端口两两相通，具体地，端口1与端口4相通，端口2和端口3相通。在本发明中，所述耦合器1和耦合器2是单模光纤定向耦合器。

所述MIOC的端口1与耦合器1的端口2经由光纤相连，以及所述MIOC的另两个端口（端口2和端口3）分别经由光纤与所述第二耦合器的互不相通的两个端口相连。例如，如图2所示，MIOC的端口2与耦合器2的端口3相连，以及MIOC的端口3与耦合器2的端口1相连。图2中示出的仅仅是示例，也可以采用MIOC的端口2经由光纤与耦合器2的端口4相连，以及MIOC的端口3经由光纤与耦合器3的端口1相连。或者，也可以采用其它连接方式，只要满足MIOC的另两个端口（端口2和端口3）分别经由光纤与所述第二耦合器的互不相通的两个端口相连即可。

所述SSR环是单模谐振环，通常是由长度为几十米的单模光纤构成，并且所述SSR环与耦合器2的其它两个端口相连，图2中示出的是与耦合器2的端口2和端口4相连。

在图2中示出的情况下，从MIOC的端口2输出的光，从耦合器2的端口3进入，然后经过端口2进入SSR环中，在SSR环中顺时针传播，然后依次经过端口4和端口1顺时针返回到MIOC的端口3。而从MIOC的端口3输出的光，从耦合器2的端口1进入，然后经过端口4进入SSR环中，在SSR环中逆时针传播，然后依次经过端口2和端口3逆时针返回到MIOC的端口2。

从上可以看出，在图2中示出的再入式光纤陀螺中，MIOC和耦合器2之间的谐振回路与SSR环位于耦合器2的同一侧。在这种情况下，光传播一次的方向将不会发生改变，由此积累的相位响应为相同的符号，Sagnac效应会增强而不是有所消减，从而可以满足方向性条件，由此提高光纤陀螺的检测精度。

图3示出了根据本发明的另一实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图。从图3中可以看出，图3中示出的结构与图2中的示出的结构类似，其区别仅仅在于所述SSR环是保偏光纤旋转级联谐振环。例如，可以在图2中示出的SSR环中加入保偏光纤旋转级联结构，一般为三段保偏光纤对轴45°焊接，每段长度为几米。谐振环的剩余部分由单模光纤组成。

图4示出了图3中的保偏光纤旋转级联谐振环的示意图。如图4所示，在该保偏光纤旋转级联谐振环中，多段保偏光纤旋转级联。这里，所述旋转级联是指两段保偏光纤焊接时，快轴（或慢轴）之间旋转角设置为45°相互对接。

下面对图3中示出的光纤陀螺的结构相对于图2中示出的光纤陀螺结构的改进进行说明。

本发明是一种新型干涉式光纤陀螺，光纤陀螺的重要指标是旋转灵敏度，即增加Sagnac相移。通常，高色散耦合谐振单元对旋转灵敏度的提高与群折射率n_g成正比，因此，增大群折射率可以放大Sagnac效应：

由此，为了放大Sagnac效应，高色散需要满足两个性质：第一是高群指数，第二是满足方向性条件，使每个谐振环贡献的相位得以累加。理论仿真和实验证明，保偏光纤旋转级联谐振环（如图4所示）具有高色散特性，由于保偏光纤快慢轴45°旋转等同于在指数量级上增加了谐振回路，所以这种谐振结构也可以称为并行谐振环。

图5示出了在相同谐振环长度（10m）、相同耦合器参数下，并行谐振环和单模光纤谐振环的群指数仿真对比。从图5中可以看出，并行谐振环的群折射率比单模谐振环的群折射率高出7倍。

因此，在将图2中示出的由单模谐振环构成的SSR环替换为由保偏光纤旋转级联结构构成的SSR环时，将会增大整个谐振结构的群折射率，从而放大了Sagnac效应，由此进一步提高了光纤陀螺的检测精度。

此外，通过理论分析可知，保偏光纤旋转级联相当于增加了谐振回路的数目，多模光纤或多芯光纤级联具有同样的效果。由此，可以利用多模光纤或多芯光纤谐振环来替换图5中示出的保偏光纤旋转级联结构。通常，一段多模光纤或多芯光纤中可以传输多个模式，旋转级联可以增加更多的谐振回路，图6是多模光纤或多芯光纤旋转级联谐振环的示意图。

图7示出了根据本发明的另一实施例的再入式光纤陀螺的结构示意图。与图5相比，图7中示出的再入式光纤陀螺的结构与图5中示出的结构的不同之处仅仅在于利用多模光纤或多芯光纤谐振环来替换保偏光纤旋转级联结构。例如，可以在图2中示出的SSR环中加入一段长度为几米的多模光纤或多芯光纤，或者也可以加入多段级联的多模光纤或多芯光纤。此外，单模光纤和多模/多芯光纤之间一般优选通过熔融拉锥连接，也可以采用横截面平端对接。

利用图7中示出的再入式光纤陀螺结构，可以实现与图5中的光纤陀螺结构相同的技术效果。

此外，图5和图7中仅仅示出了可以实现具有并行谐振环结构的SSR环的两个示例，在本发明的其它示例中，也可以采用其它合适的并行谐振环结构来实现SSR环。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

尽管已经结合详细示出并描述的优选实施例公开了本发明，但是本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于正交测量的真值估计方法及装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (5)

1.一种再入式光纤陀螺，其特征在于，包括：光源；光电探测器；具有两个端口的第一耦合器；具有三个端口的多功能集成光学器件（MIOC）；具有四个端口的第二耦合器以及Sagnac效应光纤敏感环，所述第二耦合器中的的四个端口两两相通，

其中，所述光源和光电探测器经由光纤与所述第一耦合器的一个端口相连，所述第一耦合器的另一端口经由光纤与所述MIOC的一个端口相连，所述MIOC的另两个端口分别经由光纤与所述第二耦合器的互不相通的两个端口相连，以及所述Sagnac效应光纤敏感环与所述第二耦合器的其它两个端口相连。

2.如权利要求1所述的再入式光纤陀螺，其中，所述Sagnac效应光纤敏感环是单模谐振环。

3.如权利要求1所述的再入式光纤陀螺，其中，所述Sagnac效应光纤敏感环是并行谐振环。

4.如权利要求3所述的再入式光纤陀螺，其中，所述并行谐振环是保偏光纤旋转级联谐振环。

5.如权利要求3所述的再入式光纤陀螺，其中，所述并行谐振环是多模光纤/多芯光纤旋转级联谐振环。

Images