CN103335641B - 基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，包括光源、隔离器、耦合器C₀、耦合器C₁、耦合器C₂、无源Y分支耦合器、谐振腔、调制器、第一探测器、第二探测器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、调制信号输出电路；本发明提出的陀螺去除了外部两路调制器结构，而采用谐振腔内部调制，简化了陀螺模型，大大提高了陀螺的集成化程度；本发明谐振腔的谐振特性增强了调制特性，使得调制电压降低。且只有一个调制臂，却是双倍的调制效果，降低了***功耗；本发明腔内调制对应的调制方式采用简单的周期方波调制曲线，相对于外部调制所常用的三角波调制曲线，消除了三角波的非线性误差，避免了波形的非对称性，利于提高陀螺的整体精度。

Description

基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺

技术领域

本发明涉及一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，属于光学陀螺等光电传感技术领域。

背景技术

目前，针对光学传感器，如何减小器件的结构尺寸、降低器件制造成本、提高光学传感器的集成化程度是国际上尤其是发达国家各国政府、科技界、工业界追逐的高新技术。

当前，谐振式光学陀螺多采用图1所示的***结构图，由光源发出的光经过Y分支分为相同的两束。调制信号输出电路输出调制信号至调制器PM1和调制器PM2，其中顺时针方向（CW）的光经过调制器PM1，调节传输光频率偏移f₁，之后经过耦合器C₂和C₀进入谐振腔。通过谐振腔的传输耦合，再从另一输入端输出，经过耦合器C₁到达探测器A，转换成电信号，经过信号处理电路后反馈给光源，将光源的频率锁定在CW的谐振频率上。逆时针光(CCW)经过调制器PM2，调节光频率偏移f₂，之后经过耦合器C₁和C₀进入谐振腔。通过谐振腔的传输耦合，再从另一输入端输出，经过耦合器C₂到达探测器B，转换成电信号，经过信号处理电路后，作为陀螺的输出。通过检测到达探测器的光信号的差值，就可以得到频率差，从而得知角速度值。整个***结构中，谐振腔选用光纤或二氧化硅波导，而调制器部分选用集成光学LiNbO₃调制器实现信号的调制解调。这样，调制器与谐振腔材料的差异成为整个陀螺***集成化程度无法大幅度提高的一个重要限制因素。同时，调制器两臂的调制差异性（频率调制差异、光强调制差异、半波电压差异），都将对陀螺性能产生重大影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决谐振式光学陀螺中非模块化、难于集成、误差大、成本高的问题，提出一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺。

一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，包括光源、隔离器、耦合器C₀、耦合器C₁、耦合器C₂、无源Y分支耦合器、谐振腔、调制器、第一探测器、第二探测器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、调制信号输出电路；

光源发出光信号，光信号进入隔离器，光信号通过隔离器单向传输，输出至无源Y分支耦合器，无源Y分支耦合器将光信号分成相等的两束光，一路通过耦合器C₂进入耦合器C₀，通过耦合器C₀进入谐振腔，形成顺时针CW光路，另外一路通过耦合器C₁进入耦合器C₀，通过耦合器C₀进入谐振腔，形成逆时针CCW光路；谐振腔中设有调制器，调制信号输出电路输出调制电信号加载给调制器，通过对调制器加载调制信号，改变谐振腔的有效折射率，使折射率达到设定值；谐振腔内顺时针CW光路经过调制器调制，输出至第一探测器，第一探测器将光信号转化为电信号，输出至第一信号处理电路，电信号经过放大、滤波处理，输出至光源，对光源进行控制，使得光源输出光频率始终为f₀，实现频率锁定；谐振腔内逆时针CCW光路经过调制器调制，输出至第二探测器，第二探测器将光信号转化为电信号，输出至第二信号处理电路，电信号经过放大、滤波处理，作为陀螺的输出，根据陀螺的输出检测到角速率。

本发明的优点在于：

（1）本发明提出的陀螺去除了外部两路调制器结构，而采用谐振腔内部调制，简化了陀螺模型，大大提高了陀螺的集成化程度；

（2）谐振腔的谐振特性增强了调制特性，使得调制电压降低。且只有一个调制臂，却是双倍的调制效果，降低了***功耗。且调制方波频率可以很低，例如几个KHz，对电路带宽的要求很低；

（3）腔内调制对应的调制方式可采用简单的周期方波调制曲线，相对于外部调制所常用的三角波调制曲线，消除了三角波的非线性误差，避免了波形的非对称性，有利于提高陀螺的整体精度。

附图说明

图1是现有技术中谐振式光学陀螺的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3a是本发明谐振腔内调制的陀螺信号锁频示意图；

图3b是本发明谐振腔内调制的陀螺信号检测示意图。

图中：

1-光源 2-隔离器 3-耦合器C₀

4-耦合器C₁ 5-耦合器C₂ 6-无源Y分支耦合器

7-谐振腔 8-调制器 9-第一探测器

10-第二探测器 11-第一信号处理电路 12-第二信号处理电路

13-调制信号输出电路

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，如图2所示，采用谐振腔的一部分作为调制器，替换掉腔外部调制器，包括光源1、隔离器2、耦合器C₀3、耦合器C₁4、耦合器C₂5、无源Y分支耦合器6、谐振腔7、调制器8、第一探测器9、第二探测器10、第一信号处理电路11、第二信号处理电路12、调制信号输出电路13。

光源1发出光信号，光信号进入隔离器2，光信号通过隔离器2单向传输，隔离器2使得回来的光信号无法到达光源1，隔离器2连接无源Y分支耦合器6输入端，耦合器C₁4、耦合器C₂5分别与Y分支耦合器6的两个输出端相连，无源Y分支耦合器6将光信号分成相等的两束光，一路通过耦合器C₂5进入耦合器C₀3，通过耦合器C₀3进入谐振腔7，形成顺时针CW光路，另外一路通过耦合器C₁4进入耦合器C₀3，通过耦合器C₀3进入谐振腔7，形成逆时针CCW光路；

谐振腔7中设有调制器8，调制信号输出电路13输出调制电信号加载给调制器8，通过对调制器8加载调制信号，改变谐振腔7内的有效折射率，使折射率达到设定值。

谐振腔7中的输入光在沿谐振腔7光路传输过程中，经过调制器8。调制器8所提供的调制信号，改变的是谐振腔7中波导的有效折射率，从而改变了谐振腔7的谐振特性曲线。以方波调制信号为例，当不加调制信号时，谐振腔7的谐振特性曲线如图3（a）所示中间曲线，谐振频率为f₀；当加方波调制信号时，方波电压±V导致的折射率变化量为±Δn，由公式（1）得到调制长度为L的调制器带来的相位变化为由公式（2）得到频率变化量为±Δf，式中τ为光在谐振腔7中传输一圈所用时间。由此得出，当加方波信号时，谐振曲线分别向左右两个方向偏移Δf。

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π\τ}}---\left(2\right)$

对于顺时针CW方向传输的光，当调制信号输出电路13输出方波调制信号加载给调制器8时，若光源的输出光频率为f₀，则谐振腔7与第一探测器9相连接的光输出端所输出光信号为直流信号；若光源输出光频率不为f₀，则谐振腔7的输出光信号为交流方波信号。此光信号接入第一探测器9，转换为电信号，此电信号接入第一信号处理电路11，经过放大、滤波等处理，输出电信号给光源，对光源进行控制，使得光源输出光频率始终为f₀。

对于逆时针CCW方向传输的光。当陀螺处于静止状态时，此时光源的输出光频率为f₀，则谐振腔7与第二探测器10相连接的光输出端所输出光信号为直流信号；若陀螺处于旋转状态，则谐振腔7的输出光信号为交流方波信号。此光信号接入第二探测器10，转换为电信号，此电信号接入第二信号处理电路12，经过放大、滤波等信号处理，输出电信号，作为陀螺***的输出。

工作原理：

光源1发出的光经隔离器后，经过无源Y分支耦合器6分成相等的两束光。其中一路通过耦合器C₂5和耦合器C₀3进入谐振腔7，形成顺时针CW光路；另外一路通过耦合器C₁4和耦合器C₀3进入谐振腔7，形成逆时针CCW光路。谐振腔7中带有调制器8。顺逆时针的光每传输一圈，则经过一次调制，调制量相同。假设CW光路为锁频路，则CCW则为陀螺输出路。

对谐振腔7内的调制器8加调制信号（方波调制、正弦波调制、锯齿波调制等等），调制电压的变化导致调制区的折射率变化，从而改变了整个谐振腔7的有效折射率。根据谐振腔的输出特性f=2πnL/λ，f为谐振腔中心频率，n为波导谐振腔7有效折射率，L为谐振腔7腔长，λ为传输光波长。当折射率变化时，谐振腔7的中心频率发生改变。当所加调制信号为周期性电信号时，则谐振曲线周期性左右摆动。结果导致入腔光频率不变，变的是谐振曲线。假设调制信号对谐振腔7产生的频率偏移为f_PM，光源频率f₀，则谐振曲线谐振频率分别为f₀+f_FM和f₀-f_FM。如图3所示。

当进行频率锁定时，假设将光源1输出频率锁定在谐振腔7未加调制时CW的谐振频率。方法如图3（a）所示。这里以最简单的方波调制为例。设光源输出光频率为f，未加调制时，谐振腔7输出曲线为黑色点线所示，谐振频率为f₀。当加调制信号使得谐振频率变化为±f_PM，则谐振曲线在方波正半周期对应谐振频率为f₀+f_FM，对应的输出信号为I₁；在方波负半周期对应谐振频率f₀-f_FM，对应的输出信号为I₂。若光源1频率为f=f₀，则I₁=I₂，为锁定状态；若光源频率f偏离f₀，则I₁≠I₂，此时第一探测器9检测到的光信号为方波信号，方波幅值为I₁和I₂。将|I₁-I₂|的值转换为电流信号，调节光源1的输出光频率，直至使得f=f₀。实现频率锁定，输出为直流信号。

频率锁定后，CCW的输出曲线特性相同，如图3（b）所示。若谐振腔7不旋转，CW和CCW两路输出曲线重合，谐振频率f_CW=f_CCW=f₀，第二探测器10的输出为一条直线。谐振腔7旋转时，CW和CCW两路光分离，CW产生频差f_CW-f_CCW=Δf，第二探测器10输出为方波信号。通过检测这一方波信号的大小，就可以得到频率偏移的大小，从而实现角速率的检测。

至此实现了谐振式光学陀螺的锁频与输出全过程。

其中，本发明所提到的谐振腔7可选用以下三种：光纤（单模光纤或保偏光纤）、无源波导、具有电光调制特性的波导。若选用光纤做谐振腔7，此时腔内调制器8可选用PZT（压电陶瓷），将光纤缠绕在PZT，通过对PZT加电，改变光纤的长度，从而改变谐振腔7的谐振频率；也可采用其他波导型相位调制器（采用铌酸锂波导调制器或硅波导调制器）与光纤对接形成谐振腔7，通过电光调制特性改变波导的有效折射率，从而改变谐振频率。若选用无源波导做谐振腔7，例如二氧化硅、氮化硅、玻璃等，则可通过对调制区部分进行离子掺杂等加工工艺实现调制特性。若谐振腔7选用具有电光调制特性的波导，例如LiNbO₃材料、硅基材料、有机聚合物材料、Ⅲ-Ⅴ族等有源材料，则可应用电光效应或等离子色散效应实现电光调制特性。对于热光系数较大的波导材料（例如硅等），也可通过热光效应实现频率调制。

本发明适用于各种谐振式光学陀螺结构。光源1可选用窄线宽的光纤光源或半导体光源。

本发明的创造性体现在：

（1）谐振腔7的一部分作为调制器8，可替代外部的调制器，大大提高了光学陀螺的集成化程度。

（2）谐振腔可选择光纤、具有电光调制特性的波导或无源波导，以及各自所对应的调制方法的实现。

（3）谐振腔内的调制器调制信号可选择方波调制、正弦波调制、锯齿波调制等等，以实现频率的偏移。

（4）本发明适用于应用谐振腔作为传感器的光路***。

Claims (6)

1.一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，包括光源(1)、隔离器(2)、耦合器C₀(3)、耦合器C₁(4)、耦合器C₂(5)、无源Y分支耦合器(6)、谐振腔(7)、调制器(8)、第一探测器(9)、第二探测器(10)、第一信号处理电路(11)、第二信号处理电路(12)、调制信号输出电路(13)；

光源(1)发出光信号，光信号进入隔离器(2)，光信号通过隔离器(2)单向传输，输出至无源Y分支耦合器(6)，无源Y分支耦合器(6)将光信号分成相等的两束光，一路通过耦合器C₂(5)进入耦合器C₀(3)，通过耦合器C₀(3)进入谐振腔(7)，形成顺时针CW光路，另外一路通过耦合器C₁(4)进入耦合器C₀(3)，通过耦合器C₀(3)进入谐振腔(7)，形成逆时针CCW光路；谐振腔(7)中设有调制器(8)，调制信号输出电路(13)输出调制电信号加载给调制器(8)，通过对调制器(8)加载调制信号，改变谐振腔(7)内的有效折射率，使折射率达到设定值；谐振腔(7)内顺时针CW光路经过调制器(8)调制，输出第一探测器(9)，第一探测器(9)将光信号转化为电信号，输出至第一信号处理电路(11)，电信号经过放大、滤波处理，输出至光源(1)，对光源进行控制，使得光源(1)输出光频率始终为f₀，实现频率锁定；谐振腔(7)内逆时针CCW光路经过调制器(8)调制，输出至第二探测器(10)，第二探测器(10)将光信号转化为电信号，输出至第二信号处理电路(12)，电信号经过放大、滤波处理，作为陀螺的输出，根据陀螺的输出检测到角速率。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，所述的调制器(8)的调制信号为方波调制、正弦波调制或者锯齿波调制。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，所述的谐振腔(7)采用光纤，光纤为单模光纤或保偏光纤，调制器(8)采用压电陶瓷，光纤缠绕在压电陶瓷上。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，所述的谐振腔(7)采用光纤，光纤为单模光纤或保偏光纤，调制器(8)采用铌酸锂波导调制器或硅波导调制器，与光纤对接形成谐振腔(7)。

5.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，所述的谐振腔(7)采用无源波导，调制器(8)采用离子掺杂加工工艺实现。

6.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔内调制的谐振式光学陀螺，所述的谐振腔(7)采用具有电光调制特性的波导。