CN105157693B - 一种环形谐振腔及其谐振式光纤陀螺 - Google Patents

一种环形谐振腔及其谐振式光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光学传感及信号检测技术领域，提供了一种环形谐振腔及其谐振式光纤陀螺，该环形谐振腔，包括两束光纤、第一分光器件和第二分光器件，所述第一分光器件的两端分别通过所述两束光纤与所述第二分光器件的两端一一对应连接，围合成一个封闭回路。所述的环形谐振腔采用两个分光器件与光纤围合成的封闭回路，能使从环形谐振腔中输出的光信号经过光电探测器转化成电信号时，输出的谐振曲线为亮背景的暗峰，信噪比大，有利于提高陀螺的检测精度。

Description

一种环形谐振腔及其谐振式光纤陀螺
技术领域
本发明属于光学传感及信号检测技术领域，尤其涉及一种环形谐振腔及其谐振式光纤陀螺。
背景技术
谐振式光纤陀螺是一种基于光学萨格奈克效应产生的谐振频率差来检测物体转动角速度的新型惯性传感器，是惯性导航与姿态控制***中最为关键的器件之一。谐振式光纤陀螺在无任何外部参考系的情况下，也能测量到物体相对于惯性空间转动的角速度，可广泛运用于航空航天、武器装备、民用工业等各个领域，在国家安全和国民经济建设中发挥着重要的作用。谐振式光纤陀螺中的环形谐振腔是整个***中最为关键的角速度敏感器件，环形谐振腔通过检测腔内顺、逆时针两路光波之间的谐振频率差的大小来实现对物体的转动角速度测量。
目前谐振式光纤陀螺所采用的环形谐振腔主要有两种类型：反射式环形谐振腔和透射式环形谐振腔。如图1所示为采用反射式环形谐振腔的谐振式光纤陀螺结构，其中包括：激光器L，耦合器C1、C2、C3、C4，相位调制器PM1、PM2，光电探测器PD1、PD2，对于反射式环形谐振腔来说，由于大部分光波都是从腔内另外一侧输出，因此腔内顺逆时针的光波互相干扰比较大，而且整个谐振式光纤陀螺***中至少需要4个耦合器，成本比较高。如图2(a)所示为采用透射式环形谐振腔的谐振式光纤陀螺结构，其中包括：激光器L，耦合器C1、C2、C3，相位调制器PM1、PM2，光电探测器PD1、PD2，对于透射式环形谐振腔来说，由于环形谐振腔中的光电探测器输出的谐振曲线是暗背景的亮峰，如图2(b)所示，信噪比小，不利于提高陀螺的检测精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种环形谐振腔，旨在解决现有的环形谐振腔信噪比比较小或者需要的耦合器多、成本大的问题。
本发明是这样实现的，一种环形谐振腔，包括两束光纤，该环形谐振腔还包括第一分光器件和第二分光器件，所述第一分光器件的两端分别通过所述两束光纤与所述第二分光器件的两端一一对应连接，围合成一个封闭回路。
进一步地，所述第一、第二分光器件为耦合器或分束器。
本发明还提供一种谐振式光纤陀螺，包括如上所述任一的环形谐振腔、激光器、第三分光器件、与所述第一分光器件连接的第一光电探测器和与所述第二分光器件连接的第二光电探测器；
所述激光器用于产生光波；
所述第三分光器件用于接收所述激光器产生的光波，并将光波分成两束光；
所述第一、第二分光器件分别接收所述第三分光器件发出的两束光，并分别将各自接收到所述第三分光器件发出的光束以及每次接收到的在所述封闭回路中循环传输的光束再次分成两束光；
对于所述第一分光器件再次分束得到的两束光，其中一束光经所述第一光电探测器转换成电信号后输出，另一束光在所述封闭回路中循环传输；
对于所述第二分光器件再次分束得到的两束光，其中一束光经所述第二光电探测器转换成电信号后输出，另一束光在所述封闭回路中循环传输。
进一步地，所述谐振式光纤陀螺还包括第一相位调制器和第二相位调制器；所述第一相位调制器置于所述第三分光器件与所述第一分光器件之间，用于将所述第三分光器件分出的其中一束光进行相位调制后输出给所述第一分光器件；所述第二相位调制器置于所述第三分光器件与所述第二分光器件之间，用于将所述第三分光器件分出的其中另一束光进行相位调制后输出给所述第二分光器件。
进一步地，所述第三分光器件为耦合器或分束器。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的环形谐振腔采用两个分光器件与光纤围合成封闭的回路，能使从环形谐振腔中输出的光信号经过光电探测器转化成电信号时，输出的谐振曲线为亮背景的暗峰，信噪比大，有利于提高陀螺的检测精度。
附图说明
图1是现有技术提供的采用反射式环形谐振腔的谐振式光纤陀螺的结构示意图；
图2(a)是现有技术提供的采用透射式环形谐振腔的谐振式光纤陀螺的结构示意图；
图2(b)是图2(a)输出的电信号示意图；
图3(a)是本发明谐振式光纤陀螺的结构示意图；
图3(b)是图3(a)输出的电信号示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3(a)所示，其中虚线框内所示为环形谐振腔的结构示意图。一种环形谐振腔，包括第一分光器件C1、第二分光器件C2和两束光纤OF，第一分光器件C1的两端分别通过两束光纤OF与第二分光器件C2的两端一一对应连接，围合成一个封闭的回路。第一分光器件C1包括第一端E1’和第二端E2’，第二分光器C2包括第三端E3’和第四端E4’，第一分光器件的第一端E1’和第二端E2’分别通过两束光纤OF与第二分光器件的第三端E3’和第四端E4’对应连接，围合成封闭回路。需要理解的是，此处的“第N端”仅仅区分分光器的端口而并不表示端口的数量。
具体地，第一、第二分光器件C1、C2可以为耦合器或分束器。当然，只要能够实现将光进行分束的器件均可。优选的，第一、第二分光器件C1、C2为两个相同耦合系数的耦合器。
本发明提供的谐振式光纤陀螺包括上文所述的环形谐振腔、激光器L、第三分光器件C3、第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2。激光器L是谐振式光纤陀螺中的光源，为整个***提供光波。第一光电探测器PD1与第一分光器件C1相连接，用于将从第一分光器件C1发出的光信号转换成电信号并进行输出。第二光电探测器PD2与第二分光器件C2相连接，用于将从第二分光器件C2发出的光信号转换成电信号并进行输出。第三分光器件C3用于接收激光器L发出的光波，并将光波分成两束光。第一、第二分光器件C1、C2分别接收第三分光器件C3发出的两束光，并分别将各自接收到第三分光器件C3发出的光束以及每次接收到的在封闭回路中循环传输的光束再次分成两束光。对于第一分光器件C1再次分束得到的两束光，其中一束光经第一光电探测器PD1转换成电信号后输出，另一束光在封闭回路中循环传输。对于第二分光器件C2再次分束得到的两束光，其中一束光经第二光电探测器PD2转换成电信号后输出，另一束光在封闭回路中循环传输。
谐振式光纤陀螺还包括第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2。第一相位调制器PM1置于第三分光器件C3与第一分光器件C1之间，用于将第三分光器件C3分出的其中一束光进行相位调制后输出给第一分光器件C1。第二相位调制器PM2置于第三分光器件C3与第二分光器件C2之间，用于将第三分光器件C3分出的其中另一束光进行相位调制后输出给第二分光器件C2。
第三分光器件C3为耦合器、分束器等。
光波在谐振式光纤陀螺以及环形谐振腔中传输的过程如下：
为了方便说明，定义经过第一分光器件C1后进入环形谐振腔内的光波为顺时针方向的光波，经过第二分光器件C2后进入环形谐振腔内的光波为逆时针方向的光波。激光器L输出的光波经过第三分光器件C3后，分成两路光功率均等的光波，然后这两路光波分别经过第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2。当对第一、第二相位调制器PM 1、PM2施加调制信号时，通过第一、第二相位调制器PM1、PM2的光波的相位将随着调制信号幅度的变化而变化。经过调制后的光波再分别进入第一分光器件C1和第二分光器件C2。顺时针方向的光波从第一分光器件C1的E1端输入，经过第一分光器件C1后，有一部分光波从第一分光器件C1的E2端直接输出，其余的光波则在环形谐振腔内传输，经过第二分光器件C2后，沿着光纤OF再次经过第一分光器件C1，此时，有一部分光波从第一分光器件C1的E2端输出，其余的光波继续在腔内传输，如此不断循环。从第一分光器件C1的E2端输出的光波(包括直接从第一分光器件C1输出的光波和经过环形谐振腔不断循环后输出到第一分光器件C1的E2端的光波)发生光波的叠加，最后经过第一光电探测器PD1将光信号转换为电信号，然后再进一步对电信号进行处理。逆时针方向的光波从第二分光器件C2的E3端输入，经过第二分光器件C2后，有一部分光波直接从第二分光器件C2的E4端输出，其余的光波则在环形谐振腔内循环传输，经过第一分光器件C1后，再次经过第二分光器件C2。从第二分光器件C2的E4端输出的光波(包括直接从第二分光器件C2输出的光波和经过环形谐振腔不断循环后输出到第二分光器件C2的E4端的光波)发生光波的叠加，最后经过第二光电探测器PD2将光信号转换为电信号，然后再进一步对电信号进行处理。从第一、第二光电探测器PD1、PD2输出的谐振曲线为亮背景的暗峰，信噪比比较大。由于本发明的谐振式光纤陀螺为反射式的输出，谐振的时候谐振峰为低谷，因此称为亮背景下的暗峰，如图3(b)所示。而图2(a)中的谐振式光纤陀螺为透射式，其谐振时输出的能量最大，因此称为暗背景下的亮峰，如图2(b)所示。由于进入环形谐振腔内的光波大部分已经从第一、第二分光器件C1、C2的直通端E2、E4输出，有利于减少谐振式光纤陀螺中光路部分中光波之间的干扰，提高了谐振式光纤陀螺的灵敏度。
本发明的环形谐振腔采用两个分光器件C1、C2与光纤OF围合成封闭的回路，该环形谐振腔能够减少腔内两路光波之间的干扰，且由该环形谐振腔中输出的谐振曲线为亮背景的暗峰，信噪比比较大，有利于提高谐振式光纤陀螺的检测精度。整个谐振式光纤陀螺只采用了三个分光器件，有利于降低生产成本，同时，也有利于谐振式光纤陀螺结构参数的优化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种反射式环形谐振腔，包括两束光纤，其特征在于，该环形谐振腔还包括第一分光器件和第二分光器件，所述第一分光器件的第一端E1’和第二端E2’分别通过所述两束光纤与所述第二分光器件的第三端E3’和第四端E4’一一对应连接，围合成一个封闭回路；所述封闭回路中可同时在顺时针方向和逆时针方向进行光波的传输；
所述第一分光器件还具有一个第一光波输入端E1、一个第一直通端E2；所述第一光波输入端E1所接收的光波的一部分直接通过所述第一直通端E2输出，所述第一光波输入端E1所接收的光波的另一部分在所述封闭回路中沿顺时针方向传输，且沿顺时针方向传输的光波经过所述第一分光器件的第一端E1’后分为两束光波，一束光波通过所述第一直通端E2输出，其余的光波继续在腔内传输，如此不断循环；
所述第二分光器件还具有一个第二光波输入端E3、一个第二直通端E4；所述第二光波输入端E3所接收的光波的一部分直接通过所述第二直通端E4输出，所述第二光波输入端E3所接收的光波的另一部分在所述封闭回路中沿逆时针方向传输，且沿逆时针方向传输的光波经过所述第二分光器件的第三端E3’后分为两束光波，一束光波通过所述直通端E4输出，其余的光波继续在腔内传输，如此不断循环。
2.根据权利要求1所述的反射式环形谐振腔，其特征在于，所述第一、第二分光器件为耦合器或分束器。
3.一种谐振式光纤陀螺，其特征在于，包括权利要求1至2任一所述的反射式环形谐振腔、激光器、第三分光器件、与所述第一分光器件的第一直通端E2连接的第一光电探测器和与所述第二分光器件的第二直通端E4连接的第二光电探测器；
所述激光器用于产生光波；
所述第三分光器件用于接收所述激光器产生的光波，并将光波分成两束光；
所述第一分光器件通过第一光波输入端E1、第二分光器件通过第二光波输入端E3分别接收所述第三分光器件发出的两束光，并分别将各自接收到所述第三分光器件发出的光束以及每次接收到的在所述封闭回路中循环传输的光束再次分成两束光；
对于所述第一分光器件再次分束得到的两束光，其中一束光经所述第一光电探测器转换成电信号后输出，另一束光在所述封闭回路中循环传输；
对于所述第二分光器件再次分束得到的两束光，其中一束光经所述第二光电探测器转换成电信号后输出，另一束光在所述封闭回路中循环传输。
4.根据权利要求3所述的谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述谐振式光纤陀螺还包括第一相位调制器和第二相位调制器；所述第一相位调制器置于所述第三分光器件与所述第一分光器件之间，用于将所述第三分光器件分出的其中一束光进行相位调制后输出给所述第一分光器件；所述第二相位调制器置于所述第三分光器件与所述第二分光器件之间，用于将所述第三分光器件分出的其中另一束光进行相位调制后输出给所述第二分光器件。
5.根据权利要求3所述的谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述第三分光器件为耦合器或分束器。
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