CN106556387A - 一种光纤陀螺用光器件匹配方案 - Google Patents
一种光纤陀螺用光器件匹配方案 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106556387A CN106556387A CN201510621753.9A CN201510621753A CN106556387A CN 106556387 A CN106556387 A CN 106556387A CN 201510621753 A CN201510621753 A CN 201510621753A CN 106556387 A CN106556387 A CN 106556387A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- optical
- polarization
- light
- matching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
一种光纤陀螺用光器件匹配方案，该匹配技术采用干涉式光纤陀螺光路的设计理论，实现了光纤类型的匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱匹配，从理论、工程、工艺、产品质量等各个层次上，很好的解决了由于光学器件的不匹配而导致的，困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品率低下、性能指标低下、工艺不稳定、生产效率低等疑难问题。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种干涉式光纤传感技术领域，提出了一种光纤陀螺用光器件匹配方案，该匹配技术利用干涉式光纤陀螺光路的设计理论，实现了光纤的类型匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱匹配，从理论、工程、工艺、产品质量等各个层面上，很好的解决了由于光学器件的不匹配而导致的，困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品率低下、性能指标低下、工艺不稳定、生产效率低等疑难问题。
背景技术
光纤陀螺无可移动部件，属于全固态陀螺，具有启动快、检测灵敏度高、分辨率高、动态范围宽，环境温度适应性强、机械冲击与振动可靠性高等特点，是目前惯性角速度传感单元的发展方向。
此外，光纤陀螺以其无与伦比的优势取代机械旋转质量陀螺的繁冗操作和诸多的日常维护，也克服了环形激光陀螺的闭锁现象，更省去了为保持小转速的灵敏度所采取的防机械抖动措施，由此逐渐替代机械、液浮、燃气等传统的陀螺，从而市场需求量大幅增加。
中国的光纤陀螺技术在2000年之后，受益于光纤通信用的光学元器件的发展，从而得到快速发展，特别是吸引了大量传统陀螺研发与生产机构转向光纤陀螺领域开发与生产。
但是，由于大部分光学器件及其技术是针对高速数字光纤通信***设计与制作，而光纤陀螺属于模拟光纤传输***，其设计理论、产品质量控制、产品性能、工艺组装方面与数字光纤通信存在巨大差异。
此外，由于干涉式光纤陀螺光路结构中，必须采用宽带光源，而且光路结构中不能采用光隔离器(光环形器)以降低回波噪声，回到光源的光功率与入射到探测器上的光功率相同，由此引起光波长、光功率、以及光波偏振态的不稳定，从而导致***的性能大幅恶化，波动，各种现象不可解释，不可复现，困扰光纤陀螺行业多年不能得以解决。
由此中国的光纤陀螺技术在工程化、产业化方面还存在许多问题，主要现象包括：
1.实际性能指标与理论值相差甚远；
2.不能够确定光路组装工艺关键控制点，从而导致生产效率低下；
3.批量生产的一次通过成品率低下，有些甚至不足30％；
4.不能正确解释与确定光纤陀螺不合格的根本原因，从而不能提高产品的性能与质量。
为了提高陀螺的性能.人们提出了各种解决办法。包括对光纤陀螺组成元器件的改进，以及用信号处理的方法的改进等，但是目前的改进措施往往是拆东墙补西墙的方式，不能达到整体的效果稳定与平衡，例如：
1.传统的光纤陀螺专利
上述这些传统的光纤陀螺光路结构及其组成方案，不能很好解决由于光学器件的不匹配而导致的光纤类型失配、光功率失配、光波偏振态失配、光谱失配等各种问题，其仅能够解决部分问题，或者由于解决某个部分问题，而导致其他问题；
例如，虽然满足光波偏振态匹配、但是引入了光谱、光纤类型等失配，反而降低了光纤陀螺的其他性能指标，如标度因数非线性、零位重复性等关键性能指标；另外如引入光纤环形器，提高输入探测器的光功率，虽然可以提高信噪比，但是同样会引入光谱失配，以及引起宽工作温度范围下的光波偏振态失配，都不能从理论、工程、工艺、产品质量方面综合解决困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品率、性能指标、工艺稳定性等问题；
性能对比如图2、图3所示。
2.传统的熔融拉锥方法制作光纤耦合器的专利
上述有关光纤耦合器的这些专利方案技术，适用于拉制普通单模光纤，具有成品率高，成本低等优点；但是对于保偏光纤，关键需要解决保偏光纤应力轴对准的问题，这些方案本身固有应力轴无法对准的弱点，解决方法是采用匹配型保偏光纤，即低双折射差很小的保偏光纤，导致这种方案制作的保偏光纤耦合器的性能较差，如拉制耦合器时，保偏光纤被拉细，应力区域发生变化，导致偏振消光比不高，偏振相关损耗非常大，温度性能不稳定，工作波长范围窄等弱点；此外，目前的保偏光纤熔接机识别这种低双折射的保偏光纤具有很大困难，正确识别率异常低下，从而导致实际应用的组装效率低下，基本不被采用。
此外，传统熔融拉锥方法制作的光纤耦合器的机械振动、机械冲击、温度循环、温度冲击等可靠性指标非常低下，不利于在恶劣的工作环境中使用。
3.传统的集成光学多功能相位调制器方案
上述这些专利技术方案也不能够从根本上解决全温工作范围内，光纤陀螺对光谱、功率要求的稳定性；例如调制器集成了光功率分束功能，以期望达到改善分束稳定性效果，但却不可避免的在调制器内部引入了干涉噪声，这就又导致了功率的不稳定，从而影响了光纤陀螺的整体性能。
为了解决光纤陀螺技术在工程化、产业化方面上述问题，本专利提出了光纤的类型匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱匹配方案，从根本上可以解决这些问题。理论与实践证明，这种技术方案简单、可行、有效，不需要增加额外的成本，可以大幅度推动光纤陀螺产业的发展。
发明内容
本发明的目的是，提供一种光纤陀螺用光器件匹配方案，解决了传统现有技术中，由于光学器件的不匹配而导致的光纤类型失配、光功率失配、光波偏振态失配、光谱失配等各种问题，从理论、工程、工艺、产品质量等各个层次上综合解决了困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品率低下、性能指标差、组装工艺稳定性差等疑难问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤陀螺用光器件匹配方案，该发明专利参用如下理论设计原理：
光子散粒噪声引起光纤陀螺最小偏置稳定性
| No. | 符号 | 描述 |
| 1 | e | 电子电荷 |
| 2 | Be | 噪声测量带宽 |
| 3 | ηD | ηD＝ID/(hc/λ)，每秒撞击探测器光敏面的光子数 |
| 4 | λ | 宽带光源的平均波长 |
| 5 | I0 | 探测器接收到的光功率 |
| 6 | L | 光纤长度 |
| 7 | R | 光纤环半径 |
| 8 | λ | 光波波长 |
| 9 | ID | 注入探测器光功率 |
| 10 | ηD | 探测器林子效率 |
| 11 | Be | 测量带宽Be＝1Hz，0.1Hz，，0.01Hz |
| 12 | h | 普朗克常量h＝6.626068×10-34m2Kg/s |
通过上述的理论公式与参数表格，可以看出散粒噪声引起的陀螺最高精度(最小偏置稳定性)
1.与波长λ1/2成正比，2.与入射探测器光功率I0 1/2成正比。
因此，要保证光纤陀螺得到理论设计的精度，就必须稳定的控制光学结构的光波长和光功率。由于光器件相关的光波偏振态以及光纤的类型会引起***的光波长、光功率失配，从而要保证精度的情况下，就需要实现：
1、光纤类型匹配；2、光谱匹配；
3、光功率匹配；4、光波偏振态匹配；
通过以上的四种匹配技术，以满足光纤陀螺的***性能要求。
㈠光纤类型匹配方案：
主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同，以降低光路的传输干扰，如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等；以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度，并且提高***可靠性；包括：宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤分束器PMFS和探测器组件PIN-FET的器件尾纤光纤类型匹配。
作为一种举例说明，所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中的一种；所述集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤分束器PMFS与探测器组件PINFET，其相互熔接的光纤类型相互匹配。
作为一种举例说明，所述相互匹配的光纤为：
同一供应商、同一批次的保偏或者单模光纤；
或者同一供应商、不同批次的保偏或者单模光纤；
或者不同供应商，光波模场相同、外径相同，涂覆层直径相同的保偏光纤或者单模光纤；
或者不同供应商，光波模场相同、外径相同、涂覆层尺寸不同的保偏光纤或者单模光纤；
作为一种举例说明，所述相互匹配的光纤还包括其他的模场直径匹配、外径匹配、保偏或者单模光纤匹配等的光纤类型组合；
㈡光谱匹配方案：
由于光纤陀螺模拟传输要求，***必须采用宽带光源，从而要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源的3dB带宽；通常SLD的3dB带宽约30nm～40nm，ASE光源的3dB带宽约10nm～20nm；因此要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽，但不局限于所述最优选择的2倍光源的3dB带宽；以此来满足往返光路的光谱匹配，以及对往返光路过程中不畸变的要求；
作为一种举例说明，优选实施例采用本发明人已申请专利之保偏光纤分束器作为最佳光谱匹配技术应用，包括但是不局限于采用光纤分束器的其他宽工作波长范围的分束器件，如反向使用集成光学多功能调制器MIOC器件等方案；
此外，还要求集成光学多功能调制器的波长相关损耗、温度相关损耗能够满足光谱匹配要求；在至少2倍宽带光源的3dB波长带宽范围内，波长相关损耗满足往返光路的光谱匹配，不畸变的要求；也包括但不局限于采用发明人已授权专利的多功能调制器设计方案。
㈢光功率匹配方案
在光源正常工作条件下，在波长及温度相关性较小的工作电流范围内合理选择SLD光源或者ASE光源，以及在功率、温度相关性最小的控制参数下，获得输入光功率；
根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响应度测试方案，在所述MIOC不施加调制信号情况下，合理选择入射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之间，优选1/3为最佳工作光功率，但是不局限于1/4到1/2之间为全部工作光功率，例如，
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约20dB；
对于输入单偏振SLD光源，采用保偏光纤分束器或者保偏光纤耦合器，光纤环为保偏光纤方案，光路总体***损耗约14dB；
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为保偏光纤，或者输入单偏振SLD光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约17dB；
由此选择光源输出光功率，并且可以确定入射到PINFET光纤中的光功率，可以获得PINFET的线性响应斜率，从而可以确定PINFET的具体型号，据此设计光纤陀螺***的最佳工作状态；
(四)光波偏振态匹配方案
由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是退火质子交换(APE)工艺，其仅能够满足e光的波导传播条件，当前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可以大于70dB，完全可以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。
由此，可以单独控制MIOC输入端，或者输出端的偏振匹配状态，实现光纤陀螺的性能指标设计要求；
对于传统的光纤陀螺光路方案，MIOC输入端，如果采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源，虽然可以通过退偏器的方案实现功率稳定，仅仅是时间上的平均观察到功率相对稳定，实际由于降低了光波偏振态匹配，瞬态不能获得功率的稳定，从而降低光纤陀螺的性能。另外，双偏振SLD光源的2个偏振态的光谱不完全相同，偏振相互串扰的回波损耗引起光源光谱的变化，同样会导致光纤陀螺性能恶化。
双偏振SLD输出的光谱差异如图4、图5所描述。
本发明的光波偏振态匹配方案之优选实施例，
例如：MIOC输入端：
采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源，输出光纤是保偏光纤，通过保偏光纤分束器的宽工作波长范围、低温度相关、低波长相关的高偏振保持特性，可以满足光波偏振态匹配；
采用ASE光源，由于输出是自然光，并且输出光纤可以是单模或者保偏光纤，相应选择宽工作波长范围的不局限于光纤分束器或者光纤耦合器，或者光纤耦合器加退偏器方案，实现光波偏振态匹配；
例如：MIOC输出端：
光纤环可以采用单模光纤加退偏器方案，或者保偏光纤方案，均能够实现光波偏振态匹配要求。
本发明专利的有益效果：
本发明专利采用光器件的匹配技术，适用于干涉式光纤陀螺光路设计解决方案。从而在光纤陀螺的全部工作温度范围内(-40℃～+75℃)
1.理论设计方面，可以大幅度降低由于传统设计方案引起的各种光学噪声；
2.产品质量控制方面，可以大幅度提高光纤陀螺的一次通过成品率；
3.在产品工程方面，可以大幅度提高光纤陀螺的性能指标；
4.在光路组装工艺方面，可以有针对性的控制关键工艺点，大幅度降低操作难度，提高生产效率。
5.提供了分析***性能指标偏差的理论依据与解决方案。
经过大量实践验证，按本发明方案组装的光纤陀螺性能指标，非常接近，甚至能达到理论设计值，传统设计方案的光纤陀螺很难达到或者接近设计理论值；
经过大量实践验证，可以实现1次组装成品率>90％，甚至达到>95％；
经过大量实践验证，可以大幅度提高标度因数非线性到<10ppm，光路结构如图11所示；如果采用单偏SLD光源+保偏光纤分束器方案，甚至可以接近1ppm的测试极限，如图6，图7所描述；而传统设计方案的光纤陀螺，通常的标度因数非线性大于100ppm，最好情况一般不能小于50ppm，而且全温性能不可控；
经过多方测试验证，采用ASE光源的光纤陀螺，100秒平均，可以创新性地达到接近千分之一度/小时性能指标。
附图说明
图1是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之传统光纤陀螺的光路结构
图2是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之单模光纤耦合器的全温波长相关性数值图
图3是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之保偏光纤分束器的全温波长相关性数值图
图4是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之双偏振SLD光源的不同偏振态的光谱@100mA数值图
图5是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之双偏振SLD光源中心波长的差异与驱动电流的关系数值图
图6是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之本专利设计方案的光纤陀螺标度因数非对称性数值图
图7是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之本专利设计方案的光纤陀螺标度因数误差分布柱形图
图8是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之采用保偏光纤分束器的光纤陀螺的光路结构示意图
图9是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之采用保偏光纤分束器的光纤陀螺的另外一种光路结构示意图
图10是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之MIOC输入、输出均保偏的光路方案结构图
图11是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之MIOC输入前保偏，MIOC输出退偏的光路方案示意图
图12是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之3轴光纤陀螺光路熔接方案
图13是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之光功率匹配设计方案软件的普通精度光纤陀螺设计值的截屏图
图14是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之光功率匹配设计方案软件之高精度光纤陀螺设计值的截屏图
图15是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之方案内容示意框图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
一种光纤陀螺用光器件匹配方案，包括以下四部分内容：
1、光纤类型匹配；2、光功率匹配；3、光波偏振态匹配；4、光谱匹配；
(一)所述光纤类型匹配方案：
主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同，以降低光路的传输噪声，如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等；以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度，并且提高***可靠性；包括：宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤分束器PMFS和探测器组件PIN-FET的器件的尾纤光纤类型匹配。
作为一种举例说明，所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中的一种；所述集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤分束器PMFS与探测器组件PINFET，其相互熔接的光纤类型相互匹配；
作为一种举例说明，所述相互匹配的光纤为：同一供应商、同一批次的保偏或者单模光纤；或者同一供应商、不同批次的保偏或者单模光纤；或者不同供应商，光波模场相同、外径相同，涂覆层尺寸相同的保偏或者单模光纤；或者不同供应商，光波模场相同、外径相同、涂覆层尺寸不同的保偏或者单模光纤；
作为一种举例说明，所述相互匹配的光纤还包括其他的模场匹配、外径匹配、保偏或者单模光纤匹配等的组合光纤类型；
㈡光谱匹配方案：
由于光纤陀螺模拟传输要求，***必须采用宽带光源，从而要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源的3dB带宽；通常SLD的3dB带宽约30nm～40nm，ASE光源的3dB带宽约10nm～20nm；因此要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽，但不局限于所述最优选择的2倍光源的3dB带宽；以此来满足往返光路的光谱匹配，以及对往返光路过程中不畸变的要求；
作为一种举例说明，优选实施例采用本发明人已申请专利之保偏光纤分束器作为最佳光谱匹配技术应用，包括但是不局限于采用光纤分束器的其他宽工作波长范围的分束器件，如反向使用集成光学多功能调制器MIOC器件等方案；
㈢光功率匹配方案
在光源正常工作条件下，在波长及温度相关性较小的工作电流范围内合理选择SLD光源或者ASE光源，以及在功率、温度相关性最小的控制参数下，获得输入光功率；
根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响应度测试方案，在所述MIOC不施加调制信号情况下，合理选择入射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之间，优选1/3为最佳工作光功率，但是不局限于1/4到1/2之间为全部工作光功率，例如，
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约20dB；
对于输入单偏振SLD光源，采用保偏光纤分束器或者保偏光纤耦合器，光纤环为保偏光纤方案，光路总体***损耗约14dB；
对于输入双偏SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为保偏光纤，以及输入单偏振SLD光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约17dB；
由此选择光源输出光功率，并且可以确定入射到PINFET光纤中的光功率，可以获得PINFET的线性响应斜率，从而可以确定PINFET的具体型号，据此设计光纤陀螺***的最佳工作状态；
(四)光波偏振态匹配方案
由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是退火质子交换(APE)工艺，其仅能够满足e光的波导传播条件，当前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可以大于70dB，完全可以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。
由此，可以单独控制MIOC输入端，或者输出端的偏振匹配状态，实现光纤陀螺的性能指标设计要求；
对于传统的光纤陀螺光路方案，MIOC输入端，如果采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源，虽然可以通过退偏器的方案实现功率稳定，仅仅是时间上的平均观察到功率相对稳定，实际由于降低了光波偏振态匹配，瞬态不能获得功率的稳定，从而降低光纤陀螺的性能。另外，双偏振SLD光源的2个偏振态的光谱不完全相同，偏振相互串扰的回波引起光源光谱的变化，同样会导致光纤陀螺性能恶化。
双偏振SLD输出的光谱差异如图4、图5所描述。
本发明的光波偏振态匹配方案之优选实施例，
例如：MIOC输入端：
采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源，输出光纤是保偏光纤，通过保偏光纤分束器的宽工作波长范围、低温度相关、低波长相关的高偏振保持特性，可以满足光波偏振态匹配；
采用ASE光源，由于输出是自然光，并且输出光纤可以是单模或者保偏光纤，相应选择宽工作波长范围的不局限于光纤分束器或者光纤耦合器，或者光纤耦合器加退偏器方案，实现光波偏振态匹配；
例如：MIOC输出端：
光纤环可以采用单模光纤加退偏器方案，或者保偏光纤方案，均能够实现光波偏振态匹配要求。
为了更通俗的说明该发明所采用方案的先进性，现通过具体参数的实施例举例说明效果：
1.光功率匹配：根据光纤陀螺性能指标要求，如零位稳定性10秒平均<0.1°/h，测量动态范围200°/s等，如图13，合理选择光源功率、光纤环长度，具体选择的参数设置如下：
| 1 | 光源类型 | 单偏振SLD |
| 2 | 光源输出功率 | 400μW |
| 3 | 光纤环类型 | 单模光纤 |
| 4 | 工作波长 | 1310nm |
| 5 | 光纤环平均直径 | 70mm |
| 6 | 光纤长度 | 450m |
| 7 | 工作偏置点 | 0.5π |
理论计算值：
| 1 | 零位稳定性1s平均 | 0.20°/h |
| 2 | 零位稳定性10s平均 | 0.063°/h |
| 3 | 最大测量转速 | 244.6°/S |
| 4 | 最小测量转速 | 0.028°/h |
根据设计方案确定光路损耗为17dB，入射到PIN-FET光功率～8μW，从而根据1/3饱和光功率最佳工作点，确定对应饱和光功率为24μW的PIN-FET的型号为线性效率0.18V/μW。
如零位稳定性100秒平均＜0.001°/h，最大测量动态范围20°/s等，如图14，合理选择光源功率、光纤环长度，可以选择：
| 1 | 光源类型 | ASE自然光 |
| 2 | 光源输出功率 | 2mW |
| 3 | 光纤环类型 | 保偏光纤 |
| 4 | 工作波长 | 1550nm |
| 5 | 光纤环平均直径 | 200mm |
| 6 | 光纤长度 | 2km |
| 7 | 工作偏置点 | 0.5π |
本理论计算值：
| 1 | 零位稳定性10s平均 | 0.0024°/h |
| 2 | 零位稳定性100s平均 | 0.0008°/h |
| 3 | 最大测量转速 | 22°/S |
| 4 | 最小测量转速 | 0.0026°/h |
根据设计方案确定光路损耗为17dB，入射到PIN-FET光功率～40μW，从而根据1/3饱和光功率最佳工作点，确定对应饱和光功率为120μW的PIN-FET的型号为线性效率0.04V/μW。
2.光波偏振态匹配：根据光功率匹配方案中的光源类型、光纤环类型，选择合适的光波偏振态匹配方案；其中最佳方案是采用保偏光纤分束器，最稳定、简单、可靠；
举例如下：
| 图8 | 采用保偏光纤分束器的光纤陀螺的光路结构 |
| 图9 | 采用保偏光纤分束器的光纤陀螺的另外一种光路结构 |
| 图10 | MIOC输入、输出均保偏的光路方案 |
| 图11 | MIOC输入前保偏，MIOC输出退偏的光路方案 |
| 图12 | 3轴光纤陀螺光路熔接方案 |
3.光纤类型匹配：合理选择各种光学器件，以满足光纤类型匹配，包括模场、外径、保偏与单模等参数。
4.光谱匹配：合理选择各种光学器件，其中最佳方案与光波偏振态匹配类似，仍然是采用保偏光纤分束器，最稳定、简单、可靠；
本发明专利采用光器件的匹配技术方案，从而在全部工作温度范围内(-40℃～+75℃)工作稳定，提供可以大幅度降低由于传统设计方案引起的光学噪声的不足；可以大幅度提高光纤陀螺的一次通过成品率；在产品工程方面，可以大幅度提高光纤陀螺的性能指标；在光路组装工艺方面，可以大幅度降低操作难度，提高生产效率。
经过大量实践验证，按本发明方案组装的光纤陀螺性能指标，非常接近，甚至能达到理论设计值，传统设计方案的光纤陀螺很难达到或者接近设计理论值；
经过大量实践验证，可以实现1次组装成品率>90％，甚至达到>95％；
经过大量实践验证，可以大幅度提高标度因数非线性到<10ppm，光路结构如图11所示，采用单偏SLD光源+保偏光纤分束器方案，甚至接近1ppm的测试极限，如图6，图7所描述；传统设计方案的光纤陀螺，通常的标度因数非线性大于100ppm，最好情况一般不能小于50ppm，而且全温性能不可控；
经过多方测试验证，采用ASE光源的光纤陀螺，100秒平均，可以创新性地达到接近千分之一度/小时性能指标。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，包括以下四部分内容：光纤类型匹配方案、光功率匹配、光波偏振态匹配、光谱匹配；
所述光纤类型匹配方案：
主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同，以降低光路的传输噪声，如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等；以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度，并且提高***可靠性；包括：宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤分束器PMFS和探测器组件PIN-FET的器件的尾纤光纤类型匹配。
所述光谱匹配方案：
由于光纤陀螺模拟传输要求，***必须采用宽带光源，从而要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源的3dB带宽；通常SLD的3dB带宽约30nm～40nm，ASE光源的3dB带宽约10nm～20nm；因此要求光纤分束器或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽，但不局限于所述最优选择的2倍光源的3dB带宽；以此来满足往返光路的光谱匹配，以及对往返光路过程中不畸变的要求；
所述功率匹配方案：
在光源正常工作条件下，在波长及温度相关性较小的工作电流范围内合理选择SLD光源或者ASE光源，以及在功率、温度相关性最小的控制参数下，获得输入光功率；
根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响应度测试方案，在所述MIOC不施加调制信号情况下，合理选择入射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之间，优选1/3为最佳工作光功率，但是不局限于1/4到1/2之间为全部工作光功率。例如，
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约20dB；
对于输入单偏振SLD光源，采用保偏光纤分束器或者保偏光纤耦合器，光纤环为保偏光纤方案，光路总体***损耗约14dB；
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源，光纤环为保偏光纤，以及输入单偏振SLD光源，光纤环为单模光纤的设计方案，光路总体***损耗约17dB；
由此选择光源输出光功率，并且可以确定入射到PINFET光纤中的光功率，可以获得PINFET的线性响应斜率，从而可以确定PINFET的具体型号，据此设计光纤陀螺***的最佳工作状态；
所述光波偏振态匹配方案：
由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是退火质子交换(APE)工艺，其仅能够满足e光的波导传播条件，当前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可以大于70dB，完全可以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。
由此，可以单独控制MIOC输入端，或者输出端的偏振匹配状态，实现光纤陀螺的性能指标设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，所述相互匹配的光纤为：同一供应商、同一批次的保偏或者单模光纤；或者同一供应商、不同批次的保偏或者单模光纤；或者不同供应商，光波模场直径相同、外径相同，涂覆层直径相同的保偏或者单模光纤；或者不同供应商，光波模场相同、外径相同、涂覆层直径不同的保偏或者单模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，所述采用的光纤分束器为申报人专利的光纤分束器方案，包括全部保偏、部分保偏，全部单模的分束器方案。
5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，所述采用的光功率匹配方案，为申报人专利的PIN-FET测试方法规定的线性响应度测试方案。
6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案，其特征在于，所述采用的光波偏振态匹配方案，为采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源，输出光纤是保偏光纤，通过与申报人专利的保偏光纤分束器熔接，满足光波偏振态匹配方案；或者ASE光源与光纤分束器熔接，以满足光波偏振态匹配的方案。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510621753.9A CN106556387A (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 一种光纤陀螺用光器件匹配方案 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510621753.9A CN106556387A (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 一种光纤陀螺用光器件匹配方案 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106556387A true CN106556387A (zh) | 2017-04-05 |
Family
ID=58414469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510621753.9A Pending CN106556387A (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 一种光纤陀螺用光器件匹配方案 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106556387A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107702730A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-16 | 苏州光环科技有限公司 | 光纤陀螺的测试方法、装置、存储介质以及计算机设备 |
| CN107727090A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-02-23 | 北京控制工程研究所 | 一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法 |
| CN109059962A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-12-21 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种光纤陀螺用光路性能测试*** |
| CN116429081A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-07-14 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种扰偏空芯微结构光纤陀螺 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101008569A (zh) * | 2006-12-31 | 2007-08-01 | 北京航天控制仪器研究所 | 采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺 |
| CN101275834A (zh) * | 2007-03-30 | 2008-10-01 | 黄宏嘉 | 无源偏置光纤陀螺和电流传感器 |
| CN201532473U (zh) * | 2009-09-25 | 2010-07-21 | 北京浦丹光电技术有限公司 | 2×2保偏光纤分束器 |
| CN102778613A (zh) * | 2011-05-10 | 2012-11-14 | 北京浦丹光电技术有限公司 | Pin-fet光接收组件性能指标测试方法 |
| CN102914421A (zh) * | 2012-10-19 | 2013-02-06 | 苏州光环科技有限公司 | 一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法及其设备 |
| CN103411598A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-11-27 | 北京航空航天大学 | 一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪2π复位电压测量方法 |
| CN103868507A (zh) * | 2014-03-17 | 2014-06-18 | 北京航空航天大学 | 基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法 |
| CN104316040A (zh) * | 2014-09-19 | 2015-01-28 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路 |
| CN104458212A (zh) * | 2014-12-02 | 2015-03-25 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法 |
| JP2015155893A (ja) * | 2014-01-17 | 2015-08-27 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | 分極化適合共振器ファイバー光学ジャイロスコープに関するシステムおよび方法 |
-
2015
- 2015-09-25 CN CN201510621753.9A patent/CN106556387A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101008569A (zh) * | 2006-12-31 | 2007-08-01 | 北京航天控制仪器研究所 | 采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺 |
| CN101275834A (zh) * | 2007-03-30 | 2008-10-01 | 黄宏嘉 | 无源偏置光纤陀螺和电流传感器 |
| CN201532473U (zh) * | 2009-09-25 | 2010-07-21 | 北京浦丹光电技术有限公司 | 2×2保偏光纤分束器 |
| CN102778613A (zh) * | 2011-05-10 | 2012-11-14 | 北京浦丹光电技术有限公司 | Pin-fet光接收组件性能指标测试方法 |
| CN102914421A (zh) * | 2012-10-19 | 2013-02-06 | 苏州光环科技有限公司 | 一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法及其设备 |
| CN103411598A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-11-27 | 北京航空航天大学 | 一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪2π复位电压测量方法 |
| JP2015155893A (ja) * | 2014-01-17 | 2015-08-27 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | 分極化適合共振器ファイバー光学ジャイロスコープに関するシステムおよび方法 |
| CN103868507A (zh) * | 2014-03-17 | 2014-06-18 | 北京航空航天大学 | 基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法 |
| CN104316040A (zh) * | 2014-09-19 | 2015-01-28 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路 |
| CN104458212A (zh) * | 2014-12-02 | 2015-03-25 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 中国光学学会纤维光学与集成光学专业委员会: "《全国第二届塑料光纤、聚合物光子器件研究、生产和应用会议论文集》", 31 August 2006, 中国光学学会纤维光学与集成光学专业委员会出版 * |
| 关炳新等: ""光纤陀螺技术研究"", 《仪器仪表用户》 * |
| 史艺: "《通信仪器仪表理论与实践》", 31 August 2012, 武汉大学出版社 * |
| 张昕: ""光源对光纤陀螺性能影响的研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 机电部二十三所九室情报室: "《光无源器件及传感器译文集》", 31 December 1992 * |
| 裴世鑫: "《光电子技术原理与应用》", 30 September 2013, 国防工业出版社 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107727090A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-02-23 | 北京控制工程研究所 | 一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法 |
| CN107727090B (zh) * | 2017-08-29 | 2020-04-10 | 北京控制工程研究所 | 一种双光源四轴冗余光纤陀螺光路匹配方法 |
| CN107702730A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-16 | 苏州光环科技有限公司 | 光纤陀螺的测试方法、装置、存储介质以及计算机设备 |
| CN109059962A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-12-21 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种光纤陀螺用光路性能测试*** |
| CN109059962B (zh) * | 2018-08-29 | 2020-10-20 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种光纤陀螺用光路性能测试*** |
| CN116429081A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-07-14 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种扰偏空芯微结构光纤陀螺 |
| CN116429081B (zh) * | 2023-06-14 | 2023-08-18 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种扰偏空芯微结构光纤陀螺 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101387519B (zh) | 一种空芯光子晶体光纤陀螺 | |
| CN100494897C (zh) | 采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺 | |
| CN103076155B (zh) | 一种基于双光路的光纤Verdet常数测量*** | |
| CN106556387A (zh) | 一种光纤陀螺用光器件匹配方案 | |
| CN105091877A (zh) | 基于光的偏振态进行转动传感的方法及其光学陀螺仪 | |
| US4773753A (en) | Fiber sensor | |
| CN111811497B (zh) | 基于宇称-时间对称的超灵敏角速度传感器及测量方法 | |
| CN104359471A (zh) | 一种混偏光纤陀螺光路及消偏器的制备方法 | |
| CN106546793A (zh) | 三相一体化全光纤电流互感器 | |
| CN111238772A (zh) | 一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置和检测方法 | |
| US6750956B2 (en) | Method and apparatus for on-line monitoring of polarization mode dispersion in a transmission system | |
| EP2733462B1 (en) | Fiber optic gyroscope with front end polarizer | |
| CN104280217A (zh) | 一种y波导双通道光学性能测量装置 | |
| CN102279444A (zh) | 一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置 | |
| CN104075703B (zh) | 基于高k氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺 | |
| CN104280215B (zh) | 一种y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置 | |
| CN117308909A (zh) | 一种高精度光纤陀螺仪的光路设计方案及其制造方法 | |
| CN108254101A (zh) | 一种偏振干涉式无源光纤温度传感器 | |
| CN108845174A (zh) | 一种差分式全光纤电流互感器 | |
| CN104729494A (zh) | 一种谐振式空芯光子晶体光纤陀螺及应用 | |
| CN101709972B (zh) | 一种基于半导体光放大器的高灵敏度光纤陀螺仪 | |
| CN105424218A (zh) | 一种变压器双光束干涉型测温装置 | |
| CN208333489U (zh) | 一种基于45°倾斜光纤光栅起偏器的开环光纤陀螺 | |
| CN101929861B (zh) | 稳定的固态激光陀螺仪 | |
| US20180267077A1 (en) | Fiber-Optic Accelerometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170405 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |