CN115014318A - 一种空芯微结构光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤陀螺，包括光源、环形器、Y波导、两个可调消偏单元及空芯微结构光纤环圈，可调消偏单元包括1/4波片、反射镜、偏振分束器、可调光纤延迟线及法拉第反射镜，1/4波片及反射镜依次固定在偏振分束器的反射端且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，可调光纤延迟线一端与偏振分束器透射端准直耦合，另一端与法拉第反射镜准直耦合，光源、环形器、Y波导依次连接，Y波导两个尾纤与偏振分束器输入端准直耦合，偏振分束器输出端分别与光纤环圈两个尾纤耦合。本发明提供的陀螺保证了空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定，能够适于陀螺大纤长应用。

Description

一种空芯微结构光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种采用光纤作为传感介质、基于Sagnac效应的角速率光学传感器，广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航***中，成为主流惯性仪表之一。快温变、大磁场、高辐照等恶劣环境下的应用新需求，对光纤陀螺环境适应性提升提出新挑战。传统的光纤陀螺技术框架下，光纤环圈所用实芯光纤的环境敏感属性成为提升光纤陀螺环境适应性的材料限制，导致光纤陀螺环境适应性主动提升手段匮乏，只能以牺牲体积、重量和功耗为代价，***级采取温度控制与补偿、多重屏蔽和密封等被动技术措施加以抑制，削弱了光纤陀螺极端环境下工程应用的优势。

空芯微结构光纤通过包层微结构使光波被高效地束缚在空气纤芯中传输，将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有望根本性地解决光纤陀螺环境适应性主动提升的技术难题。然而空芯微结构光纤应用于光纤陀螺面临若干工程性应用问题，如何有效地抑制偏振相关噪声就是其中之一。光纤陀螺通常采用全保偏光路方案实现偏振相关噪声的高效抑制以满足惯性***高精度应用需求，因此传统实芯保偏光纤是首选传感材料，例如广泛使用的熊猫型保偏光纤。在传统实芯光纤中获得保偏能力可以通过应力双折射和结构双折射，典型的相双折射率（△n）可以达到10^-4量级。然而，空芯微结构光纤双折射的设计难度非常大。首先，空芯微结构光纤是在单一介质材料（通常选用纯二氧化硅材料）上将端面周期结构排列的空气孔沿轴向贯穿整根光纤，它利用包层微结构形成全新导光机制，使光波被高效地束缚在空气纤芯中传输。空芯微结构光纤采用空气作为传输介质，无法借助光弹效应生成应力双折射。另外空芯微结构光纤大多工作在弱导状态下，在弱导状态下，无法有效地形成结构双折射。目前，利用两正交方向上纳米量级的微结构玻璃壁厚度差激发模式反交叉耦合效应实现高双折率时，一方面提升了光纤制备难度，需使空芯周围的玻璃壁在两个垂直方向上的厚度要不同而且取值要合适，厚度差一般需控制在纳米量级。这种极高的光纤结构尺寸差异控制要求，难以在长距离空芯微结构光纤拉制中稳定实现。另一方面会增大传输损耗，光纤陀螺中所用光纤的长度直接决定陀螺的精度水平。空芯微结构光纤难以实现双折射以具备良好的偏振保持能力，则陀螺中的偏振相关噪声无法有效抑制，是其应用于光纤陀螺的一个技术障碍，并且空芯微结构光纤偏振保持能力无法支撑陀螺大纤长应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空芯微结构光纤陀螺，可以根据陀螺用光源去相干长度动态调整消偏单元参数，使传输在空芯微结构光纤环圈中的高偏振光转变为理想的非偏振光（偏振度为0），以规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，确保总有50%的光可返回通过Y波导通光轴，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定，能够适于陀螺大纤长的应用。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种空芯微结构光纤陀螺，其包括光源、环形器、Y波导、两个可调消偏单元及空芯微结构光纤环圈，每个所述可调消偏单元包括1/4波片、反射镜、偏振分束器、可调光纤延迟线及法拉第反射镜，所述1/4波片及反射镜依次固定在偏振分束器的反射端且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，所述可调光纤延迟线一端与偏振分束器的透射端通过透射端光纤准直密封接头准直耦合，另一端与法拉第反射镜准直耦合，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与相应可调消偏单元的偏振分束器输入端通过输入端光纤准直密封接头准直耦合，且输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，两个可调消偏单元的偏振分束器输出端分别与空芯微结构光纤环圈的两个尾纤通过输出端光纤准直密封接头耦合。

进一步，空芯微结构光纤陀螺还包括探测器及处理电路板，探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与处理电路板输入端口连接，处理电路板输出端口与Y波导调制端口连接。

优选的，1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定。

进一步，输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头和透视端光纤准直密封接头均包括尾纤、陶瓷插芯、透镜、金属护套及密封胶圈，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，所述尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯。

优选的，斜面倾斜的角度为8°。

优选的，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤。

优选的，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤。

优选的，光源为窄线宽激光器。

发明的有益效果

本发明提供的一种空芯微结构光纤陀螺，具有如下优点：

1.通过设置两个可调消偏单元，空芯微结构光纤陀螺的偏振光与可调消偏单元的偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光，最终两路光在共同输出端口输出合束，形成两正交偏振轴上等幅值的光波，并且由于可调光纤延迟线可以通过改变光程提供光传输延迟量，从而使两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，进而总体上呈现非偏振光（偏振度为0）效果，可规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定。

2.由于设置可调消偏单元，规避了非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，使得光纤陀螺能够适于陀螺大纤长的应用。

3.由于可调消偏单元一和可调消偏单元二的输出端口分别连接空芯微结构光纤环圈两尾纤，经可调消偏单元进行非偏振光处理后的光波在空芯微结构光纤环圈中相向传播，两束光波返回分别反向通过可调消偏单元二和可调消偏单元一，可调消偏单元内的偏振分束器将每束光波再次分解为两正交偏振光，两正交光偏振光间的光程差再次变大，更加有利于提升消偏效果。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是光纤准直密封接头结构示意图；

图3是空芯微结构光纤结构示意图；

图中：1. 光源，2. 环形器，3. Y波导，4. 输入端光纤准直密封接头，5.反射镜，6.可调消偏单元一，7. 法拉第反射镜，8. 空芯微结构光纤环圈，9. 可调光纤延迟线，10. 透射端光纤准直密封接头，11. 输出端光纤准直密封接头，12. 可调消偏单元二，13. 处理电路板，14. 探测器，15. 偏振分束器，16. 1/4波片，17. 陶瓷插芯，18. 透镜，19. 密封胶圈，20. 金属护套，21. 粘接胶体，22. 尾纤。

具体实施方式

一种空芯微结构光纤陀螺，具体如附图1所示：其包括光源1、环形器2、Y波导3、两个可调消偏单元及空芯微结构光纤环圈8。

每个所述可调消偏单元包括1/4波片16、反射镜5、偏振分束器15、可调光纤延迟线9及法拉第反射镜7，所述1/4波片及反射镜依次固定在偏振分束器的反射端且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，垂直偏振光经1/4波片后经反射镜反射再反射到1/4波片形成平行偏振光，从偏振分束器的输出端透射输出。

可调光纤延迟线一端与偏振分束器的透射端通过透射端光纤准直密封接头10准直耦合，另一端与法拉第反射镜准直耦合。可调光纤延迟线可以通过改变光程提供光传输的延迟量，从而使两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，总体上呈现非偏振光效果。

光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与相应可调消偏单元的偏振分束器输入端通过输入端光纤准直密封接头4准直耦合，且输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，可以使入射光至偏振分束器后，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。光源发出的光进入环形器输入端口，由环形器输出端口输出至Y波导起偏与分束后形成两束光分别进入相应的偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。

两个可调消偏单元的偏振分束器输出端分别与空芯微结构光纤环圈的两个尾纤通过输出端光纤准直密封接头11耦合。经可调消偏单元进行非偏振光处理后的光波在空芯微结构光纤环圈中相向传播，两束光波返回分别反向通过相应的可调消偏单元，可调消偏单元内的偏振分束器将每束光波再次分解为两正交偏振光，两正交光偏振光间的光程差再次变大，更加有利于提升消偏效果。

输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头、透射端光纤准直密封接头可以起到收集并传输光束的作用。

空芯微结构光纤陀螺的消偏原理如下所述：光源发出的光进入环形器输入端口，由环形器输出端口输出至Y波导起偏与分束后形成两束光分别从可调消偏单元一6和可调消偏单元二12的偏振分束器输入端口进入偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光从偏振分束器透射端输出透射光至可调光纤延迟线，然后输出给法拉第反射镜，法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°再反射给可调光纤延迟线，然后输出给偏振分束器，偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；垂直偏振光经过1/4波片后由反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。这两束光在共同输出端口输出合束，形成两正交偏振轴上等幅值的光波，此时透射返回光和反射返回光偏振方向正交其幅值相等，同时它们之间的光程差大于光源的去相干长度，因此可调消偏单元输出端口的光转化为非偏振光。并且可以根据陀螺用光源去相干长度调整光纤延迟线的延迟量，以实现各类光源（宽带ASE光源、窄线宽激光器等）经Y波导起偏后高偏振光的完全非偏振化处理，特别是可支撑在干涉型陀螺中窄线宽激光器与空芯微结构光纤的结合，有助于突破光纤陀螺标度因数稳定性提升技术短板，规避了非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，保证总有50%的光可返回通过Y波导的通光轴，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比的稳定性，使光纤陀螺不再受限于长距离空芯微结构光纤的偏振保持能力。

同时由于设置可调消偏单元，规避了非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，使得光纤陀螺能够适于陀螺大纤长的应用。

并且由于可调消偏单元一和可调消偏单元二的输出端口分别连接空芯微结构光纤环圈两尾纤，经可调消偏单元进行非偏振光处理后的光波在空芯微结构光纤环圈中相向传播，两束光波返回分别反向通过可调消偏单元二和可调消偏单元一，光波反向通过可调消偏单元时，可调消偏单元内的偏振分束器将每束光波再次分解为两正交偏振光，两正交光偏振光间的光程差再次变大，更加有利于提升消偏效果。

进一步，空芯微结构光纤陀螺还包括探测器14及处理电路板13，探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与处理电路板输入端口连接，处理电路板输出端口与Y波导调制端口连接。

经非偏振光处理后的光波沿可调消偏单元返回，在可调消偏单元原输入端口输出时，由于保偏尾纤的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，则光波被等分在Y波导保偏尾纤的慢轴与快轴中，两束相向传输的光波最终抵达Y波导处汇合，通过Y波导中的起偏器时有50%的光波可被保留，并发生干涉，两束光之间的相位差正比于旋转角速度。两束光干涉光强传递至环形器输出端口，可以再由环形器探测端口传输给探测器进行光电转换，电信号由处理电路板处理后即可以获得陀螺的旋转角速度信息。

优选的，1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定，方便可调光圈、1/4波片及反射镜与偏振分束器之间的固定安装。

进一步，输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头和透视端光纤准直密封接头均包括尾纤22、陶瓷插芯17、透镜18、金属护套20及密封胶圈19，具体如附图2所示，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，陶瓷插芯前端面为斜面，透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，可以抑制端面反射形成回返光。所述尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯，尾纤外表面与陶瓷插芯内孔之间可以涂覆粘接胶体21加固连接。

优选的，斜面倾斜的角度为8°，可以更好的抑制端面反射形成回返光。

优选的，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤，方便与Y波导尾纤类型匹配。

优选的，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤，方便与陀螺环圈光纤类型匹配，空芯微结构光纤可以是空芯反谐振光纤、空芯光子晶体光纤，也可以是其他类型的空芯微结构光纤，具体结构可参见附图3。

优选的，光源为窄线宽激光器。

综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤陀螺，不依赖于空芯微结构光纤偏振保持能力，空芯微结构光纤环圈与Y波导两尾纤端口之间分别配备相应的可调消偏单元，将空芯光纤环圈内传输的高偏振光完全转变为理想的非偏振光，总能保证50%的光可返回通过Y波导通光轴最终抵达探测器供陀螺信号解调，解决了非保偏空芯微结构光纤中的光波易受环境影响产生偏振态变化导致陀螺相向传输的两路干涉光信号波动、衰落甚至相消的问题。该空芯微结构光纤陀螺适用于任何类型的空芯微结构光纤，例如空芯反谐振光纤、空芯光子带隙光纤等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，光纤陀螺包括光源、环形器、Y波导、两个可调消偏单元及空芯微结构光纤环圈，每个所述可调消偏单元包括1/4波片、反射镜、偏振分束器、可调光纤延迟线及法拉第反射镜，所述1/4波片及反射镜依次固定在偏振分束器的反射端且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，所述可调光纤延迟线一端与偏振分束器的透射端通过透射端光纤准直密封接头准直耦合，另一端与法拉第反射镜准直耦合，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与相应可调消偏单元的偏振分束器输入端通过输入端光纤准直密封接头准直耦合，且输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，两个可调消偏单元的偏振分束器输出端分别与空芯微结构光纤环圈的两个尾纤通过输出端光纤准直密封接头耦合。

2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，光纤陀螺还包括探测器及处理电路板，探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与处理电路板输入端口连接，处理电路板输出端口与Y波导调制端口连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定。

4.根据权利要求1或2所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头和透视端光纤准直密封接头均包括尾纤、陶瓷插芯、透镜、金属护套及密封胶圈，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，所述尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯。

5.根据权利要求4所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述斜面倾斜的角度为8°。

6.根据权利要求1或2所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤。

7.根据权利要求1或2所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤。

8.根据权利要求1或2所述的一种空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述光源为窄线宽激光器。

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