CN116045954B - 光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺 - Google Patents

光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学陀螺技术领域，尤其涉及一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺。该混合谐振腔包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接。本发明通过采用负温度敏感系数波导和保偏光纤耦合成混合谐振腔，降低了非互易性温度误差，抑制温度引起的偏置误差，提高测量精度。

Description

光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺
技术领域
本发明涉及光学陀螺技术领域，尤其涉及一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺。
背景技术
光学陀螺仪是一种利用光学Sagnac效应来实现角速度测量的传感器，在惯性***中应用广泛。光学陀螺仪主要包括干涉型光学陀螺仪和谐振型光学陀螺仪。干涉型光学陀螺仪以光纤或波导环圈作为其敏感元件，通过检测顺、逆时针光束的相位差测量角速度，对于一个给定直径的光纤环，其理论灵敏度与环圈的长度成正相关。谐振型光学陀螺仪则是以光纤或波导环形谐振腔作为其敏感元件，通过检测顺、逆时针光束的谐振频率差检测角速度。当传感元件所围绕等效面积相同时，与干涉型光学陀螺仪相比，谐振型光学陀螺仪具有更高的检测灵敏度。
在传统谐振型光学陀螺仪中，通常使用高相干性的激光作为光源，用以实现对谐振频率差的高精度检测，高相干光源同时带来了诸多光学寄生效应，如散射效应、反射效应、非线性克尔效应、偏振耦合效应、激光器频率噪声等，这些光学寄生效应对陀螺的精度产生不利的影响，增加了信号处理***的难度和复杂性，不利于谐振型光学陀螺仪的小型化和轻量化实现。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺，以提高光学陀螺的测量精度。
本发明提供一种光学陀螺用混合谐振腔，包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合处为第一耦合点，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合处为第二耦合点，所述第一耦合点和所述第二耦合点之间的光程差大于去相干长度。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述去相干长度
Figure SMS_1
的计算式为：
Figure SMS_2
式中，
Figure SMS_3
为低相干光源的相干长度；
Figure SMS_4
为保偏光纤特征轴折射率差。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述负温度敏感系数波导包括二氧化硅基板、二氧化钛层和氮化硅层，所述二氧化钛层和所述氮化硅层分别设置多层，多层所述二氧化钛层层叠沉积于所述二氧化硅基板上,相邻两层所述二氧化钛层之间设置一层所述氮化硅层。
本发明还提供一种光学陀螺，包括低相干光源、电光调制器和如上任一项所述的光学陀螺用混合谐振腔，所述低相干光源通过第一连接光纤与所述负温度敏感系数波导的第三耦合点耦合连接，所述电光调制器通过第二连接光纤与所述负温度敏感系数波导的第四耦合点耦合连接，所述第三耦合点与第一耦合点之间的光程差、所述第三耦合点与所述第四耦合点之间的光程差、所述第四耦合点和第二耦合点之间的光程差均大于去相干长度。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤还设有环形器，所述环形器与光电探测器连接，所述光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器与所述电光调制器连接。
根据本发明提供的光学陀螺，还包括数据采集卡和显示器，所述数据采集卡与所述锁相放大器连接，用以采集误差信号，所述显示器与所述数据采集卡连接，用以显示测量数据。
根据本发明提供的光学陀螺，还包括反射镜，所述反射镜与所述电光调制器相对设置，用以将所述电光调制器传输的光反射回所述电光调制器。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤、所述第二连接光纤和所述保偏光纤均采用熔融拉锥方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤采用侧面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接，所述保偏光纤采用端面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明提供一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺，包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接，通过采用负温度敏感系数波导和保偏光纤耦合成混合谐振腔，降低了非互易性温度误差，抑制温度引起的偏置误差，提高测量精度。
进一步地，采用低相干光源代替传统激光光源，相同功率条件下，光谱范围更宽，能量分布更分散，显著降低了光学效应产生的噪声，有利于提高测量精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的光学陀螺的结构框式示意图。
图2是本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔中负温度敏感系数波导的纵截面结构示意图。
图3是本发明提供的光学陀螺中第一光纤与负温度敏感系数波导的耦合结构示意图。
图4是本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔中负温度敏感系数波导和保偏光纤的耦合结构示意图。
附图标记：
1、低相干光源；2、环形器；3、混合谐振腔；4、负温度敏感系数波导；5、保偏光纤；6、电光调制器；7、反射镜；8、光电探测器；9、锁相放大器；10、数据采集卡；11、显示器；12、第一耦合点；13、第二耦合点；14、第三耦合点；15、第四耦合点。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1至图4描述本发明的一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺。
本发明提供一种光学陀螺用混合谐振腔，包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合处为第一耦合点，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合处为第二耦合点，所述第一耦合点和所述第二耦合点之间的光程差大于去相干长度。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述去相干长度
Figure SMS_5
的计算式为：
Figure SMS_6
式中，
Figure SMS_7
为低相干光源的相干长度；
Figure SMS_8
为保偏光纤特征轴折射率差。
根据本发明提供的光学陀螺用混合谐振腔，所述负温度敏感系数波导包括二氧化硅基板、二氧化钛层和氮化硅层，所述二氧化钛层和所述氮化硅层分别设置多层，多层所述二氧化钛层层叠沉积于所述二氧化硅基板上,相邻两层所述二氧化钛层之间设置一层所述氮化硅层。可以理解的是，将第一层二氧化钛层沉积于二氧化硅基板上，将第一层氮化硅层沉积于第一层二氧化钛层上侧，将第二层二氧化钛层沉积于第一层氮化硅层上侧，将第二层氮化硅层沉积于第二层二氧化钛层的上侧，依此类推，完成多层二氧化钛层和多层氮化硅层的交替沉积设置。
本发明还提供一种光学陀螺，包括低相干光源1、电光调制器6和如上任一项所述的光学陀螺用混合谐振腔，所述低相干光源1通过第一连接光纤与所述负温度敏感系数波导4的第三耦合点14耦合连接，所述电光调制器6通过第二连接光纤与所述负温度敏感系数波导4的第四耦合点15耦合连接，所述第三耦合点14与第一耦合点12之间的光程差、所述第三耦合14点与所述第四耦合点15之间的光程差、所述第四耦合点15和第二耦合点13之间的光程差均大于去相干长度。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤还设有环形器2，所述环形器与光电探测器8连接，所述光电探测器8与锁相放大器9连接，所述锁相放大器9与所述电光调制器6连接。
根据本发明提供的光学陀螺，还包括数据采集卡10和显示器11，所述数据采集卡10与所述锁相放大器9连接，用以采集误差信号，所述显示器11与所述数据采集卡10连接，用以显示测量数据。
根据本发明提供的光学陀螺，还包括反射镜7，所述反射镜7与所述电光调制器6相对设置，用以将所述电光调制器6传输的光反射回所述电光调制器6。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤、所述第二连接光纤和所述保偏光纤5均采用熔融拉锥方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
根据本发明提供的光学陀螺，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤采用侧面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接，所述保偏光纤采用端面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
下面对设置有混合谐振腔的光学陀螺的工作过程进行详细说明。
低相干光源发出强度为
Figure SMS_9
、光谱归一化分布函数为/>
Figure SMS_10
的低相干光经过环形器进入透射式混合谐振腔，透射式混合谐振腔耦合比为/>
Figure SMS_11
，自由光谱范围为/>
Figure SMS_12
，透射率函数表示为：
Figure SMS_13
其中，
Figure SMS_14
为光频率。
低相干光在透射式混合谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射，顺时针方向谐振腔透射函数为
Figure SMS_15
，表示为：
Figure SMS_16
其中，
Figure SMS_17
为旋转引起的谐振腔顺逆时针谐振频率差，可表示为/>
Figure SMS_18
，其中，/>
Figure SMS_19
为透射式混合谐振腔直径，/>
Figure SMS_20
为旋转角速度，/>
Figure SMS_21
为透射式混合谐振腔折射率，/>
Figure SMS_22
为低相干光源中心波长。
从透射式混合谐振腔出射的低相干光进入电光调制器并由反射镜反射，反射光重新进入透射式混合谐振腔并在混合谐振腔内沿逆时针方向多次传输干涉出射，逆时针方向谐振腔透射函数为
Figure SMS_23
，表示为：
Figure SMS_24
随后出射光经过环形器被光电探测器探测，探测光强表示为：
Figure SMS_25
光电探测器探测到的光强信号输入到锁相放大器内，锁相放大器通过电光调制器施加调制信号
Figure SMS_26
到光路中，此时锁相放大器可解调出与调制信号/>
Figure SMS_27
同频率的误差信号δ，当该装置以一定的角速度Ω旋转时，误差信号发生随之发生变化，从而实现对角速度的测量。
混合谐振腔3的谐振频率随混合谐振腔3的温度变化，如果混合谐振腔在顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不相同，则在光学陀螺输出端产生偏置误差。在传统的相干激光驱动谐振型光学陀螺中，CW和CCW路径是互易的，因此，在固定混合谐振腔中，两个相反方向上的谐振频率保持相同。然而，在具有低相干光源的谐振型光学陀螺中，光在CW路径和CCW路径之间切换，开关时间
Figure SMS_28
内的任何温度变化又使CW和CCW方向上的谐振频率漂移不同产生谐振频率差/>
Figure SMS_29
，这种非互易光路中的温度变化造成陀螺仪输出处的偏置误差。
本发明中的非互易性光程为第三耦合点-第四耦合点-电光调制器-反射镜-电光调制器-第四耦合点，针对非互易性光程，设计了不对称混合谐振腔，如图1所示，混合谐振腔包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，负温度敏感系数波导为第一耦合点-第三耦合点-第四耦合点-第二耦合点（顺时针方向），保偏光纤为第二耦合点-第一耦合点（顺时针方向），第三耦合点和第四耦合点采用锥形光纤和负温度敏感系数波导的如图3所示侧面耦合方式耦合连接，第一耦合点和第二耦合点采用锥形光纤和波导的如图4所示端面耦合方式耦合连接。需要说明的是，本实施例中的锥形光纤是指采用熔融拉锥处理后的光纤。
负温度敏感系数波导为复合结构，如图2所示，二氧化钛（TiO2）层与氮化硅（Si3N4）层逐层沉积在二氧化硅（SiO2）基板上，光刻后形成条形波导，由于二氧化钛热光系数为负，氮化硅热光系数为正，因此形成的负温度敏感系数波导对温度敏感系数低，减小温度引起的光程变化，抑制偏置误差。
为了抑制偏振干涉噪声，设计任意相邻两个耦合点之间的光程差，即第一耦合点和第二耦合点、第一耦合点和第三耦合点、第三耦合点和第四耦合点、第四耦合点和第二耦合点之间的光程差均大于去相干长度
Figure SMS_30
，去相干长度/>
Figure SMS_31
表示为：
Figure SMS_32
其中
Figure SMS_33
为低相干光源的相干长度，/>
Figure SMS_34
为保偏光纤特征轴折射率差。
在抑制偏振干涉噪声的同时，需要温度引起的偏置误差，因此在保证四个耦合点之间的光程差大于去相干长度前提下，在设计时尽可能缩短非互易光路的长度。
由于混合谐振腔除波导部分外为光纤，因此通过调整光纤长度可以方便地进行混合谐振腔的腔长调整，进而调整光学陀螺灵敏度，谐振腔的长度与光学陀螺的极限灵敏度
Figure SMS_35
关系表示为：
Figure SMS_36
其中，c是真空中的光速，L, F和D分别是混合谐振腔的总长度、清晰度以及直径，e是电子电荷量，
Figure SMS_37
是激光波长，RD是光电探测器的响应度，PPD是在光电探测器处的激光功率，τ是积分时间。因此，通过适当加长光纤部分的长度，提高灵敏度，同时增加光纤长度对非互易性温度误差不会产生影响。
本发明提供一种光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺，包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接，通过采用负温度敏感系数波导和保偏光纤耦合成混合谐振腔，降低了非互易性温度误差，抑制温度引起的偏置误差，提高测量精度。
进一步地，采用低相干光源代替传统激光光源，相同功率条件下，光谱范围更宽，能量分布更分散，显著降低了光学效应产生的噪声，有利于提高测量精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光学陀螺用混合谐振腔，其特征在于，包括负温度敏感系数波导和保偏光纤，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合连接，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合连接；
所述负温度敏感系数波导包括二氧化硅基板、二氧化钛层和氮化硅层，所述二氧化钛层和所述氮化硅层分别设置多层，多层所述二氧化钛层层叠沉积于所述二氧化硅基板上,相邻两层所述二氧化钛层之间设置一层所述氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的光学陀螺用混合谐振腔，其特征在于，所述保偏光纤的第一端与所述负温度敏感系数波导的第一端耦合处为第一耦合点，所述保偏光纤的第二端与所述负温度敏感系数波导的第二端耦合处为第二耦合点，所述第一耦合点和所述第二耦合点之间的光程差大于去相干长度。
3.根据权利要求2所述的光学陀螺用混合谐振腔，其特征在于，所述去相干长度
Figure QLYQS_1
的计算式为：
Figure QLYQS_2
式中，
Figure QLYQS_3
为低相干光源的相干长度；
Figure QLYQS_4
为保偏光纤特征轴折射率差。
4.一种光学陀螺，其特征在于，包括低相干光源、电光调制器和如权利要求1至3任一项所述的光学陀螺用混合谐振腔，所述低相干光源通过第一连接光纤与所述负温度敏感系数波导的第三耦合点耦合连接，所述电光调制器通过第二连接光纤与所述负温度敏感系数波导的第四耦合点耦合连接，所述第三耦合点与第一耦合点之间的光程差、所述第三耦合点与所述第四耦合点之间的光程差、所述第四耦合点和第二耦合点之间的光程差均大于去相干长度。
5.根据权利要求4所述的光学陀螺，其特征在于，所述第一连接光纤还设有环形器，所述环形器与光电探测器连接，所述光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器与所述电光调制器连接。
6.根据权利要求5所述的光学陀螺，其特征在于，还包括数据采集卡和显示器，所述数据采集卡与所述锁相放大器连接，用以采集误差信号，所述显示器与所述数据采集卡连接，用以显示测量数据。
7.根据权利要求4所述的光学陀螺，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜与所述电光调制器相对设置，用以将所述电光调制器传输的光反射回所述电光调制器。
8.根据权利要求4所述的光学陀螺，其特征在于，所述第一连接光纤、所述第二连接光纤和所述保偏光纤均采用熔融拉锥方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
9.根据权利要求8所述的光学陀螺，其特征在于，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤采用侧面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接，所述保偏光纤采用端面耦合方式与所述负温度敏感系数波导耦合连接。
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