一种低偏振误差的闭环光纤陀螺光路结构

摘要

一种低偏振误差的闭环光纤陀螺光路结构，包括光源、光纤耦合器、Y波导集成光学器件、保偏光纤线圈和探测器，光源发出的光依次经光纤耦合器、Y波导集成光学器件后到达保偏光纤线圈，而后反向到达Y波导集成光学器件后发生干涉，最后经过光纤耦合器后到达探测器，为了降低偏振误差，在光源和光纤耦合器之间，以及探测器和光纤耦合器之间均连接有偏振器。本发明的光路结构具有偏振误差低的特点，可以将振幅型偏振误差降低至原有的1/5，强度型偏振误差降低至原有的1/31，较大程度上提高了光路的偏振性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光路结构，特别是一种闭环光纤陀螺的光路结构。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的惯性器件，其组成结构中无运动部件，具有体积小、功耗低、启动快、动态范围大、精度覆盖面广、寿命长、可靠性高、批量成本低等优点。光纤陀螺有开环和闭环两大方案，闭环光纤陀螺由于具有标度因数非线性小和精度高的优点，因而应用更为广泛。闭环光纤陀螺的典型光路如图1所示，图中1为光源、2为光纤耦合器、3为Y波导集成光学器件、4为保偏光纤线圈、5为探测器，前述五个光电子器件都是带有光纤尾纤的器件，器件之间通过光纤熔接来实现光路连接。光纤的熔接会产生保偏光纤的对轴角误差，同时光路中其他的偏振交叉耦合也会产生偏振误差，与Y波导集成光学器件振幅抑制比成正比的为振幅型偏振误差，与Y波导集成光学器件的强度消光比成正比的为强度型偏振误差。其中振幅型误差可表示为：

${\phi }_e=\sqrt{\frac{1-d}{1+d}}·ϵ·\sqrt{h{L}_d}---\left(1\right)$

其中d表示输入到Y波导集成光学器件的光波偏振度，ε表示Y波导集成光学器件的振幅抑制比，h表示保偏光纤线圈的偏振保持参数，L_d表示光源相关的去相干长度。强度型误差表示为：

${\sigma }_{{\phi }_c}={ϵ}^2\mathrm{hL}/\sqrt{N}---\left(2\right)$

其中L表示保偏光纤线圈的光纤长度，N表示保偏光纤线圈所包含的去相干长度个数，且有关系式：

N＝L/L_d   (3)

对于精度优于0.001°/h的光纤陀螺，选取典型参数L＝4000m，h＝10^-5/m，L_d＝3cm，d＝0.01，ε＝10^-2.75，则振幅型偏振误差为9.6×10^-7rad，强度型偏振误差为8.9×10^-10rad。

hL表示整个线圈的偏振保持，由于保偏光纤线圈和Y波导集成光学器件之间(图1中的341和342)，Y波导集成光学器件的芯片和尾纤之间都存在偏振主轴对不准的情况，典型误差为0.5～1.5°；Y波导尾纤和保偏线圈尾纤在半径2cm弯曲时，在温度和力学条件下的偏振保持性能会降低1～2个数量级，因此实际的强度型误差大于式(2)所示的值，即可达到10^-7rad。

除了偏振误差，光源的相对强度噪声也是限制精度的因素，光源相对强度噪声表示为

$\frac{{\sigma }_{\mathrm{\Delta \phi }}}{\sqrt{\Delta f_{\mathrm{bw}}}}=\frac{1+{\cos \phi }_b}{\sin {\phi }_b}\sqrt{\frac{{\lambda }^2}{\mathrm{c\Delta \lambda }}}---\left(4\right)$

取光源平均波长λ＝1550nm，谱宽Δλ＝8nm，相位偏置到7π/8时，可以得到相对强度噪声大小为1.6×10^-7rad/Hz^1/2，采用相对强度噪声抑制技术可以将相对强度噪声抑制50％。

另外，根据前述可以看出振幅型偏振误差大于光源的相对强度噪声，而强度型偏振误差接近相对强度噪声的大小，总的误差为单个误差的平方和的平方根，因此强度型偏振误差和振幅型偏振误差均需要进行抑制。为此，1993年出版的《Fiber optic gyroscope》提到了在探测器前面增加一个偏振器可以进一步抑制强度型偏振误差，但文中并没有详细说明如何使用偏振器及对偏振器的要求。此外，目前也没有其他公开文献报道提及如何进一步抑制偏振误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可减小偏振误差的闭环光纤陀螺光路结构。

本发明的技术解决方案是：一种低偏振误差的闭环光纤陀螺光路结构，包括光源、光纤耦合器、Y波导集成光学器件、保偏光纤线圈和探测器，光源发出的光依次经光纤耦合器、Y波导集成光学器件后到达保偏光纤线圈，而后反向到达Y波导集成光学器件后发生干涉，最后经过光纤耦合器后到达探测器，在光源和光纤耦合器之间连接有第一偏振器，探测器和光纤耦合器之间连接有第二偏振器，第一偏振器的振幅抑制比应满足$\sqrt{\frac{1-[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}{1+[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}}ϵ\sqrt{{\mathrm{hL}}_d}<\frac{1+{\cos \phi }_b}{\sin {\phi }_b}\sqrt{\frac{{\lambda }^2}{\mathrm{c\Delta \lambda }}},$第二偏振器的振幅抑制比应满足${ϵ}_{p2}{ϵ}^2\mathrm{hL}/\sqrt{N}<\frac{1+{\cos \phi }_b}{\sqrt{6}\sin {\phi }_b}\sqrt{\frac{{\lambda }^2}{\mathrm{c\Delta \lambda }}},$其中ε_p1为第一偏振器的振幅抑制比，ε_p2为第二偏振器的振幅抑制比，ε表示Y波导集成光学器件的振幅抑制比，h表示保偏光纤线圈的偏振保持参数，L_d表示与光源相关的光纤去相干长度，φ_b为相位偏置，λ为光源的平均波长，Δλ为光源的谱宽，c为真空中的光速，L为保偏光纤线圈中光纤的长度，N＝L/L_d。

所述的Y波导集成光学器件和保偏光纤线圈之间直接耦合。

所述的光纤耦合器为保偏光纤耦合器，其尾纤直接用作Y波导集成光学器件的尾纤。

所述的光源的偏振度小于5％或大于80％，在偏振度大于80％时，光源和第一偏振器需要对轴熔接，使通过第一偏振器的功率最大。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的低偏振误差的光纤陀螺光路结构，通过在在光源和光纤耦合器之间，以及探测器和光纤耦合器之间均连接有偏振器，可以将现有光纤陀螺光路的振幅型偏振误差降低至几分之一，将现有光纤陀螺光路的强度型偏振误差降低至少一个数量级，提高了光纤陀螺的光路性能；

(2)本发明光路结构中，光纤线圈的两端直接耦合到Y波导集成光学器件的芯片，避免了Y波导集成光学器件尾纤和线圈之间的熔接角误差，减小了偏振误差；

(3)本发明光路结构中，光纤耦合器采用保偏光纤耦合器，且将光纤耦合器的尾纤直接用于Y波导集成光学器件的尾纤，避免了Y波导集成光学器件尾纤和光纤耦合器之间的熔接角误差，减小了偏振误差；

(4)本发明光路中，光源可以采用偏振度接近于零的掺铒光纤光源等低偏振光源或偏振度高达100％的偏振光源，适用性强，易于实现。

附图说明

图1为典型的光纤陀螺光路结构示意图；

图2为本发明光纤陀螺光路的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明光纤陀螺光路的结构，包括光源1、光纤耦合器2、Y波导集成光学器件3、保偏光纤线圈4和探测器5，光源1发出的光依次经光纤耦合器2、Y波导集成光学器件3后到达保偏光纤线圈4，而后反向到达Y波导集成光学器件3后发生干涉，最后经过光纤耦合器2后到达探测器5，Y波导集成光学器件3和保偏光纤线圈4之间直接耦合，为了减小偏振误差，在光源1和光纤耦合器2之间设置有偏振器61，探测器5和光纤耦合器2之间均设置有偏振器62。

当加入偏振器61后，本光路结构可以使陀螺的振幅型偏振误差减小为

${\phi }_e=\sqrt{\frac{1-[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}{1+[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}}ϵ\sqrt{{\mathrm{hL}}_d}---\left(5\right)$

其中ε_p1为光源1和光纤耦合器2之间的偏振器61的振幅抑制比，

当加入偏振器62后，本光路结构可以使陀螺的强度型偏振误差减小为

${\sigma }_{{\phi }_c}={ϵ}_{p2}{ϵ}^2\mathrm{hL}/\sqrt{N}---\left(6\right)$

其中ε_p2为探测器5和光纤耦合器2之间的偏振器62的振幅抑制比。

一般，在实际应用时，偏振器61和偏振器62的振幅抑制比须满足偏振误差平方和对总误差平方和的贡献应小于10％，即振幅型和强度型偏振误差均应小于相对强度噪声的如果抑制后振幅型偏振误差和强度型偏振误差大小相等，则用于光源1后面的偏振器61的振幅抑制比应满足

$\sqrt{\frac{1-[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}{1+[(1-{ϵ}_{p1}^2)/(1+{ϵ}_{p1}^2)]}}ϵ\sqrt{{\mathrm{hL}}_d}<\frac{1+{\cos \phi }_b}{\sqrt{6}\sin {\phi }_b}\sqrt{\frac{{\lambda }^2}{\mathrm{c\Delta \lambda }}}---\left(7\right)$

用于探测器5前面的偏振器62的振幅抑制比应满足

${ϵ}_{p2}{ϵ}^2\mathrm{hL}/\sqrt{N}<\frac{1+{\cos \phi }_b}{\sqrt{6}\sin {\phi }_b}\sqrt{\frac{{\lambda }^2}{\mathrm{c\Delta \lambda }}}---\left(8\right)$

以上两式中，ε表示Y波导集成光学器件3的振幅抑制比，h表示保偏光纤线圈4的偏振保持参数，L_d表示与光源1相关的光纤去相干长度，φ_b为相位偏置，λ为光源1的平均波长，Δλ为光源1的谱宽，c为真空中的光速，L为保偏光纤线圈4中光纤的长度，N＝L/L_d。

本发明的光纤陀螺光路，光源1的偏振度应小于5％或大于80％，以充分利用光源发出的功率。在偏振度大于80％时，光源1和第一偏振器61需要对轴熔接，使通过第一偏振器61的功率最大。因此，为了简化工艺，选择注入电流100mA时功率9mW，偏振度2％的掺铒光纤光源，可以不用在光源和偏振器之间对轴熔接，且有利于降低其他噪声。第一偏振器61和第二偏振器62均采用光纤偏振器，消光比为35dB，光纤耦合器2采用保偏光纤耦合器，消光比为20dB，分光比优于47/53，将偏振器对光源的偏振滤波后的光波输入到Y波导集成光学器件3，Y波导集成光学器件3采用基于LiNO₃基片的质子交换芯片，芯片的消光比高于55dB，有利于实现低偏振误差，芯片的分光比优于为45/55，以获得尽可能大的返回信号；保偏光纤线圈4采用熊猫型保偏光纤，并在绕制时将绕制张力降低至5g以下，以获得应力小而偏振保持性能好的线圈；探测器5采用牌号为PFTM912的光电探测器，内部带有跨导放大器，输入端有尾纤。

在第一偏振器61、第二偏振器62和光纤耦合器2进行熔接时，保证熔接后的强度交叉耦合优于35dB。

在将光纤线圈4、光纤耦合器2的尾纤和Y波导集成光学器件3的芯片进行耦合时，采用光相干域偏振计测量角度对准情况，保证芯片与光纤线圈尾纤以及光纤耦合器尾纤熔接时的对轴时的角误差为0.5°，局部的强度交叉耦合优于-40dB。

当第一偏振器61和第二偏振器62的强度消光比为35dB时，即ε_p1＝ε_p2＝10^-1.75，两个偏振器和光纤耦合器2间的熔接点的强度消光比也为35dB。输入到Y波导集成光学器件3的光波偏振度d提高为振幅型偏振误差降低为1.8×10^-8rad，强度型偏振误差降低为1.8×10^-9rad，均低于相对强度噪声的

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。