窄线宽惯导级闭环光子晶体光纤陀螺及窄线宽激光器

摘要

本发明公开的一种导航级干涉式闭环光子晶体光纤陀螺，其方案集成气室稳频技术，形成平均波长稳定的小型化窄线宽激光器(21)，此外通过优化窄线宽激光器(21)的线宽达到抑制相干背向散射、背向反射、非线性克尔效应及偏振误差导致的负面影响，最后通过采用结构及材料优化的空芯光子晶体光纤(50)绕制空芯光子晶体光纤环(24)，有效抑制闭环光纤陀螺(10)的环境敏感度，实现标度因数稳定性、零偏稳定性及其环境适应性同时达到机载惯导系统要求，此外这种闭环光纤陀螺(10)方案能够满足机载惯导系统对闭环光纤陀螺体积、成本及重量的要求，从而能够真正配套于机载惯导系统中。

说明书

技术领域

本发明属于机载导航级闭环光纤陀螺技术，具体涉及一种标度因数稳定性、零偏稳定性及其环境适应性同时达到机载惯导系统要求的导航级干涉式闭环光子晶体光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺仪作为新一代陀螺仪的代表，其大动态作战要求及复杂环境的适应性水平的提升，对于战略航空武器平台及航空武器的发展具有重大意义。具体来说，大动态光纤陀螺仪的要求，实际上就是指：高性能的光纤陀螺仪产品，不但应在静止时具备稳定且低噪的零位偏置，而且应在整个动态范围内同时具备良好的精度。在机载惯性导航系统中，重点关注外界旋转角速率积分导致的旋转角度变化，并不是简单地关注当前的旋转角速率，所以任何过去的旋转角速率测量误差，将影响到之后的信息准确性。机载惯性导航系统的这种工作特性，暗含着光纤陀螺应在各种外界旋转角速率条件下，均能够保持精确测量的稳定功能。综上所述，如果将光纤陀螺应用在机载惯导系统中，在不断提升光纤陀螺静态精度的基础上，还应将不断提升其标度因数性能作为重要一环。

经过前期努力，光纤陀螺仪的零偏稳定性及其环境适应性已逐渐满足机载惯导系统要求，即各种应用环境条件下的零偏稳定性由于0.01°/h，但是根据机载惯导系统的环境指标要求，光纤陀螺仪在各种恶劣工作环境中的标度因数稳定性指标均应低于5ppm量级，但是经过不断优化的光纤陀螺仪的标度因数稳定性也仅达到20ppm量级，这将是影响闭环光纤陀螺产品真正实现配套机载惯导系统最为棘手的、也是必须解决的难题。

科研工程专家针对适用于机载惯导系统的闭环光纤陀螺开展过大量理论研究及工程实践，闭环光纤陀螺专家定义的标度因数定量关系如下：

$>K=\frac{2\pi LD}{\lambda c}\frac{V_{\pi }}{\pi }\frac{2^N}{V_{PP}}{2}^M$>

由上述分析能够发现，闭环光纤陀螺的标度因数取决于光纤敏感环路的长度L及其平均直径D、宽谱光信号的平均波长λ、集成光学调制器的半波电压V_π、以及DA满量程时对应的调制电压V_PP等参数。

首先关注V_π、V_PP两个参量对标度因数稳定性的影响。当国外在上世纪80年代末期的全数字闭环方案的提出之后，根据光纤陀螺调制深度的不同，在整个阶梯波上升及下降周期内，光纤陀螺的平均输出标度因数与集成光学调制器的半波电压V_π、DA满量程时对应的调制电压V_PP变化量的二次方或三次方成正比，电路调制解调对于标度因数稳定性的影响已经抑制到足够低。这篇专利引用全数字闭环方案。

接着关注L、D两个参量对标度因数稳定性的影响。由于光纤敏感环路的长度与平均直径的全温变化，主要取决于材料参数的选择优化，使用高线性热膨胀系数的内外涂层及绕环胶材料，使得光纤包层熔融石英部分被拖拽着产生周向应变，形成～5ppm/℃的光纤环长度变化，使整个光纤环的顶面、底面的表面积产生变化，而光纤环的平均直径则由于光纤环的内层与外层的变化趋势相反，有可能产生较小的变化量，但是其乘积仍然呈现准线性的变化趋势。解决这两个参数的影响，应选用线性热膨胀系数较小的内、外涂覆层及绕环胶材料降低尺寸变化温敏性；可以采用非敏感光纤取代敏感光纤温敏系数较大的部分，降低光纤环尺寸对温度的敏感性；可以采用本征频率跟踪使标度因数稳定性与光纤环长度关系脱敏，仅针对光纤环平均直径的变化优化材料及几何参数，当然采用此种方案使得标度因数稳定性与绕环光纤有效折射率建立相关性，还需同时采用双斜波调制方案使标度因数稳定性与光纤有效折射率脱敏，以上几种方案需要工程人员对材料特性做到精确掌握，工程难度及工程量非常大。比较简单的工程方案是以对光纤环进行精密温控，使光纤环在全工作周期内尺寸不发生变化，使光纤敏感环路的长度与平均直径对光纤陀螺标度因数稳定性影响抑制到足够低。这篇专利引用光纤环精密温控方案。

最后关注λ参量对标度因数稳定性的影响。针对机载惯导系统对闭环光纤陀螺的标度因数稳定性指标分解，要求到达光电探测器光敏面上的平均波长稳定性达到1ppm量级之内，就需要光源信号的平均波长稳定性达到0.1ppm量级。上世纪80年代末，国内外普遍采用对超辐射发光二极管宽谱光信号进行温控及驱动电流控制，使宽谱光信号的平均波长稳定在100ppm量级。上世纪90年代初期转向研究可替代的稀土掺杂光纤宽谱光源，此种光源能够提供更稳定的平均波长，光路方案采用980nm/1480nm的泵浦二极管激光器激发掺铒光纤，出射平均波长接近1550nm的ASE宽谱光信号，输出的宽谱光信号的平均波长稳定性达到20ppm，但是上述方案优化的宽谱光信号的平均波长稳定性还不能达到机载惯导系统要求。为使到达光电探测器的宽谱光信号平均波长稳定性的影响降低至0.1ppm量级之内，国内外工程人员针对掺铒光纤光源的泵浦波长、泵浦功率、泵浦偏振度、铒纤长度进行优化选择，必要时采用铒纤温度控制及光纤陀螺反向光信号的抑制方案；在光电探测器前端通过Bragg反馈光栅对原始光谱进行窄谱滤波，这将使宽谱光源的平均波长稳定性以原始谱宽及滤波谱宽比值平方的量级提升。但是以上的工艺优化，仍然不能使到达光敏面上的平均波长稳定性的影响降至1ppm，所以需要对平均波长进行直接跟踪反馈与控制。国外针对这方面的工程化公开文献较少，但是从获知的信息来看，要想控制宽谱光源的平均波长，都需要一个非常稳定的波长参考系统作为参考源。从公开的文献看，Honeywell公司通过将¹²C₂H₂气室稳频的1GHz线宽DFB绝对波长参考、中心波长1531nm窄带WDM进行平均波长偏移探测、四象限光电探测器及其检测电路、和/差及平均波长运算及反馈电路进行平均波长偏移量解算及反馈等方式结合起来，在1h测试时长内实现变温平均波长稳定性的标准差低于4ppm量级的工程化样机，而Draper实验室采用相似原理及更为复杂的试验方案，在60000s的测试时长内实现变温平均波长稳定性性能低于1ppm量级的实验室原理样机，但是上述方案的复杂程度极高，机载惯导系统对闭环光纤陀螺的体积、成本及重量要求较高，所以即使方案成功，最终装配至闭环光纤陀螺产品中的可能性不大。二十一世纪，Stanford针对宽谱光信号平均波长稳定性难以抑制的工程问题，尝试采用窄线宽激光器作为传统光纤陀螺的信号输入源，希望此项对光纤陀螺标度因数稳定度的影响降至1ppm之内，但是窄线宽激光器的平均波长稳定性仍然具有较大的温度漂移现象，所以预期的标度因数稳定性指标仍很难达到机载惯导系统的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种窄线宽干涉式闭环光子晶体光纤陀螺的设计及制造方法，通过这种方法能够使闭环光纤陀螺在各种外界环境激励下，其标度因数稳定性、零偏稳定性同时满足机载惯导系统要求。

本发明的技术方案：一种窄线宽激光器21，其包括分布式反馈激光器41、第一光纤分束器42、第二光纤分束器43、扩束准直透镜44、气室45、聚焦透镜46、第一光电探测器组件47、第二光电探测器组件48、微处理器49，其中，分布式反馈激光器41的输出尾纤与第一光纤分束器42的输入尾纤熔接，第一光纤分束器42的输出尾纤分别与第二光纤分束器43的输入尾纤及第二光电探测器组件48的输入尾纤熔接，第二光纤分束器43的输出尾纤通过扩束准直透镜44与气室45的对轴，气室45后端通过聚焦透镜46与第一光电探测器组件47的光敏面中心区域或者第一光电探测器组件47输入尾纤的纤芯对准，第一光电探测器组件47、第二光电探测器组件48均连接到微处理器49，同时微处理器49与分布式反馈激光器41相互连接。

分布式反馈激光器41的平均波长为1525～1575nm，其线宽不能低于300MHz。

气室45内放置气体的吸收峰与分布式反馈激光器41的平均波长一致。

所述分布式反馈激光器41、第一光纤分束器42、第二光纤分束器43、扩束准直透镜44、气室45、聚焦透镜46、第一光电探测器组件47、第二光电探测器组件48、微处理器49封装在壳体内构成窄线宽激光器21。

一种窄线宽惯导级闭环光子晶体光纤陀螺，其包括光纤耦合器22、集成光学调制器23、空芯光子晶体光纤环24、光电探测器组件25、闭环光纤陀螺电路部分30以及所述的窄线宽激光器21，窄线宽激光器21、光纤耦合器22、集成光学调制器23、空芯光子晶体光纤环24以熔接的方式连接成闭环光纤陀螺光路部分20，且光纤耦合器22与光电探测器组件25熔接，同时光电探测器组件25和集成光学调制器23分别连接闭环光纤陀螺电路部分30的输入和输出上。

窄线宽激光器21与光纤耦合器22以及集成光学调制器23与微型光纤环24之间的光纤上设置有偏振控制器件26。

偏振控制器件26输出尾纤与空芯光子晶体光纤环24输入尾纤熔接时，应通过连续小电流、短时间间隔电弧放电的方法或者采用模场直径匹配的过渡光纤进行熔接。

本发明的有益效果：通过本发明公开的一种窄线宽干涉式闭环光子晶体光纤陀螺的设计及制造方法，通过这种方法能够使闭环光纤陀螺在温场、磁场、振动场等各种外界环境激励下，零偏稳定性降低至0.01°/h量级之内，标度因数稳定性降低至1ppm量级之内，从而使零偏稳定性、标度因数稳定性同时满足机载惯导系统要求，同时能够满足机载惯导系统对闭环光纤陀螺体积、成本及重量的要求，使闭环光纤陀螺能够真正应用于机载惯导系统中。

附图说明

图1为采用窄线宽激光器、空芯光子晶体光纤环的干涉式闭环光纤陀螺原理及组成框图。

图2为窄线宽激光器内部组成框图。

图3为绕制空芯光子晶体光纤环采用的空芯光子晶体光纤端面设计图。

其中，10-闭环光纤陀螺、20-闭环光纤陀螺光路部分、30-闭环光纤陀螺电路部分、21-窄线宽激光器、22-光纤耦合器、23-集成光学调制器、24-空芯光子晶体光纤环、25-光电探测器组件、26-偏振控制器件、31-光信号探测及光电转换模拟电路、32-电信号量化、调制解调及数字解算输出电路、33-数字反馈产生及施加模拟电路；41-分布式反馈激光器、42-第一光纤分束器、43-第二光纤分束器、44-扩束准直透镜、45-气室、46-聚焦透镜、47-第一光电探测器组件、48-第二光电探测器组件、49-微处理器；50-空芯光子晶体光纤、51-空芯光子晶体光纤空气纤芯、52-空芯光子晶体光纤平行空气孔阵列、53-空芯光子晶体光纤包层、54-空芯光子晶体光纤涂覆层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图1，本发明窄线宽惯导级闭环光子晶体光纤陀螺包括光纤耦合器22、集成光学调制器23、空芯光子晶体光纤环24、光电探测器组件25、闭环光纤陀螺电路部分30以及窄线宽激光器21，其中，窄线宽激光器21、光纤耦合器22、集成光学调制器23、空芯光子晶体光纤环24以熔接的方式连接成闭环光纤陀螺光路部分20，且光纤耦合器22与光电探测器组件25熔接，同时光电探测器组件25和集成光学调制器23分别连接闭环光纤陀螺电路部分30的输入和输出上。

另外，窄线宽激光器21与光纤耦合器22以及集成光学调制器23与空芯光子晶体光纤环24之间的光纤上设置有偏振控制器件26。

请参阅图2，本发明窄线宽激光器21包括分布式反馈激光器41、第一光纤分束器42、第二光纤分束器43、扩束准直透镜44、气室45、聚焦透镜46、第一光电探测器组件47、第二光电探测器组件48、微处理器49。其中，分布式反馈激光器41的输出尾纤与第一光纤分束器42的输入尾纤熔接，第一光纤分束器42的输出尾纤分别与第二光纤分束器43的输入尾纤及第二光电探测器组件48的输入尾纤熔接，第二光纤分束器43的输出尾纤通过扩束准直透镜44与气室45对轴，气室45后端通过聚焦透镜46与第一光电探测器组件47的光敏面中心区域或者第一光电探测器组件47输入尾纤的纤芯对准，第一光电探测器组件47、第二光电探测器组件48均连接到微处理器49，同时微处理器49与分布式反馈激光器41相互连接。

本发明窄线宽惯导级干涉式闭环光子晶体光纤陀螺，通过气室稳频技术，形成平均波长稳定的小型化窄线宽激光器21，此外通过采用结构及材料优化的空芯光子晶体光纤50绕制空芯光子晶体光纤环24，有效抑制闭环光纤陀螺10的环境场敏感度，最后通过优化窄线宽激光器21的线宽达到抑制相干背向散射、背向反射、非线性克尔效应及偏振误差导致的负面影响，实现零偏稳定性、标度因数稳定性及其环境适应性同时达到机载惯导系统要求。

本发明窄线宽惯导级闭环光子晶体光纤陀螺实际装配制造过程如下：

步骤1：制作平均波长稳定的窄线宽激光器21作为闭环光纤陀螺光路部分20的信号输入源。窄线宽激光器21选用平均波长为1525～1575nm的分布式反馈激光器41，其线宽不能低于300MHz。将分布式反馈激光器41的输出尾纤与第一光纤分束器42的输入尾纤熔接，将第一光纤分束器42的输出尾纤分别与第二光纤分束器43的输入尾纤及第二光电探测器组件48的输入尾纤熔接，将第二光纤分束器43的输出尾纤通过扩束准直透镜44与气室45对轴，气室45后端通过聚焦透镜46与第一光电探测器组件47的光敏面中心区域或者第一光电探测器组件47输入尾纤的纤芯对准。分布式反馈激光器41输出的窄线宽光信号经过第一光纤分束器42，超过一半的光功率前向传输至第二光纤分束器43，剩余光功率被第二光电探测器组件48接收、通过微处理器49处理实时反馈调整驱动电流，用于稳定分布式反馈激光器41的光功率输出；经过第二光纤分束器43的光信号，超过一半的光功率直接输出，剩余光功率通过长度厘米量级的C₂H₂的气室45，C₂H₂气体吸收峰稳定在1525～1575nm且不随外界环境输入变化，线宽约1GHz，当分布式反馈激光器41的线宽远远小于气体吸收峰的线宽时，气室45输出光信号平均波长将稳定在1525～1575nm范围内且不随外界环境输入变化，同时微处理器49通过温度传感器实时测量分布式反馈激光器41的环境温度，实时调整温控电流调整发光芯片温度，用于稳定分布式反馈激光器41的光功率及平均波长输出。将上述各器件封装在一块长方体壳体内作为闭环光纤陀螺10的信号输入源，闭环光纤陀螺10的标度因数稳定性有望降低至1ppm之内，同时优选线宽的窄线宽激光器21能够抑制相干背向散射、背向反射、非线性克尔效应及偏振误差导致的负面影响，零偏稳定性到达0.01°/h之内。

步骤2：采用结构及材料参数经过优化的空芯光子晶体光纤50及其匹配绕制用胶，按照特定对称的方案绕制空芯光子晶体光纤环24，绕制过程中注意控制绕制张力最大值及波动绝对值，绕制完成后可以通过紫外光辐射或者阶梯温度设置进行固化。采用结构及材料参数经过优化的空芯光子晶体光纤50能够有效抑制闭环光纤陀螺10的环境敏感度，温变场、电磁场及振动场等环境场的激励下，其零偏稳定性到达0.01°/h之内。

步骤3：将步骤1、步骤2中制作的窄线宽激光器21、空芯光子晶体光纤环24以及其它通用光电、光学无源器件按照一定顺序相互连接组成闭环光纤陀螺光路部分20。具体来说窄线宽激光器21的输出尾纤与偏振控制器件26输入尾纤熔接、偏振控制器件26输出尾纤与光纤耦合器22的第一端输入尾纤进行熔接、光纤耦合器22的第一端输出尾纤与集成光学调制器23的输入尾纤进行熔接、集成光学调制器23的两根输出尾纤分别与另两只偏振控制器件22的输入尾纤进行熔接，另两只偏振控制器件22的输出尾纤分别与空芯光子晶体光纤环24的两端输入尾纤进行熔接、光纤耦合器22的第二端输入尾纤与光电探测器组件25的输入尾纤进行熔接，形成闭环光纤陀螺光路部分20。熔接过程通过普通光纤熔接机按照设定程序进行，注意偏振控制器件26输出尾纤与空芯光子晶体光纤环24输入尾纤熔接时，应通过连续小电流、短时间间隔电弧放电或者采用模场直径匹配的过渡光纤进行熔接。将闭环光纤陀螺光路部分20与闭环光纤陀螺电路部分30结合，最终组成闭环光纤陀螺10。该种闭环光纤陀螺10能够实现零偏稳定性、标度因数稳定性及其环境适应性同时达到机载惯导系统要求。

本发明窄线宽惯导级闭环光子晶体光纤陀螺的窄线宽激光器选用平均波长为1525～1575nm的分布式反馈激光器21，在闭环光纤陀螺的整个工作温度范围内，平均波长变化量不大于0.15pm，本身较过去采用的自发辐射放大宽谱光源，已经具有相对较好的平均波长稳定性。通过优选气体做成的气室进行吸收稳频，能够使分布式反馈激光器21的平均波长稳定性有更大水平地提升。采用该方案的闭环光纤陀螺10的标度因数稳定性有望降低至1ppm量级之内。

另外，空芯光子晶体光纤50由空芯光子晶体光纤空气纤芯51、空芯光子晶体光纤平行空气孔阵列52、空芯光子晶体光纤包层53、空芯光子晶体光纤涂覆层54四部分组成，通过特定对称绕制方式，使空芯光子晶体光纤50形成闭环光纤陀螺光路部分20中的空芯光子晶体光纤环24。这种光纤较过去采用的实芯光纤的主要区别为光信号的传输介质为空气，而不是熔融石英，光信号传输介质的改变将带来一系列闭环光纤陀螺环境适应性能的提升：通过对空芯光子晶体光纤50结构及材料参数的优化，其热场敏感系数降低23倍，磁场敏感系数降低90倍。此外当窄线宽激光器21的相干长度足够长时，使用窄线宽激光器21驱动的闭环光纤陀螺10与使用自发辐射放大宽谱光源驱动的闭环光纤陀螺10的精度近似，所以通过优化选择窄线宽激光器21的线宽，可以抑制由于采用窄线宽激光器21而劣化的相干背向散射、背向反射、非线性克尔效应及偏振误差等非互易相位差导致的负面影响。综合采用优选的窄线宽激光器21及空芯光子晶体光纤50，闭环光纤陀螺10在温变场、电磁场、振动场激励下，其零偏稳定性有望降低至0.01°/h之内。