一种基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺

摘要

本实用新型涉及一种基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺，特点为：激光器发出高波长稳定性窄线宽的激光进入电光相位调制器，信号源生成的调制信号通过增益匹配链路进行信号的放大与功率匹配后进入电光相位调制器，对激光器的光谱进行调制；调制后的光依次经过保偏光纤隔离器和光耦合器，随后进入Y波导后分成两路，两路光以相反的方向经过空芯光子晶体光纤环圈后汇入Y波导，并重新合成一束光；合成后的光再次经过光耦合器后进入光电转换器，光电转换器将含有转速信息的光信号转换成电信号。光电转换器转换后的电信号经过信号处理单元处理后得到转速信息。本光纤陀螺有效提升了光纤陀螺的精度，标度因数稳定性和环境适应性。

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤陀螺技术领域，特别涉及一种基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺由于具有成本低，寿命长，体积小，动态范围大，精度应用覆盖面广，结构设计灵活，生产工艺简单等一系列优势，广泛应用于航空、航天、航海、兵器、工业和民用等领域，有着良好的发展前景和研究价值。

尽管如此，现行干涉型光纤陀螺还是存在一些问题，限制了其在飞机、舰船惯性导航以及其它高性能领域的广泛应用。首先，应用于干涉型光纤陀螺的宽带光源存在较大的相对强度噪声，因而需要采取强度噪声抑制措施提高陀螺精度，但这又增加了陀螺的成本和复杂性。其次，宽带光源的平均波长稳定性较差，这意味着光纤陀螺的标度因数稳定性(正比于光波长变化)对高动态、长航时应用不合适，妨碍了光纤陀螺在飞机、舰船惯性应用市场与激光陀螺的竞争力。近几年来，国外许多光纤陀螺研制单位针对机载惯导应用以及更高性能的应用对干涉型光纤陀螺方案进行了技术改进，在研究方向上提出了两项技术措施：(1)采用激光器代替宽带光源驱动光纤陀螺；(2)敏感环圈采用空芯光子晶体光纤代替传统的石英光纤。

采用激光器替代传统的宽带光源具有如下三个优点：1)市场上通信用的1.5μm半导体激光器价格便宜且技术成熟度高，易于降低成本和小型化；2)带温控的半导体激光器中心波长稳定性优于1ppm，可将光纤陀螺的标度因数稳定性提高至少1个数量级；3)激光器具有很小的相对强度噪声，有效提升了光路的信噪比，从而提升陀螺精度。

而空芯光子晶体光纤因其结构特性对光纤陀螺各项误差有显著的抑制效果，显著降低了Shupe误差、Faraday误差、Kerr误差、偏振误差和辐照误差引起的漂移和噪声。

但是采用激光器驱动的干涉型光纤陀螺再次引入了采用宽带光源已经本质上消除了的三种误差源：Kerr效应、背向散射和偏振交叉耦合引起的误差。理论模型证明，激光器驱动干涉型光纤陀螺的噪声受瑞利背向散射限制，漂移受偏振交叉耦合限制，都与激光器的线宽有关。要减少这些相干误差，需要将激光器的线宽展宽。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种能有效提升光纤陀螺的精度，标度因数稳定性和环境适应性的基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺。

本实用新型的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺，其特征在于；包括激光器、电光调制器、信号源、增益匹配链路、保偏光纤隔离器、光耦合器、Y波导，空芯光子晶体光纤环圈、光电转换器和信号处理单元；所述激光器采用高波长稳定窄线宽半导体激光器；

激光器用于发出高波长稳定性窄线宽的激光并输入电光相位调制器；信号源用于生成调制信号，并通过增益匹配链路进行信号的放大与功率匹配后进入电光相位调制器，对激光器的输出光谱进行调制；

保偏光纤隔离器用于对调制后的光进行隔离处理，并输出给光耦合器；光耦合器用于对光进行耦合、分光，输出调制光给Y波导和接收Y波导返回的合成光；Y波导用于将光耦合器输出的光分成两路，一路光以顺时针进入空芯光子晶体光纤环圈，另一路光以逆时针进入空芯光子晶体光纤环圈，两路光以相反的方向经过空芯光子晶体光纤环圈后汇入Y波导，并重新合成一束光；合成后的光再次经过光耦合器后进入光电转换器，光电转换器用于将含有转速信息的光信号转换成电信号；光电转换器转换后的电信号经过信号处理单元处理后得到转速信息。

进一步的：所述增益匹配链路包括低噪声小信号放大器、增益衰减器和功率放大器；所述低噪声小信号放大器，带宽14GHz，增益10dB；所述增益衰减器，衰减范围0～-40dB；所述功率放大器，带宽12GHz，增益18dB。

进一步的：所述激光器中心波长为1550nm，输出功率10mW，线宽200KHz。

进一步的：所述电光调制器半波电压6V，带宽12GHz。

进一步的：所述信号源的输出信号为服从高斯分布的白噪声，带宽10GHz，功率-17dbm。

进一步的：所述保偏光纤隔离器隔离度大于45dB。

本实用新型具有的优点和积极效果：

本实用新型在光路结构中采用保偏光纤隔离器对光进行隔离，有效降低了光反射对光源和光纤陀螺光路的影响，提升了光路稳定性。同时，本发明将激光器线宽展宽光源技术成熟度高，中心波长稳定性好和强度噪声低的特点与空芯光子晶体光纤因其结构特性对光纤陀螺各项误差有显著的抑制的特点相结合，将激光器线宽展宽光源和基于空芯光晶体光纤绕制的光纤环圈应用于光纤陀螺中，能有效提升光纤陀螺的精度，标度因数稳定性和环境适应性。

附图说明

图1是本实用新型光纤陀螺的构成示意图；

图2是本实用新型增益匹配链路的构成示意图；

图3是本实用新型空芯光子晶体光纤的截面图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本实用新型的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

图1是本发明提出的一种基于激光器线宽展宽光源的空芯光子晶体光纤陀螺的购车示意图，其中包括高波长稳定窄线宽激光器、电光调制器、信号源、增益匹配链路、保偏光纤隔离器、光耦合器、Y波导、空芯光子晶体光纤环圈、光电转换器、信号处理单元。

其中，激光器采用高波长稳定窄线宽半导体激光器，中心波长为1550nm，输出功率10mW，线宽200KHz。电光调制器半波电压6V，带宽12GHz。信号源输出服从高斯分布的白噪声，带宽10GHz，功率-17dbm。保偏光纤隔离器隔离度大于45dB，确保光单向传输，消除激光反射对光源和光纤陀螺光路的影响。

信号传输过程如下：

激光器发出高波长稳定性窄线宽的激光进入电光相位调制器，信号源生成的调制信号通过增益匹配链路进行信号的放大与功率匹配后进入电光相位调制器，对激光器的光谱进行调制。

调制后的光依次经过保偏光纤隔离器和光耦合器，随后进入Y波导后分成两路，一路光以顺时针进入空芯光子晶体光纤环圈，另一路光以逆时针进入空芯光子晶体光纤环圈，两路光以相反的方向经过空芯光子晶体光纤环圈后汇入Y波导，并重新合成一束光。合成后的光再次经过光耦合器后进入光电转换器，光电转换器将含有转速信息的光信号转换成电信号。

光电转换器转换后的电信号经过信号处理单元处理后得到转速信息。

图2是增益匹配链路的示意图，包括低噪声小信号放大器，增益衰减器和功率放大器。

其中，低噪声小信号放大器，带宽14GHz，增益10dB，实现超宽带、高保真放大高频小信号功能。增益衰减器，衰减范围0～-40dB，实现链路的整体增益匹配。功率放大器，带宽12GHz，增益18dB，实现高带宽，高平坦度，高增益信号功率放大功能，与增益衰减器一起，满足电光调制器对射频输入的功率要求。

图3是本发明采用的空芯光子晶体光纤的截面图。采用该种光纤绕制空芯光子晶体光纤环圈。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。