諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學傳感以及信號檢測技術領域，尤其涉及一種諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是利用光學Sagnac效應實現對轉動檢測的一種高精度的慣性傳感器。R-FOG相對于傳統的機械陀螺具有體積小、結構簡單、壽命長、精度高等特點。與干涉式光纖陀螺(Interferometer Fiber Optic Gyro,1-FOG)相比，R-FOG理論上可以采用短得多的光纖長度而達到與1-FOG —樣的精度。
[0003]然而，在目前的R-FOG系統中，采用的各個模塊器件體積比較大，導致了 R-FOG系統整體體積龐大，難以實現小型化集成，阻礙了陀螺實現最終的應用。
【發明內容】
[0004]本發明是針對現有諧振式光纖陀螺系統體積大、不易于集成的不足之處，提出了一種諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置及其方法。
[0005]一種諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置包括可調諧小型化激光器、光學分光器、第一路相位調制器、第二路相位調制器、光纖環形諧振腔、光電轉換模塊、信號處理電路模塊、集成封裝結構件；可調諧小型化激光器與光學分光器相連，光學分光器兩路輸出分別與第一路相位調制器和第二路相位調制器相連，第一路相位調制器和第二路相位調制器輸出分別與光纖環形諧振腔相連，兩路光纖諧振腔輸出分別與光電轉換模塊相連，光電轉化模塊與信號處理電路模塊相連，信號處理電路模塊輸出一路作為陀螺輸出，另一路與可調諧小型化激光器的調諧端相連，可調諧小型化激光器、光學分光器、第一路相位調制器、第二路相位調制器、光纖環形諧振腔、光電轉換模塊、信號處理電路模塊安裝在集成封裝結構件中。
[0006]所述的可調諧小型化激光器為集成化窄線寬可調諧半導體激光器，采用直徑8cm、高2.2cm的柱狀體封裝設計。
[0007]所述的光學分光器為長度2cm、分光比為50%的磨拋型光纖親合器。
[0008]所述的第一路相位調制器和第二路相位調制器均采用大半波電壓驅動的短波導鈮酸鋰相位調制器，封裝尺寸僅為2X1X0.4cm。
[0009]所述的光纖環形諧振腔為透射式諧振腔，直徑9.2cm ;光纖環形諧振腔包括輸入端分光比為95%的磨拋型耦合器、輸出端分光比為95%的磨拋型耦合器、以及兩路起偏器組成；輸入端和輸出端的磨拋型耦合器長度均為2cm。
[0010]所述的信號處理電路模塊中包含了高壓擺率運放搭建的相位調制器驅動電路模塊，為大半波電壓驅動的第一路相位調制器和第二路相位調制器提供大幅度調制信號。
[0011]所述的可調諧小型化激光器和光纖環形諧振腔采用分層隔離的封裝結構件設計方法。
[0012]所述的光學分光器、第一路相位調制器和第二路相位調制器在集成封裝結構件中采用貼邊內切安裝。
[0013]所述的信號處理電路模塊為圓形多層設計，光電轉化模塊與信號處理電路模塊分層安裝，集成封裝結構件內部的4個陀螺系統硬件模塊支撐點用來支撐光電轉化模塊和信號處理電路模塊；所述的光電轉換模塊的核心器件采用圓柱形封裝的同軸InGaAs光電二極管。
[0014]所述裝置的工作方法是:按諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置的接連關系完成安裝后，在諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置外層加上結構件外殼，就構成了一個完整的諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置，當在可調諧小型化激光器電源端加上5V電壓時，激光器輸出中心波長為1550nm、線寬約為5kHz的激光，經過光學分光器分成等功率的兩束光:順時針路和逆時針路，順時針路激光經過第一路相位調制器后進入光纖環形諧振腔，光纖環形諧振腔的形式為直徑9.2cm的透射式諧振腔，逆時針路激光經過光纖換形諧振腔以后通過光電轉化模塊進行光電轉換，再通過信號處理電路模塊進行調制解調，最后將解調輸出經伺服回路去控制可調諧小型化激光器輸出光的頻率，順時針路解調輸出作為陀螺輸出。
[0015]本發明與現有技術相比具有的有益效果:
I)本發明采用的光學分光器為磨拋型光纖耦合器，光纖環形諧振腔采用輸入端分光比為95%的磨拋型光纖耦合器、輸出端分光比為95%的磨拋型光纖耦合器，相比熔融拉錐形耦合器，磨拋型耦合器具有體積小、耦合性能高的優勢，符合系統結構小型化的要求。
[0016]2)本發明采用的第一路相位調制器和第二路相位調制器均為采用大半波電壓驅動的短波導鈮酸鋰相位調制器，體積相比于傳統的小半波電壓驅動的長波導鈮酸鋰相位調制器要小得多，符合系統結構小型化的要求。
[0017]3)本發明采用的可調諧小型化激光器和光纖環形諧振腔之間采用了分層隔離的結構設計方法，有利于減小光源給諧振腔帶來的熱噪聲，從而保證諧振式光纖陀螺的性能。
[0018]4)本發明采用的光學分光器、第一路相位調制器、第二路相位調制器在集成封裝結構件中采用與光纖環形諧振腔貼邊內切擺放安裝，在充分利用空間的同時最大程度減小光纖彎曲損耗，從而保證諧振式光纖陀螺的性能。
【附圖說明】
[0019]圖1是諧振式光纖陀螺小型化系統原理圖；
圖2是諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置結構示意圖；
圖3是諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置俯視圖；
圖4是諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置仰視圖；
圖5是諧振式光纖陀螺系統小型化集成裝置封裝后的示意圖；
圖中:可調諧小型化激光器1、光學分光器2、第一路相位調制器3、第二路相位調制器4、輸入端分光比為95%的磨拋型親合器5、第一路起偏器6、第二路起偏器7、輸出端分光比為95%的磨拋型耦合器8、光電轉換模塊9、信號處理電路模塊10、結構件底座11、通孔12、結構件中部13、光纖環繞支架14、陀螺系統硬件模塊支撐點15、光纖通孔16、結構件外殼17。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明并不僅限于此。
[0021]如圖1所示，諧振式光纖陀螺小型化系統原理圖包括由可調諧小型化激光器1、光學分光器2、第一路相位調制器3、第二路相位調制器4、光學環形諧振腔、光電轉換模塊
9、信號處理電路模塊10;可調諧小型化激光器I與光學分光器2相連，光學分光器2兩路輸出分別與第一路相位調制器3和第二路相位調制器4相連，第一路相位調制器3和第二路相位調制器4輸出分別與光纖環形諧振腔相連，兩路光纖環形諧振腔輸出分別與光電轉換模塊9相連，光電轉化模塊9與信號處理電路模塊10相連，信號處理電路模塊10輸出一路作為陀螺輸出，另一路與可調諧小型化激光器I的調諧端相連；可調諧小型化激光器1、光學分光器2、第一路相位調制器3、第二路相位調制器4、光纖環形諧振腔、光電轉換模塊9、信號處理電路模塊10安裝在集成封裝結構件中。光纖環形諧振腔是直徑為9.2cm的透射式諧振腔，由輸入端分光比為95%的磨拋型親合器5、輸出端分光比為95%的磨拋型親合器
10、第一路起偏器6和第二路起偏器7組成