一種集成光路結構光纖陀螺及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種集成光路結構光纖陀螺及其工作方法，包括光源，光源通過第一光纖連接至第一透鏡，第一透鏡的后側依次設有第一偏振分光器、法拉第旋轉片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透鏡，還包括連接在一起的光纖環和相位調制器，所述光纖環通過第二光纖和第三光纖連接至第二透鏡，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由兩個光軸正交的單軸雙折射晶體組成，還包括探測器，探測器通過第四光纖連接至第一透鏡。本發明無需細徑特種光纖，也不需要高精密的在線制作光器件的平臺，大大降低產品組裝工藝難度，在保證產品精度的同時提高了產品的可靠性，為光纖陀螺的市場普及奠定了基礎。
【專利說明】
一種集成光路結構光纖陀螺及其工作方法
技術領域
[0001]本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種集成光路結構光纖陀螺及其工作方法。
【背景技術】
[0002]光纖陀螺具有體積小、重量輕、結構簡單及優異的性能在慣性測量領域具有廣闊市場潛力。
[0003]目前經典光纖陀螺技術方案如圖1所示，它的工作過程是:光源SLD發出的光經光源親合器分光后，有一半的光進入偏振器，并產生單模單偏振態的光。起偏后的光進入光纖環耦合器，被分成順時針方向和逆時針方向的兩束光滿足相干條件，并在光纖環中傳播。當光纖環繞其中心軸發生轉動后，產生了 Sagnac效應，從而使在光纖環耦合器處的干涉光強發生變化。由光電探測器PIN檢測出變化的光強，經處理后便得到轉動角速度。在光路中加入了相位調制器PZT。經過調制、解調后，得到能區分正反轉的線性化輸出。但是該經典方案光路制作復雜，加工工藝不成熟，需要高成本的專用設備，需要獨立制作出三個光器件才能實現基本功能，導致光路系統體積偏大，且現有工藝制作出的偏振器消光比只有26dB，導致光纖陀螺系統精度偏低，而在線耦合的光電器件耦合效率低下，為提高系統信號信噪比需要加大光源的驅動電流，直接導致光纖陀螺系統功耗過大，限制了其行業應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種集成光路結構光纖陀螺及其工作方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明無需細徑特種光纖，也不需要高精密的在線制作光器件的平臺，大大降低產品組裝工藝難度，在提高產品精度的同時保證了產品的可靠性，為光纖陀螺的市場普及奠定了基礎。
[0005]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0006]—種集成光路結構光纖陀螺，包括光源，光源通過第一光纖連接至第一透鏡，第一透鏡的后側依次設有第一偏振分光器、法拉第旋轉片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透鏡，第二透鏡上連接有光纖環，光纖環上連接有相位調制器，且光纖環通過第二光纖和第三光纖連接至第二透鏡，還包括探測器，探測器通過第四光纖連接至第一透鏡。
[0007]進一步地，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由兩個光軸正交的單軸雙折射晶體組成。
[0008]進一步地，所述第一偏振分光器和第二偏振分光器均由兩個光軸正交的I凡酸I乙晶體組成。
[0009 ]進一步地，偏振片的偏振方向與經過第一偏振分光器的光的偏振方向之間的夾角為45度。
[0010]進一步地，所述第三光纖以及第四光纖均為保偏光纖。
[0011]進一步地，所述第一透鏡和第二透鏡均為雙纖準直器。
[0012]進一步地，所述第一透鏡、第一偏振分光器、法拉第旋轉片、偏振片、第二偏振分光器以及第二透鏡通過封裝組合在一起。
[0013]進一步地，所述相位調制器為PZT;所述光源為SLED光源。
[0014]進一步地，所述光源采用同軸封裝或蝶型封裝;所述探測器采用同軸封裝。
[0015]—種集成光路結構光纖陀螺的工作方法，包括以下步驟:
[0016]步驟一:光源發出的光通過第一光纖進入第一透鏡，經第一透鏡后進入第一偏振分光器分成兩束等光強，偏振方向正交的光；
[0017]步驟二:經過第一偏振分光器后的兩束光經法拉第旋轉片后偏振方向旋轉45度；
[0018]步驟三:經過法拉第旋轉片后的兩束光中與偏振片偏振方向平行的光束通過偏振片，另一路與偏振片偏振方向正交的光被吸收；
[0019]步驟四:通過偏振片后的光經過第二偏振分光器，分成光強相等，偏振方向正交的兩束光；
[0020]步驟五:經過第二偏振分光器后的兩束光通過第二透鏡分別進入第二光纖和第三光纖；
[0021 ] 步驟六:第二光纖的光經過光纖環后再通過相位調制器進入第三光纖，第三光纖的光通過相位調制器后再通過光纖環進入第二光纖;或者相反，第二光纖的光經過通過相位調制器后再通過光纖環進入第三光纖，第三光纖的光經過光纖環后再通過相位調制器進入第二光纖，當光纖環繞其中心軸方向發生轉動時，兩束相對傳輸的偏振光攜帶相位信息，但不滿足干涉條件；
[0022]步驟七:兩束光再通過第二透鏡后經過第二偏振分光器合為正交的一束光，該光通過偏振片后，正交方向偏振光同時被吸收一半，形成同一偏振態的兩束光，滿足干涉條件；
[0023]步驟八:兩束光再經法拉第旋轉片后形成相對于入射光90度偏振方向光后，通過第一偏振分光器及第一透鏡進入第四光纖，最終到達探測器，對探測器接收到的光強進行處理最后得到光纖環軸向的角運動信息。
[0024]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0025]本發明在產品設計和生產過程中均采用光通信行業中微光學材料和技術工藝，將傳統光路中偏振器和兩個保偏親合器集成為一個微型化器件，利用微光學技術將三個器件集成為一個器件，大大減小了光路體積并提高了系統的可靠性，同時晶體偏振片可以提供高達40dB的消光比，大幅減少了光路的偏振串音對系統精度的影響，采用分立小型化器件在降低系統插損的基礎上實現了易組裝，易維護，低功耗，高可靠，高精度等特性，相對成熟可靠，封裝體積非常小且成本低，滿足小型化光纖陀螺的需求，而傳統方案中偏振器和耦合器需要在線拉錐和晶體生長，需求設備復雜高昂，工藝難度大，成品率低，其拉錐結構也決定其耐沖擊性能差，存在固有3dB插損等缺陷，本發明無需細徑特種光纖，也不需要高精密的在線制作光器件的平臺，大大降低產品組裝工藝難度，在保證產品精度的同時提高了產品的可靠性，為光纖陀螺的市場普及奠定了基礎。
[0026]進一步地，本發明中光纖采用技術工藝成熟的包層為80μπι的熊貓保偏光纖，偏振串音小，成本低，配套設備齊全，傳統方案中采用40μπι橢圓光纖，生產難度大，成本高，加工配套設備需定制，不利于規模生產。
[0027]進一步地，本發明的光源可采用同軸封裝或蝶型封裝等多種形式光源，光強，結構等參數易于調節，可靠性高，批次性好，現有技術僅限于裸芯片耦合光源，需要特種設備，耦合難度大，批量生產一致性差，且裸光源結構在惡劣環境下有易失效等缺陷;本發明的探測器可選用同軸封裝，可靠性高，抗電磁干擾，產品一致性好，現有技術采用單纖在線耦合探測器芯片，操作難度大，可靠性差。
[0028]本發明工作方法利用微光學技術實現的集成器件取代原有拉錐式三個光器件方案，在集成光路結構上減少了 6dB的光強插損，同時器件保證了高消光比的信號光產生與傳輸，大大提高了系統的信噪比與精度。
【附圖說明】
[0029]圖1是目前采用開環結構的單光纖光纖陀螺原理圖；
[0030]圖2是本發明的集成光路結構光纖陀螺原理圖。
[0031 ] 其中，1、光源；2、探測器;3、光纖環;4、相位調制器;5、第一透鏡;6、第一偏振分光器;7、法拉第旋轉片;8、偏振片;9、第二偏振分光器;10、第二透鏡；11、第一光纖；12、第二光纖；13、第三光纖；14、第四光纖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0033]參見圖2，一種集成光路結構光纖陀螺，包括SLED光源I，光源I采用同軸封裝或蝶型封裝，SLED光源I通過第一光纖11連接至第一透鏡5，第一透鏡5的后側依次設有第一偏振分光器6、法拉第旋轉片7、偏振片8、第二偏振分光器9以及第二透鏡10，且第一透鏡5、第一偏振分光器6、法拉第旋轉片7、偏振片8、第二偏振分光器9以及第二透鏡10通過封裝組合在一起，偏振片8的偏振方向與經過第一偏振分光器6的光的偏振方向之間的夾角為45度，所述第一偏振分光器6和第二偏振分光器9均為兩個光軸正交的f凡酸乾分光器，還包括連接在一起的光纖環3和相位調制器4，光纖環3通過第二光纖12和第三光纖13連接至第二透鏡10，還包括探測器2，探測器2采用同軸封裝，探測器2通過第四光纖14連接至第一透鏡5，所述第一光纖11、第二光纖12、第三光纖13以及第四光纖14均為包層為80μηι的熊貓保偏光纖，第一透鏡5和第二透鏡10均為雙纖準直器。
[0034]—種集成光路結構光纖陀螺的工作方法，包括以下步驟:
[0035]步驟一:光源I發出的光通過第一光纖11進入第一透鏡5，經第一透鏡5后進入第一偏振分光器6分成兩束等光強，偏振方向正交的光；
[0036]步驟二:經過第一偏振分光器6后的兩束光經法拉第旋轉片7后偏振方向旋轉45度；
[0037]步驟三:經過法拉第旋轉片7后的兩束光中與偏振片8偏振方向平行的光束通過偏振片8，另一路與偏振片8偏振方向正交的光被吸收；
[0038]步驟四:通過偏振片8后的光經過第二偏振分光器9，分成光強相等，偏振方向正交的兩束光；
[0039]步驟五:經過第二偏振分光器9后的兩束光通過第二透鏡10分別進入第二光纖12和第三光纖13;
[0040]步驟六:第二光纖12的光經過光纖環后再通過相位調制器4進入第三光纖13，第三光纖13的光通過相位調制器4后再通過光纖環3進入第二光纖12;或者相反，第二光纖12的光經過通過相位調制器4后再通過光纖環3進入進入第三光纖13，第三光纖13的光經過光纖環3后再通過相位調制器4進入第二光纖12，當光纖環3繞其中心軸方向發生轉動時，兩束相對傳輸的偏振光攜帶相位信息，但不滿足干涉條件；
[0041]步驟七:兩束光再通過第二透鏡10后經過第二偏振分光器9合為正交的一束光，該光通過偏振片8后，正交方向偏振光同時被吸收一半，形成同一偏振態的兩束光，滿足干涉條件；
[0042]步驟八:兩束光再經法拉第旋轉片7后形成相對于入射光90度偏振方向光后，通過第一偏振分光器6及第一透鏡5進入第四光纖14，最終到達探測器2，經過處理探測器2處光強變化信息最后得到轉動角速度信息。
[0043]下面對本發明的實施過程作進一步詳細說明:
[0044]本發明原理如圖2所示。它的工作過程是:SLED光源I發出的光到達雙纖準直器的第一光纖11，經第一透鏡5入射后再經過兩個光軸正交的單軸雙折射晶體組成的第一偏振分光器6后分成兩束等光強，偏振方向正交的光，兩束光經過法拉第旋轉片7后偏振方向旋轉45度，其中后置的偏振片8偏振方向與未通過法拉第旋轉片7時的光偏振方向成45度夾角，與偏振片8偏振方向平行的光束將通過，另一路與偏振方向正交的光被吸收，經過偏振片8的光再次經過兩個光軸正交的單軸雙折射晶體組成的第二偏振分光器9，分開成為光強相等，偏振方向正交的兩束光，這兩束光通過第二透鏡10分別進入第二光纖12和第三光纖13，其中兩個正交光分別進入光纖環3的慢軸傳播，第二光纖12的光經過光纖環3后再通過PZT相位調制器4進入第三光纖13，第三光纖13的光通過PZT相位調制器4后再通過光纖環3進入第二光纖12，或者相反，第二光纖12的光經過通過相位調制器4后再通過光纖環3進入進入第三光纖13，第三光纖13的光經過光纖環3后再通過相位調制器4進入第二光纖12，當光纖環3繞其中心軸方向發生轉動時，兩束相對傳輸的偏振光攜帶相位信息，但不滿足干涉條件;兩束光再通過第二透鏡10后經過第二偏振分光器9合束成為正交的一束光，該光通過45度偏振方向的偏振片8后，正交方向偏振光同時被吸收一半，形成同一偏振態的兩束光，滿足干涉條件，該光再經法拉第旋轉片7后形成相對于入射光90度偏振方向光后，通過第一偏振分光器6，進入第一透鏡5，然后進入第四光纖14，最終到達探測器2，經過處理探測器2處光強變化信息最后得到轉動角速度信息。
【主權項】
1.一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，包括光源(I)，光源(I)通過第一光纖(11)連接至第一透鏡(5)，第一透鏡(5)的后側依次設有第一偏振分光器(6)、法拉第旋轉片(7)、偏振片(8)、第二偏振分光器(9)以及第二透鏡(10)，第二透鏡(10)上連接有光纖環(3)，光纖環(3)上連接有相位調制器(4)，且光纖環(3)通過第二光纖(12)和第三光纖(13)連接至第二透鏡(10)，還包括探測器(2)，探測器(2)通過第四光纖(14)連接至第一透鏡(5)。2.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述第一偏振分光器(6)和第二偏振分光器(9)均由兩個光軸正交的單軸雙折射晶體組成。3.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述第一偏振分光器(6)和第二偏振分光器(9)均由兩個光軸正交的釩酸釔晶體組成。4.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，偏振片(8)的偏振方向與經過第一偏振分光器(6)的光的偏振方向之間的夾角為45度。5.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述第三光纖(13)以及第四光纖(14)均為保偏光纖。6.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述第一透鏡(5)和第二透鏡(10)均為雙纖準直器。7.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述第一透鏡(5)、第一偏振分光器(6)、法拉第旋轉片(7)、偏振片(8)、第二偏振分光器(9)以及第二透鏡(10)通過封裝組合在一起。8.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述相位調制器(4)為PZT;所述光源為SLED光源。9.根據權利要求1所述的一種集成光路結構光纖陀螺，其特征在于，所述光源(I)采用同軸封裝或蝶型封裝;所述探測器(2)采用同軸封裝。10.—種權利要求1?9任一項所述的集成光路結構光纖陀螺的工作方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:光源(I)發出的光通過第一光纖(11)進入第一透鏡(5)，經第一透鏡(5)后進入第一偏振分光器(6)分成兩束等光強，偏振方向正交的光； 步驟二:經過第一偏振分光器(6)后的兩束光經法拉第旋轉片(7)后偏振方向旋轉45度； 步驟三:經過法拉第旋轉片(7)后的兩束光中與偏振片(8)偏振方向平行的光束通過偏振片(8)，另一路與偏振片(8)偏振方向正交的光被吸收； 步驟四:通過偏振片(8)后的光經過第二偏振分光器(9)，分成光強相等，偏振方向正交的兩束光； 步驟五:經過第二偏振分光器(9)后的兩束光通過第二透鏡(10)分別進入第二光纖(12)和第三光纖(13); 步驟六:第二光纖(12)的光經過光纖環(3)后再通過相位調制器(4)進入第三光纖(13)，第三光纖(13)的光通過相位調制器(4)后再通過光纖環(3)進入第二光纖(12);或者相反，第二光纖(12)的光經過通過相位調制器(4)后再通過光纖環進入第三光纖(13)，第三光纖(13)的光經過光纖環(3)后再通過相位調制器(4)進入第二光纖(12)，當光纖環(3)繞其中心軸方向發生轉動時，兩束相對傳輸的偏振光攜帶相位信息，但不滿足干涉條件； 步驟七:兩束光再通過第二透鏡(10)后經過第二偏振分光器(9)合為正交的一束光，該光通過偏振片(8)后，正交方向偏振光同時被吸收一半，形成同一偏振態的兩束光，滿足干涉條件； 步驟八:兩束光再經法拉第旋轉片(7)后形成相對于入射光90度偏振方向光后，通過第一偏振分光器(6)及第一透鏡(5)進入第四光纖(14)，最終到達探測器(2)，對探測器(2)接收到的光強進行處理最后得到光纖環軸向的角運動信息。
【文檔編號】G01C19/72GK105928501SQ201610273420
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】王輝, 毛亞敏
【申請人】西安中科華芯測控有限公司