專利名稱：一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光路結(jié)構(gòu)，特別是一種閉環(huán)光纖陀螺的光路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種新型的慣性器件，其組成結(jié)構(gòu)中無運動部件，具有體積小、 功耗低、啟動快、動態(tài)范圍大、精度覆蓋面廣、壽命長、可靠性高、批量成本 低等優(yōu)點。光纖陀螺有開環(huán)和閉環(huán)兩大方案，閉環(huán)光纖陀螺由于具有標度因數(shù) 非線性小和精度高的優(yōu)點，因而應用更為廣泛。閉環(huán)光纖陀螺的典型光路如圖
1所示，圖中1為光源、2為光纖耦合器、3為Y波導集成光學器件、4為保偏 光纖線圈、5為探測器，前述五個光電子器件都是帶有光纖尾纖的器件，器件 之間通過光纖熔接來實現(xiàn)光路連接。光纖的熔接會產(chǎn)生保偏光纖的對軸角誤差， 同時光路中其他的偏振交叉耦合也會產(chǎn)生偏振誤差，與Y波導集成光學器件4展 幅抑制比成正比的為振幅型偏振誤差，與Y波導集成光學器件的強度消光比成 正比的為強度型偏振誤差。其中振幅型誤差可表示為
^照.s.V^; (1) 其中d表示輸入到Y(jié)波導集成光學器件的光波偏振度，s表示Y波導集成光學 器件的振幅抑制比，h表示保偏光纖線圈的偏振保持參數(shù)，Ld表示光源相關(guān)的 去相干長度。強度型誤差表示為
=一/2丄/# (2) 其中L表示保偏光纖線圈的光纖長度，N表示保偏光纖線圈所包含的去相干長 度個數(shù)，且有關(guān)系式
iv =丄/& ( 3 )
對于精度優(yōu)于0.001°/h的光纖陀螺，選取典型參數(shù)L-4000m， h=10-5/m, Ld=3cm， d=0.01， ￡=1Q-275,則振幅型偏振誤差為9.6x10々ad,強度型偏振誤差為8.9xl0化rad。
hL表示整個線圈的偏振保持，由于保偏光纖線圈和Y波導集成光學器件之 間(圖1中的341和342), Y波導集成光學器件的芯片和尾纖之間都存在偏振 主軸對不準的情況，典型誤差為0.5~1.5°; Y波導尾纖和保偏線圈尾纖在半徑 2cm彎曲時，在溫度和力學條件下的偏振保持性能會降低1 2個數(shù)量級，因此 實際的強度型誤差大于式(2)所示的值，即可達到10—7rad。
除了偏振誤差，光源的相對強度噪聲也是限制精度的因素，光源相對強度 噪聲表示為
取光源平均波長A-1550nm，譜寬AA-8nm,相位偏置到7n78時，可以得 到相對強度噪聲大小為l6x1CT7rad/Hz1/2，采用相對強度噪聲抑制技術(shù)可以將 相對強度噪聲抑制50%。
另外，根據(jù)前述可以看出振幅型偏振誤差大于光源的相對強度噪聲，而強 度型偏振誤差接近相對強度噪聲的大小，總的誤差為單個誤差的平方和的平方 根，因此強度型偏振誤差和振幅型偏振誤差均需要進行抑制。為此，1993年出 版的《Fiber optic gyroscope》提到了在探測器前面增加一個偏振器可以進一步 抑制強度型偏振誤差，但文中并沒有詳細說明如何使用偏振器及對偏振器的要 求。此外，目前也沒有其他公開文獻報道提及如何進一步抑制偏振誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可減小偏振 誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，包 括光源、光纖耦合器、Y波導集成光學器件、保偏光纖線圈和探測器，光源發(fā) 出的光依次經(jīng)光纖耦合器、Y波導集成光學器件后到達保偏光纖線圏，而后反 向到達Y波導集成光學器件后發(fā)生干涉，最后經(jīng)過光纖耦合器后到達纟笨測器， 在光源和光纖耦合器之間連接有第一偏振器，探測器和光纖耦合器之間連接有
發(fā)明內(nèi)容第二偏振器，第一 偏振器的振幅抑制比應滿足
卜(1-《1/
1+(1-《1,
:^<1^4丄，第二偏振器的振幅抑制比應滿足
V6sin^ \( cA義
gp2￡2WU"^ J丄,其中^為第一偏振器的振幅抑制比， 2為第二偏振器
V6sin^ V cA義
的振幅抑制比，s表示Y波導集成光學器件的振幅抑制比，h表示保偏光纖線圈 的偏振保持參數(shù)，U表示與光源相關(guān)的光纖去相干長度，^為相位偏置，入為 光源的平均波長，M為光源的譜寬，c為真空中的光速，L為保偏光纖線圈中 光纖的長度，N=L/Ld。
所述的Y波導集成光學器件和保偏光纖線圈之間直接耦合。 所述的光纖耦合器為保偏光纖耦合器，其尾纖直接用作Y波導集成光學器 件的尾纖。
所述的光源的偏振度小于5%或大于80%，在偏振度大于80%時，光源和
第一偏振器需要對軸熔接，使通過第一偏振器的功率最大。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
(1 )本發(fā)明的低偏振誤差的光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，通過在在光源和光纖耦合 器之間，以及探測器和光纖耦合器之間均連接有偏振器，可以將現(xiàn)有光纖陀螺 光路的振幅型偏振誤差降低至幾分之一，將現(xiàn)有光纖陀螺光路的強度型偏振誤 差降低至少 一個數(shù)量級，提高了光纖陀螺的光路性能；
(2) 本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)中，光纖線圈的兩端直接耦合到Y(jié)波導集成光學器 件的芯片，避免了丫波導集成光學器件尾纖和線圈之間的熔接角誤差，減小了 偏4展-i吳差；
(3) 本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)中，光纖耦合器采用保偏光纖耦合器，且將光纖耦合 器的尾纖直接用于丫波導集成光學器件的尾纖，避免了 丫波導集成光學器件尾 纖和光纖耦合器之間的熔接角誤差，減小了偏振誤差；
(4) 本發(fā)明光路中，光源可以采用偏振度接近于零的摻鉺光纖光源等低偏 振光源或偏振度高達100。/。的偏振光源，適用性強，易于實現(xiàn)。


圖1為典型的光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明光纖陀螺光路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，為本發(fā)明光纖陀螺光路的結(jié)構(gòu)，包括光源1、光纖耦合器2、 丫波導集成光學器件3、保偏光纖線圏4和探測器5,光源1發(fā)出的光依次經(jīng) 光纖耦合器2、 Y波導集成光學器件3后到達保偏光纖線圈4，而后反向到達Y 波導集成光學器件3后發(fā)生干涉，最后經(jīng)過光纖耦合器2后到達探測器5, Y 波導集成光學器件3和保偏光纖線圏4之間直接耦合，為了減小偏振誤差，在 光源1和光纖耦合器2之間設置有偏振器61 ,探測器5和光纖耦合器2之間均 設置有偏振器62。
當加入偏振器61后，本光路結(jié)構(gòu)可以使陀螺的振幅型偏振誤差減小為
其中 為光源1和光纖耦合器2之間的偏振器61的振幅抑制比，
當加入偏振器62后，本光路結(jié)構(gòu)可以使陀螺的強度型偏振誤差減小為
其中 2為探測器5和光纖耦合器2之間的偏振器62的振幅抑制比。
一般，在實際應用時，偏振器61和偏振器62的振幅抑制比須滿足偏振誤 差平方和對總誤差平方和的貢獻應小于10%,即振幅型和強度型偏振誤差均應 小于相對強度噪聲的l/A ,如果抑制后振幅型偏振誤差和強度型偏振誤差大小 相等，則用于光源1后面的偏振器61的振幅抑制比應滿足
°>c = sp2 A丄/ #
6用于探測器5前面的偏振器62的振幅抑制比應滿足
一丄/#<，《, (8)
V6sin^ V cA/l
以上兩式中，s表示Y波導集成光學器件3的振幅抑制比，h表示保偏光纖 線圏4的偏振保持參數(shù)，U表示與光源1相關(guān)的光纖去相干長度，^為相位偏 置，A為光源1的平均波長，AA為光源1的譜寬，c為真空中的光速，L為保 偏光纖線圈4中光纖的長度，N=L/Ld。
本發(fā)明的光纖陀螺光路，光源1的偏振度應小于5%或大于800/。，以充分 利用光源發(fā)出的功率。在偏振度大于80%時，光源1和第一偏振器61需要對 軸熔接，使通過第一偏振器61的功率最大。因此，為了簡化工藝，選擇注入 電流100mA時功率9mW,偏振度2%的摻鉺光纖光源，可以不用在光源和偏 振器之間對軸熔接，且有利于降低其他噪聲。第一偏振器61和第二偏振器62 均采用光纖偏振器，消光比為35dB,光纖耦合器2采用保偏光纖耦合器，消 光比為20dB,分光比優(yōu)于47/53,將偏振器對光源的偏振濾波后的光波輸入到 Y波導集成光學器件3, Y波導集成光學器件3采用基于UN03基片的質(zhì)子交 換芯片，芯片的消光比高于55dB,有利于實現(xiàn)低偏振誤差，芯片的分光比優(yōu)于 為45/55,以獲得盡可能大的返回信號；保偏光纖線圈4采用熊貓型保偏光纖， 并在繞制時將繞制張力降低至5g以下，以獲得應力小而偏振保持性能好的線 圈；探測器5采用牌號為PFTM912的光電探測器，內(nèi)部帶有跨導放大器，輸 入端有尾纖。
在第一偏振器61、第二偏振器62和光纖耦合器2進行熔接時，保證熔接 后的強度交叉耦合優(yōu)于35dB。
在將光纖線圈4、光纖耦合器2的尾纖和Y波導集成光學器件3的芯片進 行耦合時，采用光相干域偏振計測量角度對準情況，保證芯片與光纖線圏尾纖 以及光纖耦合器尾纖熔接時的對軸時的角誤差為0.5。，局部的強度交叉耦合優(yōu) 于-40d已。當?shù)谝黄衿?1和第二偏振器62的強度消光比為35dB時，即 ^ = ^2=10-175,兩個偏振器和光纖耦合器2間的熔接點的強度消光比也為
35dB。輸入到Y(jié)波導集成光學器件3的光波偏振度d提高為(i-4)/(i+4),振 幅型偏振誤差降低為1.8xl0-8rad,強度型偏振誤差降低為1.8"0，ad,均 低于相對強度噪聲的1/A。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
8
權(quán)利要求
1、一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，包括光源(1)、光纖耦合器(2)、Y波導集成光學器件(3)、保偏光纖線圈(4)和探測器(5)，光源(1)發(fā)出的光依次經(jīng)光纖耦合器(2)、Y波導集成光學器件(3)后到達保偏光纖線圈(4)，而后反向到達Y波導集成光學器件(3)后發(fā)生干涉，最后經(jīng)過光纖耦合器(2)后到達探測器(5)，其特征在于在光源(1)和光纖耦合器(2)之間連接有第一偏振器(61)，探測器(5)和光纖耦合器(2)之間連接有第二偏振器(62)，第一偏振器(61)的振幅抑制比應滿足第二偏振器(62)的振幅抑制比應滿足其中εp1為第一偏振器(61)的振幅抑制比，εp2為第二偏振器(62)的振幅抑制比，ε表示Y波導集成光學器件(3)的振幅抑制比，h表示保偏光纖線圈(4)的偏振保持參數(shù)，Ld表示與光源(1)相關(guān)的光纖去相干長度，φb為相位偏置，λ為光源(1)的平均波長，Δλ為光源(1)的譜寬，c為真空中的光速，L為保偏光纖線圈(4)中光纖的長度，N＝L/Ld。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，其 特征在于所述的Y波導集成光學器件(3)和保偏光纖線圈(4)之間直接耦 合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，其 特征在于所述的光纖耦合器(2)為保偏光纖耦合器，其尾纖直接用作Y波 導集成光學器件(3)的尾纖。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，其 特征在于所述的光源(1 )的偏振度小于5%或大于80%,在偏振度大于80% 時，光源(1 )和第一偏振器(61 )需要對軸熔接，使通過第一偏振器(61 ) 的功率最大。
全文摘要
一種低偏振誤差的閉環(huán)光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)，包括光源、光纖耦合器、Y波導集成光學器件、保偏光纖線圈和探測器，光源發(fā)出的光依次經(jīng)光纖耦合器、Y波導集成光學器件后到達保偏光纖線圈，而后反向到達Y波導集成光學器件后發(fā)生干涉，最后經(jīng)過光纖耦合器后到達探測器，為了降低偏振誤差，在光源和光纖耦合器之間，以及探測器和光纖耦合器之間均連接有偏振器。本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)具有偏振誤差低的特點，可以將振幅型偏振誤差降低至原有的1/5，強度型偏振誤差降低至原有的1/31，較大程度上提高了光路的偏振性能。
文檔編號G01C19/72GK101482412SQ20091007826
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者丁東發(fā), 晶 李, 楊清生, 巍 王, 王學鋒, 峰 高 申請人:北京航天時代光電科技有限公司