專利名稱：雙環(huán)布里淵光纖陀螺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺，特別涉及一種消除光克爾效應的布里淵光纖陀螺。
背景技術：
光纖陀螺是慣性導航領域的重要傳感器。光纖陀螺在三十年內主要經歷了干涉 型(IF0G)、諧振型(RFOG)和布里淵型(BFOG)三代的發(fā)展歷程。其中，IFOG在技術上日趨 成熟；RFOG目前處于實驗室研究階段；BFOG作為第三代的光纖陀螺，代表了光纖陀螺高精 度和小型化的發(fā)展方向，其數字化的頻率輸出，更適合于捷聯式慣導系統(tǒng)，但是由于BFOG 對器件的要求以及理論上尚未完善，這種陀螺目前還處于理論摸索的階段。在國際上麻省 理工大學、斯坦福大學和東京大學對BFOG偏振態(tài)、鎖定、判向、克爾效應及其它噪聲源曾進 行了一系列的研究，在國內北方交通大學對BFOG的閾值光功率、光偏振度等進行了理論分 析，均取得了一定的研究成果。隨著近幾年光纖通信領域相關技術的發(fā)展，窄帶抽運源、特 種光纖、新型高效耦合器等技術和器件的相繼突破給BFOG的發(fā)展帶來了機遇，因此對這種 新型光纖陀螺的研究具有重要的意義。S.Huang曾指出，克爾效應是BFOG的主要誤差源。 對于光纖陀螺中的克爾效應，國外有相關文獻研究了克爾效應對于光纖陀螺的影響，和對 BFOG中的克爾效應產生原因進行了基礎研究，但是對于克爾效應本身，目前尚未有提出良 好的解決方案。由于在同一個布里淵光纖陀螺敏感環(huán)中不可避免的存在泵浦游失效應，即 由于陀螺在轉動時，當諧振頻率鎖定在一路光的頻率時，反方向的光將產生諧振偏離，進而 使兩束光的光強不一致，最終產生光克爾效應。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠消除布里淵光纖陀螺中的諧振偏離，達到消除布 里淵光纖陀螺中的光克爾效應的目的雙環(huán)布里淵光纖陀螺。本發(fā)明的目的是這樣實現的包括布里淵光纖陀螺的窄譜泵浦光源1、光隔離器2、偏振控制器3、2X2的 50 50光纖耦合器4、第一 2X2的95 5光纖耦合器5、第二 2X2的95 5光纖耦合器 10、第一光纖環(huán)6、第二光纖環(huán)9、第一光纖環(huán)相位調制器7、第二光纖環(huán)相位調制器8、穩(wěn)頻 電路11和檢測電路12 ；窄譜泵浦光源1發(fā)出的泵浦光經過光隔離器2及偏振控制器3后 進入2X2的50 50光纖耦合器4，經過2X2的50 50光纖耦合器4后的兩束泵浦光分 別經過第一 2X2的95 5光纖耦合器5及第二 2X2的95 5光纖耦合器10后進入第 一光纖環(huán)6及第二光纖環(huán)9，兩個光纖環(huán)行腔具有完全相同的靜態(tài)特性，第一光纖環(huán)相位調 制器7及第二光纖環(huán)相位調制器8的安裝位置對稱，2X2的50 50光纖耦合器4及第二 2X2的95 5光纖耦合器10與穩(wěn)頻電路11相連接，穩(wěn)頻控制電路11閉環(huán)控制第一光纖 環(huán)相位調制器7與及第二光纖環(huán)相位調制器8。第一光纖環(huán)6及第二光纖環(huán)9由20米保偏光纖構成。第一光纖環(huán)相位調制器7及第二光纖環(huán)相位調制器8為PZT相位調制器。
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布里淵光纖陀螺基本光路結構如圖1所示。窄譜大功率光源11發(fā)出的光，經過光 隔離器12及偏振控制器13后在50 50耦合器14分成的兩束泵浦光經過95 5耦合器 15中沿兩相反方向在敏感環(huán)16中傳播，在光纖環(huán)中傳輸的兩束背向泵浦光，其強度達到一 定程度時就會在光纖環(huán)中產生受激布里淵散射，散射光的頻率由于受Sagnac效應的影響 而隨光纖環(huán)的旋轉角速度發(fā)生變化，由光電檢測器17檢測兩束受激布里淵光的拍頻，就可 以得到敏感環(huán)的旋轉角速度。經過推導后的光纖環(huán)旋轉角速度與兩束受激布里淵散射光的 拍頻的關系為 其中λ為泵浦光的波長，L為光纖線圈的長度，η為光纖折射率，A為光纖線圈面 積。克爾效應指的是光纖的折射率η隨光強而變化的非線性現象。它的表達式可以表 示為η = η0+ α n2P/Aeff(2)n0是正常情況下光纖折射率，n2是非線性指標系數，P是光功率，α是偏振因子 (2/3彡α彡1)，表示從圓偏振到線偏振的變化，Arff指的是光纖的有效截面積。由于克爾 效應的存在，BFOG內的的兩束受激布里淵散射光使得腔內的光纖折射率發(fā)生了輕微的改 變。如果兩受激布里淵散射光功率不平衡，就會產生折射率的不平衡，根據公式(1)可知陀 螺會存在一個附加拍頻。導致BFOG腔內兩受激布里淵散射光光強不平衡的原因主要有兩方面。一是器件 原因。光源的功率需要通過耦合器11分成功率相等的兩部分再進入光纖環(huán)形腔，如果耦合 器11的分光比不是1比1，就會在腔中產生克爾效應誤差。這種誤差往往比較小，可以通過 提高器件的精度來克服。導致功率不平衡的主要原因來自于BFOG獨特的工作原理。為了使BFOG工作在最 佳狀態(tài)，需要使腔內的循環(huán)光處于諧振態(tài)，這樣循環(huán)光會與入射光發(fā)生干涉而不流出，而兩 束受激布里淵散射光從腔中流出并產生拍頻。由于溫度變化等環(huán)境因素的影響，實際工作 中的BFOG難以在諧振點工作，一般通過腔長控制的方式來實現諧振穩(wěn)定。在陀螺轉動的時 候，兩束受激布里淵散射光會由于Sagnac效應而發(fā)生頻率分裂，假設陀螺工作在CCW方向 的受激布里淵散射光諧振峰上，那么另一束受激布里淵散射光會由于頻率分裂而偏離諧振 峰，從而產生了光強差。布里淵光纖陀螺由于Sagnac效應而發(fā)生頻率分裂示意圖如圖2所 示，圖中CCW及CW的兩束受激布里淵光由于頻率分裂，導致了光強差，最終將帶入克爾效應 誤差。當BFOG正常工作時，光纖敏感環(huán)中存在兩束泵浦循環(huán)光Icl和1。2，以及兩束受激 布里淵散射光Ibi和ΙΒ2。通過克爾效應，受激布里淵散射光Ibi對應的光纖折射率的非線性 系數為δηΒ1 = α n2 (IB1+2IB2+2Icl+2Ic3) /Aeff(3)上式右邊括號的第一項表示自相位調制，其余3項表示交叉相位調制。同理，由于 克爾效應，Ib2對應的光線折射率的非線性系數為δηΒ2 = α n2 (2IB1+IB2+2Icl+2Ic3) /Aeff(4)
則兩束受激布里淵散射光Ibi和Ib2所對應的折射率變化之差為 假設所有的光波都有著相同的本征偏振態(tài)模式，并且腔內只發(fā)生一階受激布里淵 散射，由功率不平衡導致的附加拍頻可以表示為 其中η為克爾效應系數，與光纖參數有關，它反映了拍頻對于兩受激布里淵散射 光強差的依賴程度。fB是兩束布里淵散射波的平均頻率。隨著旋轉角速度的增大，諧振偏 離會導致腔內光強小于受激布里淵散射的閾值而沒有拍頻產生，因而限制了 BFOG的動態(tài) 工作范圍。BFOG工作的時候，只要順逆時針方向的光路通過同一個光纖環(huán)，由于需要對一路 光路進行穩(wěn)頻處理，克爾效應導致的諧振偏離現象就難以避免。為此本發(fā)明構思了一種雙 環(huán)BFOG結構，用來解決諧振偏離的問題。窄譜光源1發(fā)出的泵浦光經過光隔離器2及偏振 控制器3后，然后進入50 50耦合器4，經過耦合器4后的兩束泵浦光分別經過95 5的 光纖耦合器5及耦合器10后進入光纖環(huán)6及光纖環(huán)9，這兩個光纖環(huán)行腔具有完全相同的 靜態(tài)特性，腔內相位調制器7及調制器8的安裝位置對稱，在陀螺工作的時候，兩個環(huán)形腔 同時通過穩(wěn)頻電路使腔內的光強最大。雙環(huán)BFOG在工作的時候，由于兩個光纖環(huán)行腔的靜態(tài)特性相同并且平行放置，其 中一個腔中只有一束順時針傳播的受激布里淵散射光，另一個腔中只有一束逆時針傳播的 受激布里淵散射光，這兩束受激布里淵散射光感應Sagnac效應而產生的頻率改變值大小 相等并且一正一負，它們的頻差被檢測電路所檢測。由于采用3dB耦合器，對于兩靜態(tài)相同 的光纖環(huán)行腔來說，經過穩(wěn)頻處理后的兩束出射的受激布里淵散射光的光強相等，這就避 免了諧振偏離效應帶來的影響。同時，兩束受激布里淵散射光的光強均為最大值，容易產生 清晰的干涉信號。而且，雙環(huán)結構可避免單環(huán)結構中由于順、逆信號光共用2X2耦合器而 引入的耦合干擾噪聲。理想情況下，雙環(huán)BFOG的拍頻可以用公式(1)表示，光纖環(huán)旋轉角 速度與拍頻之間具有良好的線性關系。本發(fā)明在對BFOG中的克爾效應進行了理論分析，對BFOG克爾效應誤差的產生機 理做了深入研究，并探討了它對陀螺輸出拍頻以及動態(tài)范圍的影響的基礎上，提出了一種 全新的雙環(huán)BFOG方案，為消除BFOG克爾效應誤差提供了一種解決途徑。實現布里淵光纖陀螺關鍵難題之一即布里淵光纖陀螺中的光克爾效應。通過本發(fā) 明的雙環(huán)方案，能夠消除布里淵光纖陀螺中的諧振偏離，達到消除布里淵光纖陀螺中的光 克爾效應的目的。這一發(fā)明不僅對布里淵光纖陀螺的實現有重要的價值，而且對布里淵有 源光纖環(huán)形腔應用的多個領域如窄線激光器，光譜測量，分布式壓力及溫度傳感，光纖移頻 器等也有深遠的意義。雙環(huán)BFOG和單環(huán)結構的BFOG相比，在陀螺實際工作時不會出現諧振偏離的現象， 完全能夠抑制由于克爾效應帶來的拍頻誤差。


圖1為布里淵型光纖陀螺基本結構圖；圖2為腔內兩束受激布里淵散射光諧振偏離示意圖；圖3為雙環(huán)布里淵光纖陀螺方案示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述如圖3所示，本發(fā)明包括布里淵光纖陀螺的窄譜泵浦光源1 ；光隔離器2 ；偏振控 制器3;2X2的50 50光纖耦合器4;用來耦合第一個光纖環(huán)的2X2的95 5光纖耦合 器5及用來耦合第二個光纖環(huán)的2X2的95 5光纖耦合器10;第一個光纖環(huán)6及第二個 光纖環(huán)9，兩個光纖環(huán)的靜態(tài)相同，每個光纖環(huán)由20米保偏光纖構成；第一個光纖環(huán)相位調 制器7及第二個光纖環(huán)相位調制器8，方案中腔長調制器采用PZT ；用于檢測泵浦光進行調 節(jié)腔長的穩(wěn)頻電路11及用于檢測布里淵光纖陀螺拍頻信號的檢測電路12。光隔離器2用于隔離背向反射光對泵浦光源的影響，因為泵浦光的質量及穩(wěn)定性 直接影響到受激布里淵散射光的穩(wěn)定性，進而對布里淵光纖陀螺的精度產生影響；光隔離 器2后接入的是偏振控制器3，偏振控制器3用來控制泵浦光的偏振特性，以保證光路中光 的偏振穩(wěn)定；泵浦光經2X2的50 50光纖耦合器4的4_1端口進入耦合器4，耦合器4的 4_3端口出射的泵浦光由耦合器5的5_1端進入耦合器5，大部分泵浦光耦合進第一個光纖 環(huán)6;另一束泵浦光由耦合器的4_4端口出射由耦合器10的10_1端口進入，經過95 5的 光纖耦合器10將大部分泵浦光耦合進第二個光纖環(huán)9 ；當光纖環(huán)6及光纖環(huán)9處于諧振狀 態(tài)時，光纖環(huán)6內的光與耦合器5入射的泵浦光將發(fā)生強烈的干涉，則耦合器5的5_2端的 出射泵浦光為0，同理，耦合器10的10_2端的出射泵浦光也為0，通過檢測耦合器5的5_2 端的出射泵浦光強及耦合器10的10_2端的出射泵浦光強是否為0可以判定兩個光纖環(huán)是 否處于諧振狀態(tài)，通過穩(wěn)頻電路11進行閉環(huán)控制相位調制器7及相位調制器8，腔內的兩 個相位調制器的安裝位置對稱可以使兩個光纖環(huán)保持工作在諧振狀態(tài)下。第一個光纖環(huán)6 中的泵浦光在光纖環(huán)中激發(fā)出與泵浦光傳播方向相反的受激布里淵光，經耦合器5的5_1 端口輸出；第二個光纖環(huán)9中的泵浦光在光纖環(huán)中激發(fā)出與泵浦光傳播方向相反的另一束 受激布里淵光，經耦合器10的10_1端口輸出；兩束受激布里淵光在耦合器4處進行干涉拍 頻，拍頻信號由檢測電路12進行檢測并解算出布里淵光纖陀螺的旋轉角速度。
權利要求
一種雙環(huán)布里淵光纖陀螺，其特征是包括布里淵光纖陀螺的窄譜泵浦光源(1)、光隔離器(2)、偏振控制器(3)、2×2的50∶50光纖耦合器(4)、第一2×2的95∶5光纖耦合器(5)、第二2×2的95∶5光纖耦合器(10)、第一光纖環(huán)(6)、第二光纖環(huán)(9)、第一光纖環(huán)相位調制器(7)、第二光纖環(huán)相位調制器(8)、穩(wěn)頻電路(11)和檢測電路(12)；窄譜泵浦光源(1)發(fā)出的泵浦光經過光隔離器(2)及偏振控制器(3)后進入2×2的50∶50光纖耦合器(4)，經過2×2的50∶50光纖耦合器(4)后的兩束泵浦光分別經過第一2×2的95∶5光纖耦合器(5)及第二2×2的95∶5光纖耦合器(10)后進入第一光纖環(huán)(6)及第二光纖環(huán)(9)，兩個光纖環(huán)行腔具有完全相同的靜態(tài)特性，第一光纖環(huán)相位調制器(7)及第二光纖環(huán)相位調制器(8)的安裝位置對稱，2×2的50∶50光纖耦合器(4)及第二2×2的95∶5光纖耦合器(10)與穩(wěn)頻電路(11)相連接，穩(wěn)頻電路(11)閉環(huán)控制第一光纖環(huán)相位調制器(7)與及第二光纖環(huán)相位調制器(8)。
2.根據權利要求1所述的雙環(huán)布里淵光纖陀螺，其特征是第一光纖環(huán)(6及第二光纖 環(huán)(9)由20米保偏光纖構成。
3.根據權利要求1或2所述的雙環(huán)布里淵光纖陀螺，其特征是第一光纖環(huán)相位調制 器(7)及第二光纖環(huán)相位調制器(8)為PZT相位調制器。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種雙環(huán)布里淵光纖陀螺。窄譜泵浦光源發(fā)出的泵浦光經過光隔離器及偏振控制器后進入耦合器，經過耦合器后的兩束泵浦光分別經過耦合器進入第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)，兩個光纖環(huán)行腔具有完全相同的靜態(tài)特性，兩個光纖環(huán)的相位調制器的安裝位置對稱，耦合器及第二光纖環(huán)的耦合器與穩(wěn)頻電路相連接，穩(wěn)頻電路閉環(huán)控制兩個光纖環(huán)的相位調制器。本發(fā)明能夠消除布里淵光纖陀螺中的諧振偏離，達到消除布里淵光纖陀螺中的光克爾效應的目的。不僅對布里淵光纖陀螺的實現有重要的價值，而且對布里淵有源光纖環(huán)形腔應用的多個領域如窄線激光器，光譜測量，分布式壓力及溫度傳感，光纖移頻器等也有深遠的意義。
文檔編號G01C19/72GK101900556SQ20101022652
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權日2010年7月15日
發(fā)明者何周, 張勇, 張琛, 李緒友, 王剛, 王珺, 王瑞 申請人:哈爾濱工程大學