專利名稱：基于并行反饋的激光陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種基于并行反饋的激光陀螺。
背景技術(shù)：
高精度、高穩(wěn)定性慣導(dǎo)級光學(xué)陀螺是航天、航海的制導(dǎo)、穩(wěn)像穩(wěn)瞄等慣性測量系統(tǒng) 急需的核心部件。光學(xué)陀螺主要包括光纖陀螺和激光陀螺。激光陀螺在高精度陀螺市場上 占優(yōu)勢。但是激光陀螺的傳感元件為氣體激光器，氣體易泄漏，壽命不如光纖陀螺長。激光 陀螺則因其諧振性而擁有更大的動態(tài)范圍和更高的測量精度。光纖激光陀螺綜合了光纖 陀螺與激光陀螺的優(yōu)點，它利用光纖的固態(tài)性能和激光器的諧振性，具有動態(tài)范圍大、精度 高、抗振動沖擊性能好、壽命長等特點。光纖激光陀螺的理論精度與傳統(tǒng)He-Ne激光陀螺同 級，可達到0.100° /h-o.oor /h慣導(dǎo)級水平，且避免了氣體激光陀螺制作時的超級工藝 難度(如鍍制99. 999的高反射膜和密封技術(shù))。光纖激光陀螺的工藝制作如同光纖陀螺，通過并不復(fù)雜的光纖熔接和結(jié)構(gòu)裝配技 術(shù)，即可獲得激光陀螺的高精度。此外，在同等高的精度下，工作環(huán)的摻鉺光纖長度只需十 幾米，而光纖陀螺則需要2 4km的保偏光纖，光纖激光陀螺的成本遠低于光纖陀螺和激光 陀螺。而且，光纖激光陀螺光學(xué)系統(tǒng)中需要電驅(qū)動的器件只有半導(dǎo)體泵浦激光器，它的驅(qū)動 電壓只需3 5V，而激光陀螺氣體放電則需要幾千伏電壓，因此光纖激光陀螺的功耗遠小 于激光陀螺，也略小于光纖陀螺。光纖激光陀螺作為高精度陀螺，其應(yīng)用領(lǐng)域為航空、航天、航海及車輛的精確慣導(dǎo) 和陀螺羅經(jīng)的場合，如戰(zhàn)機、艦船、火炮戰(zhàn)車和各類航彈、導(dǎo)彈的自主導(dǎo)航、精確對準、精密 儀器的穩(wěn)瞄穩(wěn)像和自行控制等系統(tǒng)。同時它在民用領(lǐng)域如衛(wèi)星、民航飛機及汽車的導(dǎo)航定 向，精密探測儀器的穩(wěn)定等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。目前，光纖激光陀螺的發(fā)展瓶頸在于由于現(xiàn)有的光纖激光器線寬普遍在kHz量 級，從而導(dǎo)致光纖激光陀螺很難達到高精度。圖1示出了光纖激光陀螺的基本組成以及工作流程。如圖1所示，首先，泵浦激光 器生成激光，在經(jīng)過光纖環(huán)形諧振腔后產(chǎn)生A A =40nm的寬帶激光，然后經(jīng)過注入被動飽 和吸收(S為kHz量級)并利用窄帶光學(xué)濾波器處理后，通過模式競爭產(chǎn)生單模激光。此 后，進行有源敏感頭Sagnac效應(yīng)相干探測，利用PIN探測器進行光電變換獲得電信號數(shù)據(jù)， 然后進行信號處理來輸出Q值，由此實現(xiàn)光纖激光陀螺的角速度測量。圖2示出了光纖激光陀螺的基本結(jié)構(gòu)。如圖2所示，波長為980nm的泵浦光經(jīng)波分 復(fù)用器WDM輸入到環(huán)形諧振腔內(nèi)，摻鉺增益光纖受泵浦光的激勵產(chǎn)生中心波長為1550nm、 譜線寬度為40nm的寬帶激光，分別沿順時針(CW)方向和逆時針(CCW)方向傳輸，偏振態(tài)由 偏振控制器PC控制。經(jīng)過窄線寬光學(xué)濾波器濾波，光譜線寬壓縮為kHz以下，當(dāng)物體以某一角速度旋轉(zhuǎn)時，環(huán)內(nèi)順時針和逆時針方向傳輸?shù)膬墒す庠赟agnac效應(yīng)的作用下產(chǎn)生 方向相反的頻移Av，通過一個光纖耦合器的耦合使兩輸出激光信號間產(chǎn)生拍頻，然后探測 器進行差頻信號檢測，計算出物體的旋轉(zhuǎn)角速度。頻差為△v＝vcω-vccω =——份，等式(1)窄線寬光學(xué)濾波器由摻鉺增益光纖和光纖光柵構(gòu)成，其基本工作原理為信號光進 入摻鉺增益光纖，產(chǎn)生飽和吸收形成瞬態(tài)光柵，對激光進行窄帶濾波，從而形成穩(wěn)定的單模 窄線寬工作激光。這種方法簡單有效，是目前實現(xiàn)窄線寬的主要方式。但是，這種方法實現(xiàn) 雙向出光很復(fù)雜，而且進一步壓縮線寬要大幅度增長參鉺光纖長度，因此實現(xiàn)超窄線寬很 困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于并行反饋的激光陀螺，該激光陀螺可以放大 Sagnac效應(yīng)，同時大幅度提高精度。在本發(fā)明中，針對激光器的當(dāng)前正反饋結(jié)構(gòu)僅為單向反饋回路不能進一步提高激 光器性能的問題，通過對比單環(huán)和復(fù)合諧振腔，提出了并行多路反饋結(jié)構(gòu)方案。具體是利用 具有極多模式的多模光傳輸介質(zhì)，并由此形成基于并行反饋的激光陀螺。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于并行反饋的激光陀螺，包括摻鉺光纖放 大器、F-P腔濾波器、單模光傳輸介質(zhì)、多模光傳輸介質(zhì)、90 10耦合器、50 50耦合器以 及光電檢測裝置，其中所述摻鉺光纖放大器分別經(jīng)由單模光傳輸介質(zhì)與F-P腔濾波器、多 模光傳輸介質(zhì)、90 10耦合器串連，以形成一個環(huán)形腔，并且所述90 10耦合器的直通端 接入所述環(huán)形腔，兩個耦合端作為雙向光路輸出端口，所述90 10耦合器的兩個耦合輸出 端連接50 50耦合器的兩個輸入端，50 50耦合器的輸出端連接所述光電檢測裝置。此外，所述單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳輸介質(zhì)分別是單模和多模光纖、光波導(dǎo)或 光子晶體。在所述多模光傳輸介質(zhì)包括多段光傳輸介質(zhì)時，單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳輸介 質(zhì)按照交替的方式構(gòu)成由單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳輸介質(zhì)構(gòu)成的光傳輸結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述多模光纖的外芯直徑為125 u m,內(nèi)芯直徑為100 u m。所述多模光纖 的長度為5m。此外，優(yōu)選地，所述單模光傳輸介質(zhì)包括多段單模光傳輸介質(zhì)，所述多模光傳輸介 質(zhì)包括多段多模光傳輸介質(zhì)。所述單模和多模光傳輸介質(zhì)可以分別是單模光纖和多模光 纖，所述多段多模光纖的外芯直徑為125 u m,內(nèi)芯直徑為100 u m,且每段多模光纖的長度 為5m。有益效果根據(jù)本發(fā)明提供的基于并行反饋的激光陀螺，可以利用激光陀螺結(jié)構(gòu)中所添加的 多模光傳輸介質(zhì)來壓縮線寬，而無需大幅度增長摻鉺光纖長度，從而克服了現(xiàn)有窄線寬激 光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本昂貴的缺點，并且進一步大大壓縮了線寬，實現(xiàn)了超窄線寬激光輸出， 根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺的出射激光的線寬達到15Hz，其仿真結(jié)果甚至可以達到亞Hz量級， 由此大大提高激光陀螺的測量精度及降低成本。此外，根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺還可以放大薩格耐克效應(yīng)。為了實現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個或多個方面包括后面將詳細說明并在 權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明了本發(fā)明的某些示例性方面。 然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明 旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。


通過參考以下結(jié)合附圖的說明及權(quán)利要求書的內(nèi)容，并且隨著對本發(fā)明的更全面 理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中圖1示出了光纖激光陀螺的基本組成與工作流程的示意圖；圖2示出了現(xiàn)有的光纖激光陀螺的基本結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3示出了并行反饋結(jié)構(gòu)的示意4示出了根據(jù)本發(fā)明的并行反饋光纖激光陀螺的最小結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的并行反饋光纖激光陀螺的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6示出了圖5的并行反饋光纖激光陀螺的結(jié)構(gòu)所測得的由于地球自轉(zhuǎn)角速度所 導(dǎo)致的雙向頻差；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的并行反饋光纖激光陀螺的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8示出了圖7的并行反饋光纖激光陀螺的結(jié)構(gòu)所測得的由于地球自轉(zhuǎn)角速度所 導(dǎo)致的雙向頻差；圖9示出了由單模光波導(dǎo)和多模光波導(dǎo)構(gòu)成的并行反饋光傳輸結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10示出了由單模光子晶體和多模光子晶體構(gòu)成的并行反饋光傳輸結(jié)構(gòu)的示意 圖。在所有附圖中相同的標號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
具體實施例方式在進行根據(jù)本發(fā)明的并行反饋激光陀螺的實施例描述之前，首先解釋幾個概念。 這里，以光纖激光陀螺為例進行說明。(1)共腔結(jié)構(gòu)。所謂共腔結(jié)構(gòu)是指不同的諧振腔存在一段共同的諧振回路。通過 理論推導(dǎo)可以證明共腔結(jié)構(gòu)可以使激光器有效實現(xiàn)鎖模來穩(wěn)定運行，并且具有非常好的 抗干擾性能。(2)并行反饋回路，是指在上面提出的共腔概念的基礎(chǔ)上，使光纖激光器中的正反 饋回路為多路并行，通過不同回路之間光的相干疊加作用，使得最后輸出激光的波形有所 改善。通過仿真和實驗證明采用多模光纖搭建的并行反饋激光器可以實現(xiàn)超窄線寬到Hz 以下量級。而目前現(xiàn)有商用光纖激光器線寬都在kHz以上，而且價格昂貴。下面對與根據(jù)本發(fā)明的并行反饋光纖激光陀螺相關(guān)的工作原理進行詳細說明。1.并行反饋結(jié)構(gòu)的諧振原理圖3示出了并行反饋結(jié)構(gòu)的示意圖。對于雙耦合器的MZI結(jié)構(gòu)諧振腔，在不考慮 偏振態(tài)、熔接損耗和傳輸衰減且光源為單頻的情況下，其諧振選頻原理推導(dǎo)如下
假設(shè)輸入光強為
權(quán)利要求
一種基于并行反饋的激光陀螺，包括摻鉺光纖放大器、F P腔濾波器、單模光傳輸介質(zhì)、多模光傳輸介質(zhì)、90∶10耦合器、50∶50耦合器以及光電檢測裝置，其中所述摻鉺光纖放大器分別經(jīng)由單模光傳輸介質(zhì)與F P腔濾波器、多模光傳輸介質(zhì)、90∶10耦合器串連，以形成一個環(huán)形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述環(huán)形腔，兩個耦合端作為雙向光路輸出端口，所述90∶10耦合器的兩個耦合輸出端連接50∶50耦合器的兩個輸入端，50∶50耦合器的輸出端連接所述光電檢測裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺，其中，所述單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳輸介質(zhì)分別 是單模和多模光纖、光波導(dǎo)或光子晶體。
3.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺，其中，在所述多模光傳輸介質(zhì)包括多段光傳輸介質(zhì) 時，單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳輸介質(zhì)按照交替的方式構(gòu)成由單模光傳輸介質(zhì)和多模光傳 輸介質(zhì)構(gòu)成的光傳輸結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求2所述的激光陀螺，其中，所述多模光纖的外芯直徑為125μπι，內(nèi)芯直徑 為 100 μ m。
5.如權(quán)利要求2所述的激光陀螺，其中，所述多模光纖的長度為5m。
6.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺，其中，所述單模光傳輸介質(zhì)包括多段單模光傳輸介 質(zhì)，所述多模光傳輸介質(zhì)包括多段多模光傳輸介質(zhì)。
7.如權(quán)利要求6所述的激光陀螺，其中，所述單模和多模光傳輸介質(zhì)分別是單模光纖 和多模光纖，所述多段多模光纖的外芯直徑為125 μ m，內(nèi)芯直徑為100 μ m，且每段多模光 纖的長度為5m。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于并行反饋的激光陀螺，包括摻鉺光纖放大器、F-P腔濾波器、多模光傳輸介質(zhì)、90∶10耦合器、50∶50耦合器以及光電檢測裝置，其中所述摻鉺光纖放大器分別經(jīng)由單模光傳輸介質(zhì)與F-P腔濾波器、多模光傳輸介質(zhì)、90∶10耦合器串連，以形成一個環(huán)形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述環(huán)形腔，兩個耦合端作為雙向光路輸出端口，所述90∶10耦合器的兩個耦合輸出端連接50∶50耦合器的兩個輸入端，50∶50耦合器的輸出端連接所述光電檢測裝置。根據(jù)本發(fā)明的超窄線寬激光陀螺，可以利用多模光傳輸介質(zhì)來壓縮線寬，而無需大幅度增長摻鉺光纖長度，從而大大提高光纖激光陀螺的測量精度及降低成本。此外，根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺還可以放大薩格耐克效應(yīng)。
文檔編號G01C19/72GK101995246SQ20101050840
公開日2011年3月30日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者余曉琦, 徐連宇, 朱立新, 李正斌, 王大量, 王子南, 王玉潔, 王翠云, 蔣云, 賈雷 申請人:北京大學(xué)