CN105953817B - 一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法。在Y波导芯片与2×2保偏耦合器、Y波导芯片和光纤环组装时，利用白光干涉分布式测量的特点，对Y波导输入、输出处的保偏光纤的对准情况进行测量，使用特征峰的幅值大小确定组装角度，将光纤陀螺与Y波导的制作过程合并，对器件进行筛选、对准和固化状态进行调整，实现2×2保偏耦合器、Y波导和光纤环之间无焊点的连接，提高光纤陀螺的一体化水平。本发明具有光纤陀螺核心敏感光路焊点少、一体化程度高、监测装置搭建简单、Y波导输入与输出口串扰低等优点，广泛用于光纤陀螺核心敏感光路的组装中。

Description

一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤测量装置的组装方法，具体涉及到一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法。

背景技术

陀螺是构成惯导系统的基础核心部件，其发展水平影响并制约着惯导系统的发展。光纤陀螺具有固态设计、抗冲击、功耗低、平均无故障时间长等特点，其在惯导系统中的应用使惯导的优势更加突出。由于光纤陀螺是由多个波导器件构成，各个波导器件间连接的紧密性和连续性是影响光纤陀螺精度和可靠性的重中之重。

光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。OCDP技术作为一种非常有前途的分布式光学偏振性能的检测方法，被广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域。与偏振时域反射技术(POTDR)、光频域反射技术(OFDR)、光相干域反射技术(OCDR)等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单、高空间分辨率(5～10cm)、大测量范围(测量长度几公里)、超高测量灵敏度(耦合能量-80～-100dB)、超大动态范围(10⁸～10¹⁰)等优点。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。

自光纤陀螺发明以来，世界上各种研究部门和机构对其性能提升作出大量研究。光纤陀螺的研究开始于1976年，美国的Utah大学的Vali和R.W.Shorthill首次提出光纤陀螺的概念，利用光纤Sagnac干涉效应，主要是对干涉式光纤陀螺(I-FOG)的研究，这一阶段的重点在于改进其灵敏度和减少误差因素的影响。80年代，开始对标度因子的性能进行研究，首次以闭环系统的形式构成光纤陀螺系统。1987年，美国的Nichola J等人提出了一种提升光纤陀螺动态范围和稳定性的方法(US4776700)；2002年，Bogdan Szafraniec等人提出对第一光纤和第二光纤对准角度进行设定并使用消偏镜的方法(US6801319B2)；2005年，Chung-Jen Chen等提出了一种光纤陀螺仪的对准方法(US2007/0121117A1)，通过使用两个光源的办法，利用相位变化对光纤陀螺仪进行校准。

自精度光纤陀螺在上世纪90年代开始使用以来，技术研究比较早的惯导公司有Honeywell、Northrop、Ixspace等，其产品已覆盖战术级、惯性级、战略级等不同精度要求范围，广泛用于航空、航天等领域。

对于光纤陀螺而言，如何在组装过程中发挥白光干涉测试系统的效能，使其对各个组装过程进行有效的量化指导，对于最终组装的光纤陀螺性能优劣具有重要影响。合理减少波导间的焊点，发展一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，对于提高光纤陀螺的整体性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有连接紧凑、一体化程度高等特点，可用于光纤陀螺核心敏感光路组装的光纤陀螺核心敏感光路的组装方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对光纤环进行测试和筛选：将宽谱光源与2×2保偏耦合器的第一端c1连接、光纤环的第一端s1与2×2保偏耦合器的第三端c3对准连接、光纤环的第二端s2与白光监测装置对准连接，

打开宽谱光源，调节白光监测装置的偏振态控制器、通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，若光纤环干涉图谱中显示的光纤环整体串扰较小即高于55dB且无杂散峰的存在，则光纤环通过筛选，否则更换光纤环重新测试筛选；

(2)在非闭合状态下，2×2保偏耦合器的第三端c3与Y波导的第一端口J1对准，Y波导的第二端口J2与光纤环的第一端s1对准，光纤环的第二端s2连接白光监测装置，

调节白光监测装置的偏振态控制器、通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，利用2×2保偏耦合器的第三端c3和光纤环的长度分别找到Y波导的特征峰与Y波导的第一端口J1和Y波导的第二端口J2的串扰峰；

改变2×2保偏耦合器的第三端c3与Y波导的第一端口J1的对准角度，并重复测量光纤环干涉图谱，Y波导的第一端口J1点处的串扰最小即高于50dB，对Y波导的第一端口J1点进行点胶固化；改变光纤环的第一端s1与Y波导的第二端口J2的对准角度，并重复测量光纤环干涉图谱，使Y波导的第二端口J2点处的串扰最小即高于50dB，对波导的第二端口J2点进行点胶固化；

(3)在闭合状态下，光纤环的第一端s1与Y波导的第三端口J3对准，2×2保偏耦合器的第二端c2连接白光监测装置，

调节白光监测装置的偏振态控制器，通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，利用2×2保偏耦合器的第三端c3和光纤环的长度找到Y波导的第三端口J3的串扰峰，

改变光纤环的第二端s2与Y波导的第三端口J3的对准角度，重复测量光纤环干涉图谱，使Y波导的第三端口J3点处的串扰最小即高于50dB，对Y波导的第三端口J3点进行点胶固化，完成组装过程。

白光监测装置由光程相关装置和信号检测与处理装置组成，所述光程相关装置包括1×2耦合器、1×2耦合器分别与偏振态控制器的一端和三端口环形器的第一端口连接，三端口环形器的第三端口连接准直镜，准直镜连接可移动反射镜，偏振态控制器的另一端和三端口环形器的第二端口分别连接2×2耦合器的两个端口，2×2耦合器的另外两个端口各连接一个探测器，1×2耦合器经起偏器与光纤环的第二端s2连接。

由准直器和可移动反射镜组成的光学延迟线的扫描范围S、2×2保偏耦合器的第三端c3的长度为l₁、光纤环长度L、起偏器的尾纤p1的长度l₂之间满足：

S>L+l₁+l₂

并且，光程扫描范围的中点选择为偏振串音测量数据的最大峰值的位置。

本发明提供了一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，具有连接紧凑、一体化程度高等特点，可用于光纤陀螺核心敏感光路的组装。

本发明提出的光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，包括宽谱光源、2×2保偏耦合器与Y波导芯片、Y波导芯片与光纤环的组装方法，利用白光干涉测量原理，使用宽谱光源分别对光纤环进行筛选、实现对Y波导输入输出与2×2保偏耦合器和光纤环连接的实时监测与固化，最后连接光纤陀螺的偏振激光光源，达到光纤陀螺各连接部件紧密连接的目的，大大减少连接部件间焊点的数目。具体过程主要包括：

(1)对光纤环进行测试和筛选。依次连接宽谱光源、2×2保偏耦合器、光纤环、白光监测装置。宽谱光源与2×2保偏耦合器的c1端连接，光纤环的s1端与2×2保偏耦合器的c3端对准连接，将光纤环的s2端与白光监测装置对准连接。

打开宽谱光源，调节偏振态控制器，通过扫描可移动反射镜，得到光纤环干涉图谱。若光纤环干涉图谱中显示的光纤环整体串扰较小(高于55dB)且无杂散峰的存在，则光纤环通过筛选；若不满足以上条件，则需更换光纤环重新测试筛选。选用合适的光纤环，进行下一步组装。

(2)在非闭合状态下，连接2×2保偏耦合器、Y波导、光纤环。依次连接宽谱光源、2×2保偏耦合器、Y波导、光纤环、白光监测装置，其中2×2保偏耦合器的输出c3端与Y波导的J1端口对准，Y波导的J2端口与光纤环的s1端口对准，光纤环的s2端口连接白光监测装置。

调节偏振态控制器，通过扫描可移动反射镜，得到光纤环干涉图谱。利用2×2保偏耦合器的输出c3端和光纤环的长度分别找到Y波导的特征峰与J1和J2的串扰峰。

通过Y波导特征峰对其进行筛选，选择使用串扰低的Y波导；改变2×2保偏耦合器的输出c3端与Y波导输入端J1的对准角度，并重复测量干涉图谱，使J1点处的串扰最小(高于50dB)，此时对J1点进行点胶固化；改变光纤环的s1端与Y波导输出端J2的对准角度，并重复测量干涉图谱，使J2点处的串扰最小(高于50dB)，此时，对J2点进行点胶固化。

(3)在闭合状态下，连接2×2保偏耦合器、Y波导、光纤环。依次连接宽谱光源、2×2保偏耦合器、Y波导、光纤环、白光监测装置，其中光纤环的s1端口与Y波导的J3端口与对准，2×2保偏耦合器的c2端连接白光监测装置。

调节偏振态控制器，通过扫描可移动反射镜，得到光纤环干涉图谱。利用2×2保偏耦合器的输出c3端和光纤环的长度，在步骤(3)测量的基础上，找到J3的串扰峰。改变光纤环的s2端与Y波导输出端J3的对准角度，重复测量干涉图谱，使J3点处的串扰最小(高于50dB)，此时，对J3点进行点胶固化，完成组装过程。

对于由准直器和可移动反射镜组成的光学延迟线的扫描范围S，2×2保偏耦合器的c3端的长度为l₁，光纤环长度为L，起偏器的尾纤的长度为l₂，对于扫描范围S需满足：

S>L+l₁+l₂ (1)

并且，光程扫描范围的中点尽量选择为偏振串音测量数据的最大峰值的位置。

白光监测装置由光程相关装置和信号检测与处理装置组成。光程相关装置，由1×2耦合器、偏振态控制器、环形器、准直镜、可移动反射镜、2×2耦合器、探测器组成。

本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)的测量装置。ODCP的工作原理如图1所示，以保偏光纤的性能测试为例，由宽谱光源发出的高稳定宽谱偏振光301注入到一定长度的保偏光纤321的慢轴(快轴时，原理相同)。由于在偏振器件中并非所有的光都是严格按照保偏轴传输的，会存在非理想的缺陷点或者连接。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点311时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束303，剩余的传输光束302依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射Δn(例如：5×10^-4)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为l)，则传输在慢轴的传输光302和传输在快轴的耦合光303之间将存在一个光程差Δnl。上述光束通过焊接点或者旋转连接头312，进入光程相关器330中。在光程相关器330中，偏振分束镜332、固定反射镜334、移动反射镜338组成一个Michelson光学干涉仪。光束302和303经过偏振分束镜332后在光程相关器330分为固定臂和扫描臂中的两部分。固定臂中传输的光经过固定反射镜334的反射后到达探测器339；扫描臂中传输的光经过移动反射镜338的反射后也到达探测器339，两部分光汇聚在探测器339上形成白光干涉信号，被其接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路341处理后，送入测量计算机342中；测量计算机342另外还要负责控制移动反射镜338实现光程扫描。

在测量计算机342的控制下，Michelson干涉仪的移动反射镜338使干涉仪两臂的光程差从Δnl经过零，扫描至-Δnl，如图2所示：

(1)当光程差等于Δnl时，扫描臂中光204与固定臂中光201发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比。

(2)当光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光205与光201、光206与光202发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为I_coupling∝I₀，它与光源强度与正比。

(3)当光程差等于Δnl时，扫描臂中光207与固定臂中光202发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比。

对干涉信号进行处理，归一化后换算成dB值，通过对干涉峰的以此幅度和距离的检测，即可得到保偏光纤缺点的位置和消光比等重要信息。

在光纤陀螺组装过程中，通过对光路中各处串扰的分布式测量，得到连接处的串扰情况并对其进行调整固化，得到一体化的光纤陀螺仪。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出的光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，分布对光纤环、Y波导、保偏耦合器进行筛选和组装，可实现光纤陀螺的一体化连接，大大减小光路中的焊点个数。

(2)通过白光干涉测量光路监测的方法，使连接点处的串扰达到最低，光纤陀螺的组装方法减小了串扰对核心敏感光路的干扰，提高光纤陀螺的灵敏度。

附图说明

图1是光学器件的分布式偏振串扰单一缺陷点测量的光学原理示意图；

图2是单一偏振串扰形成的干涉信号峰与传输光衰减倍数的对应关系示意图；

图3是光纤环测试及筛选装置示意图；

图4是2×2保偏耦合器与Y波导输入口、Y波导某一输出口与光纤环的测量与组装示意图；

图5是Y波导另一输出口与光纤环的测量与组装示意图；

图6是光纤陀螺核心敏感光路的组装结果示意图；

图7是光纤陀螺核心敏感光路的组装流程图。

具体实施方式

为清楚地说明本发明光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

光纤陀螺核心敏感光路的组装过程，如图4、5、6所示。主要光电器件的选择及其参数如下：

(1)宽谱光源101的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率范围0～2mW，消光比大于6dB；

(2)2×2保偏耦合器102的工作波长为1550nm，插入损耗小于0.5dB；

(3)光纤环104的工作波长为1550nm，光纤类型为保偏光纤，环衰减小于1dB/km；

(4)45检偏器105的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB；

(5)1×2耦合器111工作波长为1550nm，插入损耗小于0.5dB，分光比为50/50；

(6)偏振态控制器112的工作波长为1550nm，插入损耗为0.5dB；

(7)三端口环形器113的工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB；

(8)自聚焦准直透镜114的工作波长为1550nm，它与可移动光学反射镜115(反射率为92％以上)之间的光程扫描距离大约在0～400mm之间变化，平均插入损耗为3.0dB；

(9)2×2耦合器124的工作波长为1550nm，插入损耗小于0.5dB；

(10)探测器117、118的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

光纤陀螺核心敏感光路的具体组装过程如下：

(1)对光纤环进行测试和筛选。依次连接宽谱光源101、2×2保偏耦合器102、光纤环104、白光监测装置130。宽谱光源101与2×2保偏耦合器102的c1端连接，光纤环104的s1端与2×2保偏耦合器102的c3端对准连接，将光纤环104的s2端与白光监测装置130对准连接。

打开宽谱光源101，调节偏振态控制器112，通过扫描可移动反射镜115，得到光纤环干涉图谱。若光纤环干涉图谱中显示的光纤环整体串扰较小(高于55dB)且无杂散峰的存在，则光纤环通过筛选；若不满足以上条件，则需更换光纤环重新测试筛选。选用合适的光纤环，进行下一步组装。

(2)在非闭合状态下，连接2×2保偏耦合器102、Y波导103、光纤环104。依次连接宽谱光源101、2×2保偏耦合器102、Y波导103、光纤环104、白光监测装置130，其中2×2保偏耦合器102的输出c3端与Y波导103的J1端口对准，Y波导103的J2端口与光纤环的s1端口对准，光纤环的s2端口连接白光监测装置130。

调节偏振态控制器112，通过扫描可移动反射镜115，得到光纤环干涉图谱。利用2×2保偏耦合器102的输出c3端和光纤环104的长度分别找到Y波导103的特征峰与J1和J2的串扰峰。

通过Y波导103特征峰对其进行筛选，选择使用串扰低的Y波导103；改变2×2保偏耦合器102的输出c3端与Y波导103输入端J1的对准角度，并重复测量干涉图谱，使J1点处的串扰最小(高于50dB)，此时对J1点进行点胶固化；改变光纤环104的s1端与Y波导103输出端J2的对准角度，并重复测量干涉图谱，使J2点处的串扰最小(高于50dB)，此时，对J2点进行点胶固化。

(3)在闭合状态下，连接2×2保偏耦合器102、Y波导103、光纤环104。依次连接宽谱光源101、2×2保偏耦合器102、Y波导103、光纤环104、白光监测装置130，其中光纤环的s1端口与Y波导103的J3端口与对准，2×2保偏耦合器102的c2端连接白光监测装置130。

调节偏振态控制器112，通过扫描可移动反射镜115，得到光纤环干涉图谱。利用2×2保偏耦合器102的输出c3端和光纤环104的长度，在步骤3测量的基础上，找到J3的串扰峰。改变光纤环104的s2端与Y波导103输出端J3的对准角度，重复测量干涉图谱，使J3点处的串扰最小(高于50dB)，此时，对J3点进行点胶固化，完成组装过程。

由准直器114和可移动反射镜115组成的光学延迟线的扫描范围S，2×2保偏耦合器102的c3端的长度为l₁，光纤环长度为L，起偏器105的尾纤p1的长度为l₂，对于扫描范围S需满足：

S>L+l₁+l₂

并且，光程扫描范围的中点尽量选择为偏振串音测量数据的最大峰值的位置。

白光监测装置130由光程相关装置110和信号检测与处理装置120组成。光程相关装置110由1×2耦合器111、偏振态控制器112、环形器113、准直镜114、可移动反射镜115、2×2耦合器116、探测器117和118组成。

Claims (2)

1.一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，其特征是：

(1)对光纤环进行测试和筛选：将宽谱光源与2×2保偏耦合器的第一端(c1)连接、光纤环的第一端(s1)与2×2保偏耦合器的第三端(c3)对准连接、光纤环的第二端(s2)经起偏器与白光监测装置对准连接，所述白光监测装置由光程相关装置和信号检测与处理装置组成，光程相关装置由1×2耦合器、偏振态控制器、环形器、准直镜、可移动反射镜、2×2耦合器和探测器组成，1×2耦合器分别与偏振态控制器的一端和三端口环形器的第一端口连接，三端口环形器的第三端口连接准直镜，准直镜连接可移动反射镜，偏振态控制器的另一端和三端口环形器的第二端口分别连接2×2耦合器的两个端口，2×2耦合器的另外两个端口各连接一个探测器；

打开宽谱光源，调节白光监测装置的偏振态控制器、通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，若光纤环干涉图谱中显示的光纤环整体串扰较小即高于55dB且无杂散峰的存在，则光纤环通过筛选，否则更换光纤环重新测试筛选；

(2)在非闭合状态下，2×2保偏耦合器的第三端(c3)与Y波导的第一端口(J1)对准，Y波导的第二端口(J2)与光纤环的第一端(s1)对准，光纤环的第二端(s2)经起偏器连接白光监测装置，

调节白光监测装置的偏振态控制器、通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，利用2×2保偏耦合器的第三端(c3)和光纤环的长度分别找到Y波导的特征峰与Y波导的第一端口(J1)和Y波导的第二端口(J2)的串扰峰；

改变2×2保偏耦合器的第三端(c3)与Y波导的第一端口(J1)的对准角度，并重复测量光纤环干涉图谱，Y波导的第一端口(J1)点处的串扰最小即高于50dB，对Y波导的第一端口(J1)点进行点胶固化；改变光纤环的第一端(s1)与Y波导的第二端口(J2)的对准角度，并重复测量光纤环干涉图谱，使Y波导的第二端口(J2)点处的串扰最小即高于50dB，对波导的第二端口(J2)点进行点胶固化；

(3)在闭合状态下，光纤环的第一端(s1)与Y波导的第三端口(J3)对准，2×2保偏耦合器的第二端(c2)连接白光监测装置，

调节白光监测装置的偏振态控制器，通过扫描可移动反射镜得到光纤环干涉图谱，利用2×2保偏耦合器的第三端(c3)和光纤环的长度找到Y波导的第三端口(J3)的串扰峰，

改变光纤环的第二端(s2)与Y波导的第三端口(J3)的对准角度，重复测量光纤环干涉图谱，使Y波导的第三端口(J3)点处的串扰最小即高于50dB，对Y波导的第三端口(J3)点进行点胶固化，完成组装过程。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺核心敏感光路的组装方法，其特征是：由准直器和可移动反射镜组成的光学延迟线的扫描范围S、2×2保偏耦合器的第三端(c3)的长度为l₁、光纤环长度L、起偏器的第一尾纤(p1)的长度l₂之间满足：

S>L+l₁+l₂

并且，光程扫描范围的中点选择为偏振串音测量数据的最大峰值的位置。