CN109099899B - 无源偏置光学陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源偏置光学陀螺仪，解决现有光学Sagnac陀螺仪系统中含有相位调制器，使得陀螺仪系统增加了成本、空间和功耗，以及产生噪声的问题。该陀螺仪包括第一功分器、偏振分束器、Sagnac环路、偏振转换器和光学混波器；偏振转换器位于环路两端之间的中点处；偏振分束器包括第一端口、第二端口和第三端口；光信号输入第一功分器被分成两个相等的输出信号，第一功分器的两个输出信号分别输入两个偏振分束器的第一端口，并由两个偏振分束器的第二端口输出至Sagnac环路的两端，Sagnac环路内的光信号由偏振转换器改变其偏振态后，由Sagnac环路的两端离开，离开Sagnac环路后的光信号分别输入偏振分束器的第二端口，并由两个偏振分束器的第三端口输入光学混波器。

Description

无源偏置光学陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光学传感器，具体涉及一种无源偏置光学陀螺仪。

背景技术

陀螺仪被用于感知旋转运动，而光学陀螺仪则通过Sagnac效应感知旋转运动。Sagnac效应是指在同一个闭合环路中，以相反方向传输的两个完全相同的光信号，将经历两个不同的相位或时间延迟，其中延迟的差异与环路的有效长度以及环路平面内的角速度成比例的现象。Sagnac光学陀螺仪是现有最灵敏的旋转传感器类型之一。

图1为传统光学Sagnac陀螺仪系统基本元件的示意图，该系统包括一个光源41，用于提供输入信号S，信号S可以处于两个正交偏振态之一。信号首先通过光环形器42，然后通过2×2耦合器43。光学中2×2耦合器具有以下功能，将一个信号输入到2×2耦合器一端的任何一个端口时，功率将平均地分配到另一端的各个端口上。2×2耦合器具有双向传输功能，表示输入端口和输出端口可以互换，其响应不会发生变化。2×2耦合器的输出信号被输入Sagnac环路44的两端，两个信号以相反的方向在环路内传播，以符号S⁺和S^-来区分两个信号的传播方向。在图1中，信号S⁺沿逆时针方向传播，而信号S^-沿顺时针方向传播。陀螺仪输出的对向传播信号，以与输入方向相反的方向再次进入2×2耦合器。在输出方向上，2×2耦合器也可用作“光学解析器”或“光学解调器”，当两个信号同时到达2×2耦合器的一端时，另一端的功率比取决于两个信号的相对相位。2×2耦合器的一个端口输出信号So2，另一个端口的光信号回到环形器，作为信号So1上从环形器的第三个端口输出。传统光学Sagnac陀螺仪系统通过设置一个相位调制器用以将陀螺仪的运行偏置点设定在响应曲线的最佳点，该最佳点通常是具有最大响应斜率的点。

图2A和图2B为传统光学Sagnac陀螺仪两个输出信号So1和So2的典型响应正弦型曲线图。当相位调制器被关闭或不存在时，图2A和图2B中的点A表示静态(非旋转的)陀螺仪的偏置点。图2A中的点A位于响应曲线的最大点上，图2B中的点A位于响应曲线的最小点上，在这两种情况下，点A处的瞬时斜率均为零，这意味着陀螺仪不能测量出静态点附近微小的转动变化。

为了以最优方式测量出静态点附近微小的转动变化，偏置点应该位于最大斜率处，如图2A和2B中所示的点B。传统的陀螺仪通过在Sagnac环路中引入“人为旋转”来偏置到点B处，即通过在Sagnac环路上的增加相位调制器而实现，将调制器不对称地放置在环路中，调制器更靠近一个输入/输出端口，而远离另一个输入/输出端口。调制器中的路径长度和调制器速度(重复频率)决定了偏置点在响应曲线上的位置。也就是说，若没有相位调制器，在没有旋转(静态响应)的条件下，陀螺仪响应处于正弦曲线的最大值或最小值，任何曲线在最大值或最小值时，斜率均为零。由于陀螺仪用于检测转速的变化，因此需要通过非零斜率检测出最小的转速，斜率越大，陀螺仪的灵敏度越高。为了将静态偏置点从正弦曲线的零斜率点处移开，使用相位调制器来引起陀螺仪的人为“旋转”。相位调制器的路径长度和速度可以保证将运行时的偏置点更为有利地沿着响应曲线布置在斜率最大的点处。

相位调制器是一种机械振动芯轴，Sagnac环路的一部分围绕其环绕，相位调制器通常由压电材料通过拉伸制成，为环路系统的一部分。但是，由于该类相位调制器体积大、成本高、耗电大、需要专用的封装方式，所以增加相位调制器则增加了陀螺仪系统的成本、空间和功耗。此外，调制器中的不稳定性或噪声可能会给陀螺仪的响应产生噪声。

发明内容

本发明的目的是解决现有光学Sagnac陀螺仪系统中含有相位调制器，使得陀螺仪系统的成本、空间和功耗增加，以及产生噪声的问题，提供一种无源偏置光学陀螺仪。

本发明的技术方案是：

一种无源偏置光学陀螺仪，包括第一功分器、偏振分束器、Sagnac环路、偏振转换器和光学混波器；所述偏振转换器设置在Sagnac环路内，且位于环路两端之间的中点处；所述偏振分束器包括第一端口、第二端口和第三端口；光信号输入第一功分器被分成两个相等的输出信号，第一功分器的两个输出信号分别输入两个偏振分束器的第一端口，并分别由两个偏振分束器的第二端口输出至Sagnac环路的两端，Sagnac环路内的光信号由偏振转换器改变其偏振态后，从Sagnac环路的两端离开，离开Sagnac环路后的光信号分别输入偏振分束器的第二端口，并由两个偏振分束器的第三端口输入光学混波器；所述光学混波器包括至少一个移相器和至少一个耦合器，所述移相器设置在偏振分束器的输出端，所述耦合器用于将光信号输出。

进一步地，所述光学混波器包括一个移相器和一个耦合器，所述移相器设置在一个偏振分束器的第三端口上，所述耦合器接收移相器和另一个偏振分束器的光信号，并将光信号输出。

进一步地，所述移相器为两个，分别与两个偏振分束器的第三端口连接。

进一步地，所述耦合器为两个，两个移相器分别设置在两个偏振分束器的第三端口上，两个耦合器分别设置在两个移相器的输出端。

进一步地，还包括分别设置在两个偏振分束器第三端口的第二功分器、第三功分器，两个耦合器分别为第一耦合器、第二耦合器，两个移相器分别为第一移相器、第二移相器；第二功分器的一路信号通过第一移相器输入第一耦合器，另一路信号输入第二耦合器；所述第三功分器的一路信号通过第二移相器输入第二耦合器，另一路信号输入第一耦合器。

进一步地，所述第一功分器、偏振分束器、偏振转换器和光学混波器被集成在光学芯片上。

进一步地，所述第一功分器、第二功分器、第三功分器为Y型波导功分器或2×2耦合器。

进一步地，所述移相器、第一移相器、第二移相器为波导。

进一步地，输入第一功分器的光信号具有一个偏振态或两个正交偏振态。

进一步地，所述Sagnac环路为集成的环形谐振器或长路径的波导环路。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明的无源偏置光学陀螺仪去除了机电式的相位调制器，依靠Sagnac环路的结构，在Sagnac环路中设置一个偏振转换器，从而在陀螺仪内建立一个新的光学状态，然后在Sagnac环路外部设置无源耦合器和移相器，通过移相器将偏置点设定在所需的斜率上，无需设置相位调制器，从而避免了系统增加了成本、空间和功耗的问题。

2.由于本发明的相位调制器是通过在光学芯片的Sagnac环路设置一个偏振转换器完成的，因此本发明受外界干扰因素少，产生的背景噪声小。

3.本发明将部分器件(不包括Sagnac环路)放置在一个集成光路上，从而使系统具有鲁棒性、稳定性和可批量制造性。

附图说明

图1为传统光学Sagnac陀螺仪系统基本元件的示意图；

图2A为传统光学Sagnac陀螺仪输出信号So1的典型响应正弦型曲线图；

图2B为传统光学Sagnac陀螺仪输出信号So2的典型响应正弦型曲线图；

图3为本发明无源偏置光学陀螺仪的第一优选实施例示意图；

图4A为本发明无源偏置光学陀螺仪的输出信号So1的响应正弦型曲线图；

图4B为本发明无源偏置光学陀螺仪的输出信号So2的响应正弦型曲线图；

图5为本发明无源偏置光学陀螺仪的第二优选实施例示意图；

图6为本发明偏振分束器端口示意图。

附图标记：41-光源，42-光环形器，43-耦合器，44-Sagnac环路，45-相位调制器；2-第一功分器，3-偏振分束器，4-Sagnac环路，5-偏振转换器，6-移相器，7-耦合器，8-第二功分器，9-第三功分器，10-第二移相器，11-第二耦合器，12-第一耦合器，13-第一移相器，31-第一端口，32-第二端口，33-第三端口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明的无源偏置光学陀螺仪去除了机电式的相位调制器，取而代之的是依靠Sagnac环路结构，在Sagnac环路中设置一个偏振转换器，从而在陀螺仪内建立一个新的光学状态，然后在Sagnac环路外部设置无源耦合器和移相器，通过移相器将偏置点设定在所需的斜率上。此外，光学陀螺仪的部分器件(不包括Sagnac环路)被放置在一个集成光路上，从而使系统具有鲁棒性、稳定性和可批量制造性。

如图3所示，为本发明的第一优选实施例示意图，无源偏置光学陀螺仪包括第一功分器2、偏振分束器3、Sagnac环路4、偏振转换器5和光学混波器；偏振转换器5设置在Sagnac环路4内，且位于环路两端之间的中点处。光学信号输入第一功分器2被分成两个相等的输出信号，第一功分器2的两个输出信号分别通过两个偏振分束器3，输入Sagnac环路4的两端，Sagnac环路4内的传输信号由偏振转换器5改变其偏振态后，由Sagnac环路4的两端离开，离开Sagnac环路4后的光信号再次通过偏振分束器3被光学混波器输出。光学混波器可包括一个移相器6和一个耦合器7，移相器6设置在一个偏振分束器3的输出端，耦合器7接收移相器6和另一个偏振分束器3的光信号，并将光信号输出。

偏振转换器5可通过模式耦合或模式演化的方法进行设计，设计方法可参考[1]Liu,Liu,et al."Silicon-on-insulator polarization splitting and rotatingdevice for polarization diversity circuits."Optics express 19.13(2011):12646-12651.[2]Chen,Long,Christopher R.Doerr,and Young-Kai Chen."Compactpolarization rotator on silicon for polarization-diversified circuits."Opticsletters 36.4(2011):469-471.等文章。

在本发明所提供的无源偏置陀螺仪中，输入端用于接收第一偏振态光信号；一个第一功分器2，用于接收输入信号并在两个分离的端口上产生两个输出信号，每个端口的输出功率为第一功分器2输入功率的一半；两个偏振分束器3，偏振分束器3包括第一端口31、第二端口32和第三端口33，两个输入信号分别导送至两个偏振分束器3的第一端口31；一个Sagnac环路4，在其各端处接收来自偏振分束器3的各个第二输出端口的信号，该环路还在输入/输出端口之间的中点处设有偏振转换器5；在该偏振转换器5的输出端，输入的偏振态被转换为正交偏振态；两个偏振分束器3各自带有一个第三端口33，偏振分束器3在第二输出端口处接收离开Sagnac环路4的信号，并将其导送至第三输出端口；至少一个移相器6，由其对向偏振分束器3输出的信号之一施加特定的相位偏移；移相器6是固定的或可调谐的；至少一个2×2耦合器7，接收来自偏振分束器3之一的一个信号，以及来自移相器6输出端的另一个信号；2×2耦合器7的输出两个信号，其响应与Sagnac环路4的Sagnac效应相关；移相器6为静态状态下Sagnac回路设定期望的工作点。

以下将对无源偏置光学陀螺仪的工作原理进行详细的描述，如图3所示，向陀螺仪输入信号Sin，该输入信号可以具有一个偏振态或两个正交偏振态。输入信号Sin首先被第一功分器2分成两个相等的输出信号，该第一功分器2可以是Y型波导功分器、2×2耦合器、或将输入信号分成两个相等功率输出的任何其他元件。第一功分器2的两个输出信号被分别记为E+和E-，这两个信号分别输入至两个偏振分束器3(PBS)。PBS具有将输入信号的两个正交偏振态分开，并以不同的端口将各偏振光输出的特性，从功能和通常的角度来看，PBS也可以视为偏振路由。也就是说，根据输入的偏振态，任何输入的信号，均会经过偏振路由形成两个可能的输出。PBS是双向的，这意味着输入和输出可以互换而响应不会改变。在图3中，信号通过两个PBS，并被送入陀螺仪Sagnac回路相对的两端，信号E+沿顺时针方向传播，信号E-沿逆时针方向传播。

Sagnac环路4内设有一个偏振转换器5，转换器将一个正交态转换为另一个正交态，偏振转换器5也是双向的，对称放置在环路中。这就是说，它位于环路两端之间等距离的中点处。当信号E+和E-传播通过偏振转换器5时，将改变其偏振态，并在图3中将离开偏振转换器5之后的信号记为H+和H-(E+被转换为H+，E-被转换为H-)。信号继续通过环路的其余部分并从环路的各端离开Sagnac环路4。与进入Sagnac环路4的信号相比，该信号以相反方向并以正交偏振态下传输。信号进入PBS后，由于其偏振态已经改变，区别于输入端，被分别导送至与输入端口不同的互补端口。这两个信号最终被输送至2×2耦合器7，其结构类似于图1的传统陀螺仪中的2×2耦合器。2×2耦合器起到“解析析器”或“解调器”的作用，将两个信号H+和H-的相位差转换成为一个调幅信号，两个最终信号从图3中的2×2耦合器7中作为So1和So2输出。

在进入2×2耦合器之前，其中一个信号(图3中的H+)通过一个移相器6。与另一个信号相比，移相器6元件在一个信号上添加了相位。移相器6可以同样地布置在包含信号H-单侧光通路上，或者可以两侧光通路上分别布置一个移相器6，移相器6用于为陀螺仪增加的无源偏置。相位偏移量可以是在器件制造时，具有确定的固定相位，也可以是可调节的相位，并且可以在操作时设定。移相器6简单说是一截非常短的波导。相对于另一条支路中的信号，波导的长度增加引入了光学相位偏移。或者移相器6可以是对波导的改装，例如具有不同宽度或折射率的波导部分，该指数可以通过热光效应进行调谐。在一个实施例中，加热器被放置在波导的一部分之上，并且采用电流调整温度，并因此调谐波导的折射率，这引起相对的相位偏移。

图3中的移相器6设定了偏置点。在图4A和4B中，分别针对图4A和4B中的信号响应So1和So2，将静态下陀螺仪的运行偏置点设为点D，偏置点D接近正弦响应曲线的最大斜率处，如果移相器6是可调谐的，偏置点还可以减小在制造过程中引入的任何制造偏差。

为了提高对噪声抗扰度和和总体的鲁棒性，希望将信号处理元件布置在一个集成光学芯片上。例如，图3的虚线框中的所有元件可以一块集成芯片的形式提供，例如一个平面光波导(PLC)。在这种情况下，两个PBS元件、第一功分器2、移相器6和耦合器7均可小型化。信号路径可以彼此非常靠近，在数微米范围之内。任何环境扰动都会同时作用于所有元件，并随后在耦合器7中被消除。此外，可以在典型的电子CMOS代工厂中大批量生产集成光波导，从而使其具有低廉的成本。Sagnac环路4也可以是集成的环形谐振器或长路径的波导环路(或线圈)。在这种情况下，偏振转换器也可以是一个集成的光学元件。

图5为带有陀螺仪Sagnac信号解调用光学混波装置的第二优选实施例示意图。该实施例与图3中的实施例相似，但是在本实施例中。光混合器带有两个功分器，两个2×2耦合器和两个移相器。两个功分器分别为第二功分器8、第三功分器9，两个耦合器分别为第一耦合器12、第二耦合器11，两个移相器分别为第一移相器13、第二移相器10；第二功分器8的一路信号通过第一移相器13输入第一耦合器12，另一路信号输入第二耦合器11；所述第三功分器9的一路信号通过第二移相器10输入第二耦合器11，另一路信号输入第一耦合器12。这种结构的优点是可以在输出端得到四个信号，四个信号为系统增加了冗余和一些额外的噪声抗扰度。如图3所示，移相器为静态的Sagnac环路4设定工作偏置点，也可以仅布置一个移相器，但是两个移相器的优点在于允许在四个输出信号So1，So2，So3和So4之间设定两个不同的独立偏置点。图5所示的实施例可以被认为是图3实施例的子集，因为它包括“至少一个2×2耦合器”和“至少一个移相器”。上述Sagnac环路可以是一个光纤线圈，或者可以是由集成光学芯片上波导形成的回路，也可以为闭环谐振器的构型。

Claims (10)

1.一种无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：包括第一功分器(2)、偏振分束器(3)、Sagnac环路(4)、偏振转换器(5)和光学混波器；

所述偏振转换器(5)设置在Sagnac环路(4)内，且位于Sagnac环路(4)两端之间的中点处；

所述偏振分束器(3)包括第一端口(31)、第二端口(32)和第三端口(33)；

光信号输入第一功分器(2)被分成两个相等的输出信号，第一功分器(2)的两个输出信号分别输入两个偏振分束器(3)的第一端口(31)，并分别由两个偏振分束器(3)的第二端口(32)输出至Sagnac环路(4)的两端，Sagnac环路(4)内的光信号由偏振转换器(5)改变其偏振态后，从Sagnac环路(4)的两端离开，离开Sagnac环路(4)后的光信号分别输入偏振分束器(3)的第二端口(32)，并由两个偏振分束器(3)的第三端口(33)输入光学混波器；

所述光学混波器包括至少一个移相器和至少一个耦合器，所述移相器与偏振分束器(3)的第三端口(33)连接，所述耦合器用于将光信号输出。

2.根据权利要求1所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述光学混波器包括一个移相器(6)和一个耦合器(7)，所述移相器(6)设置在一个偏振分束器(3)的第三端口(33)上，所述耦合器(7)接收移相器(6)和另一个偏振分束器(3)的光信号，并将光信号输出。

3.根据权利要求1所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述移相器为两个，分别与两个偏振分束器(3)的第三端口(33)连接。

4.根据权利要求3所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述耦合器为两个，两个耦合器分别设置在两个移相器的输出端。

5.根据权利要求4所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：还包括分别设置在两个偏振分束器(3)第三端口(33)上的第二功分器(8)、第三功分器(9)，两个耦合器分别为第一耦合器(12)、第二耦合器(11)，两个移相器分别为第一移相器(13)、第二移相器(10)；

第二功分器(8)的一路信号通过第一移相器(13)输入第一耦合器(12)，另一路信号输入第二耦合器(11)；所述第三功分器(9)的一路信号通过第二移相器(10)输入第二耦合器(11)，另一路信号输入第一耦合器(12)。

6.根据权利要求1至5任一所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述第一功分器(2)、偏振分束器(3)、偏振转换器(5)和光学混波器被集成在光学芯片上。

7.根据权利要求6所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述第一功分器(2)为Y型波导功分器或2×2耦合器。

8.根据权利要求7所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述移相器为波导。

9.根据权利要求8所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：输入第一功分器(2)的光信号具有一个偏振态或两个正交偏振态。

10.根据权利要求9所述的无源偏置光学陀螺仪，其特征在于：所述Sagnac环路(4)为集成的环形谐振器或长路径的波导环路。

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