CN116429081B - 一种扰偏空芯微结构光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，包括光源、环形器、Y波导、光电探测器、两个偏振控制器、空芯微结构光纤环圈及调制解调控制电路板，光源与环形器输入端口耦合，环形器输出端口与Y波导输入端口耦合，Y波导两个尾纤分别与偏振控制器输入端耦合，两个偏振控制器输出端分别与空芯微结构光纤环圈两个尾纤准直耦合，光电探测器输入端与环形器探测端口准直耦合，光电探测器输出端与调制解调控制电路板输入端连接，调制解调控制电路板控制端与两个偏振控制器压电堆栈连接。本发明提供的装置可解决陀螺相向传输的两路干涉光信号波动、衰落甚至相消的问题。

Description

一种扰偏空芯微结构光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种扰偏空芯微结构光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺已广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航系统中，成为主流惯性仪表之一。光纤陀螺基于Sagnac效应，采用光纤作为光信号传输与速率传感的介质。光在光纤中的传输特性易受温度、磁场等环境因素影响，导致光纤陀螺环境适应性进一步提升受到限制。

空芯微结构光纤通过包层微结构使光波被束缚在空气纤芯中传输，空芯光子晶体光纤采用具有周期格点微结构特征的包层构建光子带隙效应实现在光纤中以空气介质导光，空芯反谐振光纤采用具有均匀玻璃壁厚微结构特征的包层构建反谐振反射波导效应实现在空气纤芯中导光。将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有望突破光纤陀螺环境适应性再提升的材料限制。

光纤陀螺中，通常采用全保偏光路方案实现偏振相关噪声的高效抑制以满足惯性系统高精度应用需求，保偏光纤成为首选传感材料，例如国内广泛采用熊猫型保偏光纤进行环圈绕制。在传统实芯光纤中获得保偏能力可以通过应力双折射和结构双折射，典型的相双折射率可以达到10-4量级。然而，在空芯微结构光纤中要实现高双折射率难度比较大。首先，空芯微结构光纤将光波束缚在空气中传输，空气没有弹光效应，无法运用应力双折射；其次，空芯光纤大多工作在弱导状态下，结构双折射也不显著。

空芯微结构光纤实现高双折率仅能基于模式反交叉准直耦合效应，需使空芯周围的玻璃壁在两个垂直方向上的厚度要不同而且取值要合适，厚度差一般需控制在纳米量级。这种极高的光纤结构尺寸差异控制要求，难以在长距离空芯微结构光纤拉制中稳定实现。光纤陀螺中所用光纤的长度直接决定陀螺的精度水平，干涉光路中光偏振态的扰动将导致干涉信号衰落，影响陀螺输出稳定性。由此可见，目前空芯微结构光纤偏振保持能力无法全面满足高精度光纤陀螺应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，在Y波导与空芯微结构光纤环圈两尾纤之间分别配备偏振控制器，偏振控制器使在空芯微结构光纤环圈中顺逆相向传输的两束光高速地同步遍历全部偏振态，两偏振控制器同步协同控制以保证不产生附加非互易性相位误差，两干涉光同步遍历全部偏振态，达到总有50%的光可返回通过Y波导通光轴（起偏轴或检偏轴），最终抵达探测器供陀螺信号解调的效果，可解决非保偏空芯微结构光纤中的光波易受环境影响产生偏振态扰动导致陀螺相向传输的两路干涉光信号波动、衰落甚至相消的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其包括光源、环形器、Y波导、光电探测器、两个偏振控制器、空芯微结构光纤环圈及调制解调控制电路板，所述光源与环形器输入端口准直耦合，环形器输出端口与Y波导输入端口准直耦合，Y波导两个尾纤分别与相应偏振控制器输入端准直耦合，两个偏振控制器输出端分别与空芯微结构光纤环圈两个尾纤准直耦合，每个所述偏振控制器分别包括外壳及四个应力双折射单元，四个所述应力双折射单元依次串联安装在外壳内，每个所述应力双折射单元包括基座、透明玻璃体、压电堆栈及固定支架，所述基座固定安装在外壳内且设有倾斜挤压面，所述透明玻璃体及固定支架分别固定安装在倾斜挤压面上且固定支架位于透明玻璃体上方，所述压电堆栈安装在固定支架上，相邻应力双折射单元的两个倾斜挤压面安装方向相反，所述光电探测器输入端与环形器探测端口准直耦合，光电探测器输出端与调制解调控制电路板输入端通过线缆连接，调制解调控制电路板控制端与两个偏振控制器的压电堆栈通过线缆连接。

进一步，与Y波导尾纤连接一端的外壳端板为可移动端板。

优选的，倾斜挤压面倾斜角度为22.5°。

进一步，透明玻璃体与固定支架之间设置有下压板。

进一步，倾斜挤压面上设有凹槽，所述透明玻璃体卡装在凹槽内且透明玻璃体的上表面高于倾斜挤压面。

优选的，透明玻璃体为零膨胀微晶透明玻璃体。

进一步，透明玻璃体两端的通光面上分别镀有增透膜。

进一步，外壳的两端板上分别安装有与透明玻璃体同中心轴的套筒，空芯微结构光纤环圈及Y波导两个尾纤端部分别连接有空芯微结构光纤，空芯微结构光纤端部分别安装有准直密封接头，所述准直密封接头分别插入到相应的套筒内且准直密封接头的外径小于套筒的内径。

进一步，套筒沿周向设有多个充胶通孔。

进一步，调制解调控制电路板反馈端与Y波导的反馈端口通过线缆连接。

发明的有益效果：

1.通过对压电堆栈施加电压分别挤压四个紧凑串联的透明玻璃体产生双折射，串联透明玻璃体与两侧空芯微结构光纤准直耦合准直通光，邻近透明玻璃体之间的挤压方向成一定的夹角，可实现在空芯微结构光纤内任意输入偏振态转换任意输出偏振态的功能；

2.空芯微结构光纤环圈两尾纤端口处分别配备偏振控制器使在空芯光纤环圈内相向传输的两束光同步遍历全部偏振态，总能保证50%的光可返回通过Y波导通光轴最终抵达探测器供陀螺信号解调，解决了非保偏空芯微结构光纤中的光波易受环境影响产生偏振态变化导致陀螺干涉光信号波动、衰落甚至相消的问题。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是偏振控制器结构示意图。

图3是应力双折射单元结构示意图。

图4是偏振控制通道偏振态调整效果示意图。

图5是偏振控制器偏振态遍历示意图。

图中：1.第一应力双折射单元，2.第三应力双折射单元，3.外壳，4.第四应力双折射单元，5.第二应力双折射单元，6.套筒，7.充胶通孔，8.空芯微结构光纤，9.准直密封接头，10.基座，11.压电堆栈，12.固定支架，13.下压板，14.透明玻璃体，15.倾斜挤压面，16.导轨，17.丝杠，18.手柄，19.光源，20.环形器，21.Y波导，22.空芯微结构光纤环圈，23.偏振控制器，24.调制解调控制电路板，25.光电探测器。

具体实施方式

一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，具体结构如附图1所示，其包括光源19、环形器20、Y波导21、光电探测器25、两个偏振控制器23、空芯微结构光纤环圈22及调制解调控制电路板24，所述光源与环形器输入端口准直耦合，环形器输出端口与Y波导的输入端口准直耦合，Y波导两个尾纤分别与相应偏振控制器输入端准直耦合，两个偏振控制器输出端分别与空芯微结构光纤环圈两个尾纤准直耦合。

每个所述偏振控制器具体结构如附图2所示，分别包括外壳3及四个应力双折射单元，四个所述应力双折射单元依次串联安装在外壳内，每个所述应力双折射单元包括基座10、透明玻璃体14、压电堆栈11及固定支架12，应力双折射单元的结构示意图如附图3所示，所述基座固定安装在外壳内且设有倾斜挤压面15，所述透明玻璃体及固定支架分别固定安装在倾斜挤压面上且固定支架位于透明玻璃体上方，所述压电堆栈安装在固定支架上，相邻应力双折射单元的两个倾斜挤压面安装方向相反。

所述光电探测器输入端与环形器探测端口准直耦合，光电探测器输出端与调制解调控制电路板输入端通过线缆连接，调制解调控制电路板控制端与两个偏振控制器的压电堆栈通过线缆连接。

空芯微结构光纤是在单一介质材料（通常选用纯二氧化硅材料）上将端面周期结构排列的空气孔沿轴向贯穿整根光纤，它利用包层微结构形成全新导光机制，使光波被高效地束缚在空气纤芯中传输。空芯微结构光纤采用空气作为传输介质，无法借助光弹效应生成应力双折射，同时弱导状态下，也无法有效地形成结构双折射。目前，利用两正交方向上纳米量级的微结构玻璃壁厚度差激发模式反交叉准直耦合效应实现高双折率时，一方面提升了光纤制备难度，另一方面会增大传输损耗。空芯微结构光纤难以实现双折射以具备良好的偏振保持能力，则陀螺中的偏振相关噪声无法有效抑制，是其应用于光纤陀螺的一个技术障碍。

而本申请的空芯微结构光纤陀螺设置了两个振控制器，分别连接于Y波导与空芯微结构光纤环圈的两个尾纤之间，光源发出的光从环形器输入端口进入环形器，由环形器输出端口输出至Y波导起偏与分束，Y波导两个尾纤分别与偏振控制器输入端口连接，偏振控制器输出端口分别与空芯微结构光纤环圈两尾纤连接，形成闭合的Sagnac干涉光路供来自Y波导分束的两束光在空芯微结构光纤环圈中顺时针、逆时针相向传输，传播一周后两束相向传输的光最终抵达Y波导处汇合，并发生干涉，两束光之间的相位差正比于旋转角速度，干涉光强传递至环形器输出端口，再由环形器探测端口传输至光电探测器进行光电转换，并将电信号发送至调制解调与控制电路解算旋转角速度信息。

由于偏振控制器是基于应力挤压透明玻璃体产生双折射以实现偏振态的改变与控制。由于应力双折射单元的基座设有倾斜挤压面，相邻应力双折射单元的两个倾斜挤压面安装方向相反，使得相邻的应力双折射单元之间的压电堆栈挤压方向形成一定的倾斜角度，使得第一应力双折射单元1和第三应力双折射单元2的偏振控制通道同向，第二应力双折射单元5和第四应力双折射单元4的偏振控制通道同向。在不断增加压电堆栈上施加的电压时，每个应力双折射单元的偏振控制通道都会在邦加球上呈现出一个闭合的圆形偏振态变化轨迹。

理论上第一应力双折射单元的偏振控制通道（简称通道一）与第三应力双折射单元的偏振控制通道（简称通道三）呈现出的圆形偏振态变化轨迹所在平面的法线重合，第二应力双折射单元的偏振控制通道（简称通道二）和第四应力双折射单元的偏振控制通道（简称通道四）呈现的圆形偏振态变化轨迹所在平面的法线重合，闭合的圆形偏振态变化轨迹的直径取决于入射偏振态与偏振通道挤压方向的夹角。附图4展示了呈45°夹角的线偏振光分别通过每个偏振控制通道的偏振态调整效果，分别展现出四个大圆形偏振态变化轨迹，展现出偏振控制通道完整调节偏振态的能力，为四个偏振控制通道协同联动具备遍历全部偏振态奠定了技术基础条件，其中各偏振控制通道的安装误差导致通道一和三（或通道二和四）的圆形偏振态变化轨迹未完全重合，当四个偏振控制通道协同工作时该安装误差并不会影响偏振态遍历整个邦加球。

附图5是偏振控制器偏振态遍历示意图，通过控制四个偏振控制通道的电压，即控制相应通道的压电堆栈的电压，偏振态可完全遍历整个邦加球，说明偏振控制器具有任意偏振态控制转换能力。

并且由于Y波导的两个尾纤分别与相应的偏振控制器输入端准直耦合且可调节光程，通过调整Y波导的两个尾纤与相应的偏振控制器输入端之间的光程，可以确保光在两个偏振控制器中的所对应的四个挤压单元中传输时严格同步，从而使两个偏振控制器在光程上所处位置与Sagnac干涉光路中点等距，以保证不在Sagnac干涉光路内产生附加非互易相位误差，以确保两个偏振控制器中所对应的四个挤压单元严格同步随机遍历全部偏振态，保证两束光返回Y波导发生干涉时，始终有50%的光可通过Y波导的通光轴（起偏轴或检偏轴）形成信噪比稳定的干涉信号，达到空芯微结构光纤陀螺输出稳定性不依赖于空芯微结构光纤偏振保持能力的效果。

进一步，与Y波导尾纤连接一端的外壳端板为可移动端板。具体可如附图1所示但不限于附图1所示结构，在外壳底板上设有导轨16，端板安装在导轨上，并且在底板中部安装有丝杠17，可移动端板通过螺纹连接安装在丝杠上，丝杠端部安装手柄18。当旋转手柄时，就会使可移动端板沿着导轨移动，从而实现调整Y波导的两个尾纤与相应的偏振控制器输入端之间的光程的目的，确保两个偏振控制器中所对应的四个挤压单元严格同步，从而使两个偏振控制器在光程上所处位置与Sagnac干涉光路中点等距，以保证不在Sagnac干涉光路内产生附加非互易相位误差。

优选的，倾斜挤压面倾斜角度为22.5°。将倾斜挤压面倾斜角度设置为22.5°，可以使相邻透明玻璃体之间的挤压方向夹角均为45°，此时通道一（通道三）所形成的圆形偏振态变化轨迹的法线与通道二（通道四）所形成的圆形偏振态变化轨迹的法线相互垂直，而闭合的圆形偏振态变化轨迹的直径取决于入射偏振态与偏振通道挤压方向的夹角，45°时直径最大，此时四个偏振控制通道协同工作，偏振态遍历整个邦加球用时最短，偏振控制效率可以达到最高。

进一步，透明玻璃体与固定支架之间设置有下压板13，下压板的设置可以使压电堆栈的挤压力均匀地作用在透明玻璃体上。

进一步，倾斜挤压面上设有凹槽（未示出），所述透明玻璃体卡装在凹槽内且透明玻璃体的上表面高于倾斜挤压面，凹槽的设置方便透明玻璃体的安装及限位，并且透明玻璃体的上表面高于倾斜挤压面，可以保证压电堆栈的挤压力作用在透明玻璃体上。

优选的，透明玻璃体为零膨胀微晶透明玻璃体，透明玻璃体的作用是耐受挤压力产生应力双折射以实现传输其中的光偏振态的调节，挤压力与双折射相位差成正比。透明玻璃体采用零膨胀微晶透明玻璃体，可以支撑空芯微结构光纤偏振控制器实现优异的全温特性，且作为弹光效应实施单元使偏振控制器具有波长不敏感的特点。

进一步，透明玻璃体两端的通光面上分别镀有增透膜，（未示出），可以实现低损耗光传输。

进一步，外壳的两端板上分别安装有与透明玻璃体同中心轴的套筒6，空芯微结构光纤环圈及Y波导两个尾纤端部分别连接有空芯微结构光纤8，空芯微结构光纤端部分别安装有准直密封接头9，所述准直密封接头分别插入到相应的套筒内且准直密封接头的外径小于套筒的内径。透明玻璃体与套筒同中心轴，可以保证准直密封接头与四个串联的应力双折射单元耦合准直的粗对准，而准直密封接头的外径小于套筒的内径，准直密封接头在套筒内可细微调整所处位置，以实现准直密封接头与应力双折射单元耦合准直的精对准，方便实现尾纤与四个串联的应力双折射单元耦合准直。

进一步，套筒沿周向设有多个充胶通孔7，当准直密封接头与套筒之间精对准后，通过多个充胶通孔填充固化胶体以实现准直密封接头与套筒的固连，达到偏振控制器长期低插入损耗保持的效果。

进一步，调制解调控制电路板反馈端与Y波导的反馈端口通过线缆连接。可以将经应力双折射单元消除非互易相位误后的信号反馈给Y波导。

综上所述，本发明提供的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，在Y波导尾纤与空芯微结构光纤环圈两尾纤端口之间分别配备偏振控制器，并且通过调节Y波导尾纤与偏振控制器之间的输入光程，可以使在空芯微结构光纤环圈内相向传输的两束光高速同步遍历全部偏振态，并且总能保证50%的光可返回通过Y波导通光轴最终抵达探测器供陀螺信号解调，解决了非保偏空芯微结构光纤中的光波易受环境影响产生偏振态变化导致陀螺干涉光信号波动、衰落甚至相消的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，包括光源、环形器、Y波导、光电探测器、两个偏振控制器、空芯微结构光纤环圈及调制解调控制电路板，所述光源与环形器输入端口准直耦合，环形器输出端口与Y波导输入端口准直耦合，Y波导两个尾纤分别与相应的偏振控制器输入端准直耦合，两个偏振控制器输出端分别与空芯微结构光纤环圈的两个尾纤准直耦合，每个所述偏振控制器分别包括外壳及四个应力双折射单元，四个所述应力双折射单元依次串联安装在外壳内，每个所述应力双折射单元包括基座、透明玻璃体、压电堆栈及固定支架，所述基座固定安装在外壳内且设有倾斜挤压面，所述透明玻璃体及固定支架分别固定安装在倾斜挤压面上且固定支架位于透明玻璃体上方，所述压电堆栈安装在固定支架上，相邻应力双折射单元的两个倾斜挤压面安装方向相反，所述光电探测器输入端与环形器探测端口准直耦合，光电探测器输出端与调制解调控制电路板输入端通过线缆连接，调制解调控制电路板控制端与两个偏振控制器的压电堆栈通过线缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，与Y波导尾纤连接一端的外壳端板为可移动端板。

3.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述倾斜挤压面倾斜角度为22.5°。

4.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述透明玻璃体与固定支架之间设置有下压板。

5.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述倾斜挤压面上设有凹槽，所述透明玻璃体卡装在凹槽内且透明玻璃体的上表面高于倾斜挤压面。

6.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述透明玻璃体为零膨胀微晶透明玻璃体。

7.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，透明玻璃体两端的通光面上分别镀有增透膜。

8.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，外壳的两端板上分别安装有与透明玻璃体同中心轴的套筒，空芯微结构光纤环圈及Y波导两个尾纤端部分别连接有空芯微结构光纤，空芯微结构光纤端部分别安装有准直密封接头，所述准直密封接头分别插入到相应的套筒内且准直密封接头的外径小于套筒的内径。

9.根据权利要求8所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，所述套筒沿周向设有多个充胶通孔。

10.根据权利要求1或2所述的一种扰偏空芯微结构光纤陀螺，其特征在于，调制解调控制电路板反馈端与Y波导的反馈端口通过线缆连接。