专利名称：基于并行反馈的激光陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于并行反馈的激光陀螺。
背景技术：
高精度、高稳定性惯导级光学陀螺是航天、航海的制导、稳像稳瞄等惯性测量系统 急需的核心部件。光学陀螺主要包括光纤陀螺和激光陀螺。激光陀螺在高精度陀螺市场上 占优势。但是激光陀螺的传感元件为气体激光器，气体易泄漏，寿命不如光纤陀螺长。激光 陀螺则因其谐振性而拥有更大的动态范围和更高的测量精度。光纤激光陀螺综合了光纤 陀螺与激光陀螺的优点，它利用光纤的固态性能和激光器的谐振性，具有动态范围大、精度 高、抗振动冲击性能好、寿命长等特点。光纤激光陀螺的理论精度与传统He-Ne激光陀螺同 级，可达到0.100° /h-o.oor /h惯导级水平，且避免了气体激光陀螺制作时的超级工艺 难度(如镀制99. 999的高反射膜和密封技术)。光纤激光陀螺的工艺制作如同光纤陀螺，通过并不复杂的光纤熔接和结构装配技 术，即可获得激光陀螺的高精度。此外，在同等高的精度下，工作环的掺铒光纤长度只需十 几米，而光纤陀螺则需要2 4km的保偏光纤，光纤激光陀螺的成本远低于光纤陀螺和激光 陀螺。而且，光纤激光陀螺光学系统中需要电驱动的器件只有半导体泵浦激光器，它的驱动 电压只需3 5V，而激光陀螺气体放电则需要几千伏电压，因此光纤激光陀螺的功耗远小 于激光陀螺，也略小于光纤陀螺。光纤激光陀螺作为高精度陀螺，其应用领域为航空、航天、航海及车辆的精确惯导 和陀螺罗经的场合，如战机、舰船、火炮战车和各类航弹、导弹的自主导航、精确对准、精密 仪器的稳瞄稳像和自行控制等系统。同时它在民用领域如卫星、民航飞机及汽车的导航定 向，精密探测仪器的稳定等方面也有广泛的应用前景。目前，光纤激光陀螺的发展瓶颈在于由于现有的光纤激光器线宽普遍在kHz量 级，从而导致光纤激光陀螺很难达到高精度。图1示出了光纤激光陀螺的基本组成以及工作流程。如图1所示，首先，泵浦激光 器生成激光，在经过光纤环形谐振腔后产生A A =40nm的宽带激光，然后经过注入被动饱 和吸收(S为kHz量级)并利用窄带光学滤波器处理后，通过模式竞争产生单模激光。此 后，进行有源敏感头Sagnac效应相干探测，利用PIN探测器进行光电变换获得电信号数据， 然后进行信号处理来输出Q值，由此实现光纤激光陀螺的角速度测量。图2示出了光纤激光陀螺的基本结构。如图2所示，波长为980nm的泵浦光经波分 复用器WDM输入到环形谐振腔内，掺铒增益光纤受泵浦光的激励产生中心波长为1550nm、 谱线宽度为40nm的宽带激光，分别沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传输，偏振态由 偏振控制器PC控制。经过窄线宽光学滤波器滤波，光谱线宽压缩为kHz以下，当物体以某一角速度旋转时，环内顺时针和逆时针方向传输的两束激光在Sagnac效应的作用下产生 方向相反的频移Av，通过一个光纤耦合器的耦合使两输出激光信号间产生拍频，然后探测 器进行差频信号检测，计算出物体的旋转角速度。频差为△v＝vcω-vccω =——份，等式(1)窄线宽光学滤波器由掺铒增益光纤和光纤光栅构成，其基本工作原理为信号光进 入掺铒增益光纤，产生饱和吸收形成瞬态光栅，对激光进行窄带滤波，从而形成稳定的单模 窄线宽工作激光。这种方法简单有效，是目前实现窄线宽的主要方式。但是，这种方法实现 双向出光很复杂，而且进一步压缩线宽要大幅度增长参铒光纤长度，因此实现超窄线宽很 困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于并行反馈的激光陀螺，该激光陀螺可以放大 Sagnac效应，同时大幅度提高精度。在本发明中，针对激光器的当前正反馈结构仅为单向反馈回路不能进一步提高激 光器性能的问题，通过对比单环和复合谐振腔，提出了并行多路反馈结构方案。具体是利用 具有极多模式的多模光传输介质，并由此形成基于并行反馈的激光陀螺。根据本发明的一个方面，提供了一种基于并行反馈的激光陀螺，包括掺铒光纤放 大器、F-P腔滤波器、单模光传输介质、多模光传输介质、90 10耦合器、50 50耦合器以 及光电检测装置，其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F-P腔滤波器、多 模光传输介质、90 10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90 10耦合器的直通端 接入所述环形腔，两个耦合端作为双向光路输出端口，所述90 10耦合器的两个耦合输出 端连接50 50耦合器的两个输入端，50 50耦合器的输出端连接所述光电检测装置。此外，所述单模光传输介质和多模光传输介质分别是单模和多模光纤、光波导或 光子晶体。在所述多模光传输介质包括多段光传输介质时，单模光传输介质和多模光传输介 质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构。优选地，所述多模光纤的外芯直径为125 u m,内芯直径为100 u m。所述多模光纤 的长度为5m。此外，优选地，所述单模光传输介质包括多段单模光传输介质，所述多模光传输介 质包括多段多模光传输介质。所述单模和多模光传输介质可以分别是单模光纤和多模光 纤，所述多段多模光纤的外芯直径为125 u m,内芯直径为100 u m,且每段多模光纤的长度 为5m。有益效果根据本发明提供的基于并行反馈的激光陀螺，可以利用激光陀螺结构中所添加的 多模光传输介质来压缩线宽，而无需大幅度增长掺铒光纤长度，从而克服了现有窄线宽激 光器结构复杂和成本昂贵的缺点，并且进一步大大压缩了线宽，实现了超窄线宽激光输出， 根据本发明的激光陀螺的出射激光的线宽达到15Hz，其仿真结果甚至可以达到亚Hz量级， 由此大大提高激光陀螺的测量精度及降低成本。此外，根据本发明的激光陀螺还可以放大萨格耐克效应。为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面 理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中图1示出了光纤激光陀螺的基本组成与工作流程的示意图；图2示出了现有的光纤激光陀螺的基本结构的示意图；图3示出了并行反馈结构的示意4示出了根据本发明的并行反馈光纤激光陀螺的最小结构的示意图；图5示出了根据本发明的第一实施例的并行反馈光纤激光陀螺的结构的示意图；图6示出了图5的并行反馈光纤激光陀螺的结构所测得的由于地球自转角速度所 导致的双向频差；图7示出了根据本发明的第二实施例的并行反馈光纤激光陀螺的结构的示意图；图8示出了图7的并行反馈光纤激光陀螺的结构所测得的由于地球自转角速度所 导致的双向频差；图9示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输结构的示意图；图10示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输结构的示意 图。在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施例方式在进行根据本发明的并行反馈激光陀螺的实施例描述之前，首先解释几个概念。 这里，以光纤激光陀螺为例进行说明。(1)共腔结构。所谓共腔结构是指不同的谐振腔存在一段共同的谐振回路。通过 理论推导可以证明共腔结构可以使激光器有效实现锁模来稳定运行，并且具有非常好的 抗干扰性能。(2)并行反馈回路，是指在上面提出的共腔概念的基础上，使光纤激光器中的正反 馈回路为多路并行，通过不同回路之间光的相干叠加作用，使得最后输出激光的波形有所 改善。通过仿真和实验证明采用多模光纤搭建的并行反馈激光器可以实现超窄线宽到Hz 以下量级。而目前现有商用光纤激光器线宽都在kHz以上，而且价格昂贵。下面对与根据本发明的并行反馈光纤激光陀螺相关的工作原理进行详细说明。1.并行反馈结构的谐振原理图3示出了并行反馈结构的示意图。对于双耦合器的MZI结构谐振腔，在不考虑 偏振态、熔接损耗和传输衰减且光源为单频的情况下，其谐振选频原理推导如下
假设输入光强为
权利要求
一种基于并行反馈的激光陀螺，包括掺铒光纤放大器、F P腔滤波器、单模光传输介质、多模光传输介质、90∶10耦合器、50∶50耦合器以及光电检测装置，其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F P腔滤波器、多模光传输介质、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述环形腔，两个耦合端作为双向光路输出端口，所述90∶10耦合器的两个耦合输出端连接50∶50耦合器的两个输入端，50∶50耦合器的输出端连接所述光电检测装置。
2.如权利要求1所述的激光陀螺，其中，所述单模光传输介质和多模光传输介质分别 是单模和多模光纤、光波导或光子晶体。
3.如权利要求1所述的激光陀螺，其中，在所述多模光传输介质包括多段光传输介质 时，单模光传输介质和多模光传输介质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传 输介质构成的光传输结构。
4.如权利要求2所述的激光陀螺，其中，所述多模光纤的外芯直径为125μπι，内芯直径 为 100 μ m。
5.如权利要求2所述的激光陀螺，其中，所述多模光纤的长度为5m。
6.如权利要求1所述的激光陀螺，其中，所述单模光传输介质包括多段单模光传输介 质，所述多模光传输介质包括多段多模光传输介质。
7.如权利要求6所述的激光陀螺，其中，所述单模和多模光传输介质分别是单模光纤 和多模光纤，所述多段多模光纤的外芯直径为125 μ m，内芯直径为100 μ m，且每段多模光 纤的长度为5m。
全文摘要
本发明提供了一种基于并行反馈的激光陀螺，包括掺铒光纤放大器、F-P腔滤波器、多模光传输介质、90∶10耦合器、50∶50耦合器以及光电检测装置，其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F-P腔滤波器、多模光传输介质、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述环形腔，两个耦合端作为双向光路输出端口，所述90∶10耦合器的两个耦合输出端连接50∶50耦合器的两个输入端，50∶50耦合器的输出端连接所述光电检测装置。根据本发明的超窄线宽激光陀螺，可以利用多模光传输介质来压缩线宽，而无需大幅度增长掺铒光纤长度，从而大大提高光纤激光陀螺的测量精度及降低成本。此外，根据本发明的激光陀螺还可以放大萨格耐克效应。
文档编号G01C19/72GK101995246SQ20101050840
公开日2011年3月30日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年8月13日
发明者余晓琦, 徐连宇, 朱立新, 李正斌, 王大量, 王子南, 王玉洁, 王翠云, 蒋云, 贾雷 申请人:北京大学