专利名称：全光子晶体光纤陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤陀螺系统，特别涉及一种高精度全光子晶体光纤陀螺。
背景技术：
光纤陀螺是利用Sagnac效应获得角速度信息的光纤传感器，干涉型光纤陀 螺通过测量沿光纤线圈顺时针和逆时针方向传播的两束光的相位信息测量光纤 线圈的转速。表征干涉型光纤陀螺测量旋转速率的基本参数是角度随机游走， 单位为°/|。
现在主要的干涉型光纤陀螺(IFOG， Interferometric Fiber Optic Gyros)光纤绕 制而成，无论是单模光纤还是保偏光纤， 一般弯曲损耗都比较大，会降低光纤 陀螺的精度。可以通过重掺杂的手段增加光纤纤芯与包层之间的折射率差，但 现阶段通过掺杂设计的折射率差一般小于10%，而且，重掺杂会导致生产过程 中产生较多缺陷，增加光纤的损耗。通过锗掺杂制作的IFOG光纤敏感环会因为 锗离子被y射线电离，增加光纤损耗，如果采用氟掺杂光纤包层，可以克服r射 线对光纤的影响，但是这样得到的纤芯和包层的折射率差有限。
对于固定体积和低损耗光纤绕制的敏感环，陀螺的精度和光纤的直径平方 根有关系。通过增加光纤长度或者减少光纤直径能达到提高光纤敏感环测量精 度的目的。
一种提高光纤陀螺测量精度的方法是增加光源的谱宽，使用超宽谱光源， 也可以降低光纤陀螺随机游走噪声(ARW)，但是传统石英光纤的带宽有限的， 如果过于增加光纤的带宽，会增加光纤环的弯曲损耗。
通过提高光源的光功率可以提高光纤陀螺的精度，降低光纤陀螺的随机游 走噪声，但是大功率激光器会破坏石英光纤的结构，降低光纤传输性能，导致 光纤内部的非线性效应，甚至产生烧孔现象。
保证光纤陀螺的互易结构对降低光纤陀螺随机游走误差(ARW)非常重要， 提高光纤敏感环的对称性可以降低光纤陀螺随机游走误差，增加环的对称性， 可以降低光纤陀螺的环境敏感性，特别是对温度变化的敏感性。为了保证光纤 陀螺的互易结构， 一般采用二极子，四极子等方法绕制光纤敏感环，但光纤环 越大，各种绕法带来的非对称性同样会随之增加，从而降低光纤陀螺的温度性 能，而且绕法对光纤绕纤机要求高，没法彻底解决光纤陀螺敏感环的对称性问 题。
发明内容
本发明的目的是为了突破石英光纤对光纤陀螺性能提高的限制，提供一种 全光子晶体光纤陀螺，采用该方案能够有效降低光纤陀螺随机游走噪声，提高 光纤陀螺的温度性能。
全光子晶体光纤陀螺系统包括光子晶体尾纤激光器宽谱光源、光探测器、 光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器、光子晶体光纤敏感环，光子晶体 尾纤激光器宽带光源发出的光通过光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器 将传输光分成两束，进入光子晶体光纤敏感环顺时针和逆时针传输，再经过调 制器和耦合器进入光探测器，得到的干涉信号可以表征系统旋转速率。
全光子晶体光纤陀螺的连接光纤是全内反射型单模光子晶体光纤、全内反 射型保偏光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。
所述的光子晶体尾纤激光器宽谱光源的尾纤为单模光子晶体光纤或保偏光 子晶体光纤，光子晶体光纤为全内反射型或带隙型光纤。集成光学相位调制器
是具有相位调制功能的集成光学Y分支，传输的光被对称地分为两束，相位调 制器制作在Y分支的两个臂上。光子晶体光纤敏感环由双芯光子晶体光纤绕制 而成，光子晶体光纤的类型为全内反射型单模光纤、全内反射型保偏光纤、带 隙型单模光纤或带隙型保偏光纤。光子晶体光纤的长度为150米 2000米，光 子晶体光纤的直径为100 500微米。光子晶体光纤基底材料是硅、掺杂硅、氟 化玻璃、硫化玻璃、高分子聚合物，或Si02。光子晶体光纤的涂覆层是高分子 聚合物。
本发明采用光子晶体光纤连接各器件，光功率传输效率高，特别是弯曲损 耗小，动态范围宽，抗外界环境扰动能力强。采用光子晶体光纤绕制光纤陀螺 敏感环，能够有效降低光纤陀螺随机游走噪声，提高光纤陀螺的温度性能。
图1是全光子晶体光纤陀螺结构示意图2是本发明中光源尾纤和各器件间连接光纤采用的全内反射型单模光子 晶体光纤；
图3是本发明中光源尾纤和各器件间连接光纤采用的全内反射型保偏光子 晶体光纤；
图4是本发明中光源尾纤和各器件间连接光纤采用的带隙型单模光子晶体 光纤；
图5是本发明中光源尾纤和各器件间连接光纤采用的带隙型保偏光子晶体光纤；
图6是本发明中光子晶体光纤耦合器采用的全内反射型单模光子晶体光纤; 图7是本发明中光子晶体光纤耦合器采用的全内反射型保偏光子晶体光纤; 图8是本发明中光纤敏感环所采用的全内反射型单模双芯光子晶体光纤； 图9是本发明中光纤敏感环所采用的全内反射型保偏双芯光子晶体光纤； 图10是本发明中光纤敏感环所采用的带隙型单模双芯光子晶体光纤； 图11是本发明中光纤敏感环所采用的带隙型保偏双芯光子晶体光纤。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的双芯光子晶体光纤陀螺的具体实施方式
加以说明。
如图1所示，全光子晶体光纤陀螺系统包括光子晶体尾纤激光器宽谱光源、 光探测器、光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器、光子晶体光纤敏感环， 光子晶体尾纤激光器宽带光源发出的光通过光子晶体光纤耦合器、集成光学相 位调制器将传输光分成两束，进入光子晶体光纤敏感环顺时针和逆时针传输， 再经过调制器和耦合器进入光探测器。各器件间连接光纤是全内反射型单模光 子晶体光纤、全内反射型保偏光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤或带隙 型保偏光子晶体光纤，横截面分别如图2 5所示。
本发明中光子晶体光纤基底材料是硅、掺杂硅、氟化玻璃、硫化玻璃、高 分子聚合物，或Si02。光子晶体光纤的涂覆层是高分子聚合物。
激光器宽谱光源采用自激发辐射发光光源，比如激光光源，气体激光器， 半导体激光器，超辐射激光二极管，也可以采用白光光源，荧光光源，光谱谱 宽范围为10nm 1000nm，中心波长范围为700 2000nm，也可以采用自激发辐 射发光光源，包括超荧光光纤光源，自发辐射激光光源，自发辐射激光光源可 以是掺铒激光光源，结构可以是单程后向，单程前向，双程后向，双程前向， 光谱谱宽范围为10nm 1000nm，中心波长范围为700 2000nm。光源尾纤采用 全内反射型单模光子晶体光纤、全内反射型保偏光子晶体光纤、带隙型单模光 子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤，横截面分别如图2 5所示。
光子晶体光纤耦合器控制光源发出的入射光，引导带有位相信息的干涉信 号进入探测器，背景介质可以是硅、石英、玻璃、塑料、聚合物，成孔的介质 棒材料可以是石英、玻璃、聚合物、塑料，采用全内反射型单模光子晶体光纤， 横截面结构如图6所示，或全内反射型保偏光子晶体光纤，横截面结构如图7 所示，通过微结构适当设计，耦合器可以是2x2， 2x3， 2xl分束形式。集成光学相位调制器是具有相位调制功能的集成光学Y分支，传输的光被 对称地分为两束，相位调制器制作在Y分支的两个臂上。调制器尾纤可以采用 保偏光子晶体光纤尾纤。
光子晶体光纤敏感环由双芯光子晶体光纤绕制而成，集成相位调制器将入 射光分成两束后，在双芯光子晶体光纤敏感环中按照顺时针和逆时针两个方向 传播得到干涉信号。双芯光子晶体光纤背景介质可以是硅、石英、玻璃、塑料、 聚合物，成孔的介质棒材料可以是石英、玻璃、聚合物、塑料，双芯光子晶体 光纤可以是双芯全内反射型单模光纤，横截面结构如图8所示，可以是双芯全 内反射型保偏光纤，横截面结构如图9所示，可以是双芯带隙型单模光纤，横 截面结构如图10所示，可以是双芯带隙型保偏光纤，横截面结构如图ll所示。
双芯光子晶体光纤敏感环的长度为150米 2000米，直径为100 500微米。 电磁波在光纤的两芯传播时，隔离度〉60dB。敏感环可以是具有光纤环支架的光 纤环，也可以是没有光纤环支架的脱骨架环，光纤敏感环的外径尺寸在20mm 250mm之间，内部直径在10mm 125mm之间，光纤敏感环高度在20mm lOOmm之间。
光探测器探测到从耦合器返回的光信号，然后转化为电信号，光探测器可 以是PIN光电探测器，或APD探测器，或红外探测器。
本发明的全光子晶体光纤陀螺中的连接光纤全部采用光子晶体光纤，采用 光子晶体光纤敏感环的光纤陀螺随机游走误差为0.001°/^，而同样尺寸的传统 石英光纤陀螺的随机游走误差为0.005 fl/V^，光子晶体光纤陀螺可以大大减小传 统石英光纤陀螺的随机游走误差。
权利要求
1.一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于包括光子晶体尾纤激光器宽谱光源、光探测器、光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器、光子晶体光纤敏感环，光子晶体尾纤激光器宽带光源发出的光通过光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器将传输光分成两束，进入光子晶体光纤敏感环顺时针和逆时针传输，再经过调制器和耦合器进入光探测器。
2. 根据权利要求1所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述的 全光子晶体光纤陀螺的连接光纤是全内反射型单模光子晶体光纤、全内反射型 保偏光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。
3. 根据权利要求1所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述的 光子晶体尾纤激光器宽谱光源的尾纤为全内反射型单模光子晶体光纤、全内反 射型保偏光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。
4. 根据权利要求1所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述 的集成光学相位调制器是具有相位调制功能的集成光学Y分支，传输的光被对 称地分为两束，相位调制器制作在Y分支的两个臂上。
5. 根据权利要求1所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述 的光子晶体光纤敏感环由光子晶体光纤绕制而成，光子晶体光纤的类型为全内 反射型单模光纤、全内反射型保偏光纤、带隙型单模光纤或带隙型保偏光纤。
6. 根据权利要求5所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述 的光子晶体光纤的长度为150米 2000米，光子晶体光纤的直径为100 500微 米。
7. 根据权利要求1所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述的 光子晶体光纤基底材料是硅、掺杂硅、氟化玻璃、硫化玻璃、高分子聚合物， 或Si02。
8. 根据权利要求4所述的一种全光子晶体光纤陀螺系统，其特征在于所述的 光子晶体光纤的涂覆层是高分子聚合物。
全文摘要
本发明公开了一种全光子晶体光纤陀螺系统。它包括光子晶体尾纤激光器宽谱光源、光探测器、光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器、光子晶体光纤敏感环，光子晶体尾纤激光器宽带光源发出的光通过光子晶体光纤耦合器、集成光学相位调制器将传输光分成两束，进入光子晶体光纤敏感环顺时针和逆时针传输，再经过调制器和耦合器进入光探测器，得到的干涉信号可以表征系统旋转速率。各器件间连接光纤是全内反射型单模光子晶体光纤、全内反射型保偏光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。采用该方案能有效降低光纤陀螺随机游走噪声，提高光纤陀螺的温度性能。
文档编号G01C19/72GK101294807SQ200810062480
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者承 刘, 舒晓武, 侃 陈, 黄腾超 申请人:浙江大学