一种光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块

1.本发明属于光电子器件技术领域，涉及一种高精度光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块，用于高精度光纤陀螺领域带强度噪声抑制的ase光源与探测器集成一体化情况下，ase光源、探测器与尾纤之间的集成与耦合封装。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种基于sagnac效应的角速度传感器，广泛应用于惯性导航系统之中。随着惯性导航领域的不断发展，对角速度传感精度的要求也不断提高。因为光纤在1550nm处的传输损耗很小，适合用于长距离传输或传感，在高精度光纤陀螺仪中，一般使用1550nm的基于掺铒光纤的放大自发辐射(amplified spontaneous emission,ase)光源，是一种具有波长稳定性高、输出功率大等优点的宽谱光源，适合用于提高陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性。但由于宽谱光源中不同频率分量的拍频引起的光强波动，对ase光源的输出造成影响，而光功率越大，输出光强的波动也会随之增加，一般将光强波动与平均光功率的比值定义为光源的相对强度噪声(relative intensity noise,rin)。在光纤陀螺的信号检测过程中，当到达探测器的光功率超出几十微瓦时，信噪比将不再随光源功率增加而增加，rin成为限制检测精度的主要噪声，为此，已出现了相关的rin抑制方法。传统的强度噪声抑制ase方案中，存在器件过于分散、整个光源模块体积过大的缺点，其原理结构如图2(a)所示。此外，尾纤及熔点的存在会带来可靠性和熔点反射引起的额外误差问题。为此，需要采用有效的集成方案，将模块化零为整。
3.为了实现高精度光纤陀螺中光收发模块的集成一体化，减小体积尺寸，设计可行的光收发模块光路方案和结构布局是解决问题的关键，本发明提出了一种光纤陀螺相对强度噪声抑制ase光源收发模块的集成方法，用于减小高精度光纤陀螺中光收发模块的尺寸和重量，对高精度光纤陀螺的轻小型化具有深远意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是实现用于高精度光纤陀螺中的强度噪声抑制ase光源和探测器的集成一体化，重点针对将强度噪声抑制ase光源和探测器的集成一体化方案，提出了一种基于波导式波分复用器(wdm)和波导耦合器的集成方案。本发明采用以下技术方案：
5.一种光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块，包括：泵源模块、掺铒光纤和接收模块，泵源模块与接收模块通过掺铒光纤连接；
6.所述泵源模块包括激光器泵浦源、波导式波分复用器、第一法拉第反射镜，所述波导式波分复用器包含三个端口，左侧端口一与激光器泵浦源管芯对轴耦合，左侧端口二与第一法拉第反射镜连接，右侧端口与掺铒光纤的第一掺铒光纤端子连接；
7.所述接收模块包括保偏滤波隔离器、50:50保偏波导耦合器、第二法拉第反射镜、探测器、尾纤，掺铒光纤的第二掺铒光纤端子与保偏滤波隔离器对轴耦合；所述50:50保偏波导耦合器包含两个输入端口及两个输出端口，其中，保偏滤波隔离器的另一端与输入端
口一连接，输入端口二连接探测器，输出端口一与尾纤连接，输出端口二与第二法拉第反射镜连接。
8.进一步，所述第一法拉第反射镜包括第一法拉第旋光晶体、全反射滤波膜、第一管状磁体；所述波导式波分复用器的左侧端口二连接第一法拉第旋光晶体，第一法拉第旋光晶体与左侧端口二相接端面相对的端面镀有全反射滤波膜；第一法拉第旋光晶体位于第一管状磁体的内部，能够沿第一管状磁体旋转；
9.所述第二法拉第反射镜包括第二法拉第旋光晶体、2％反射滤波膜、第二管状磁体；所述保偏滤波隔离器的输出端口二与第二法拉第旋光晶体连接，第二法拉第旋光晶体与输出端口二相接端面相对的端面镀有2％反射滤波膜；第二法拉第旋光晶体位于第二管状磁体的内部，能够沿第二管状磁体旋转。
10.进一步，所述泵源模块中，泵浦光经过波导式波分复用器传输到掺铒光纤，掺铒光纤在泵浦光的作用下产生自发辐射，掺铒光纤的辐射光沿正反两向传输，其中，反向辐射光经过波导式波分复用器反向传输耦合到第一法拉第反射镜，经第一法拉第反射镜反射后再次回到掺铒光纤中，经由掺铒光纤的第二掺铒光纤端子辐射输出。
11.进一步，所述接收模块中，掺铒光纤的前向辐射光通过保偏滤波隔离器耦合入50:50保偏波导耦合器，分别经由输出端口一耦合进入尾纤，和输出端口二传输到第二法拉第反射镜；其中，耦合进输出端口一的光经由尾纤输出，即是集成模块的输出光；输出端口二的光经由第二法拉第反射镜旋转偏振态和反射，成为偏振态旋转90
°
的后向传输光，该后向传输光与经由尾纤反向输入的外部返回光，再次经过50:50保偏波导耦合器反向传输耦合到输入端口二，被探测器所检测。
12.进一步，所述泵源模块、掺铒光纤和接收模块封装于同一薄圆柱形结构件中，所述掺铒光纤绕环在所述薄圆柱形结构件内壁的凹槽中，尾纤从所述薄圆柱形结构件的侧壁孔中沿切线方向引出。
13.进一步，所述尾纤包括金属化光纤段，所述金属化光纤段与所述薄圆柱形结构件的侧壁孔焊封；所述尾纤中金属化光纤段的位置由所述接收模块和所述薄圆柱形结构件的侧壁孔之间的距离决定。
14.本发明的优点与积极效果在于：
15.(1)本发明“一种高精度光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块”，采用的结构方案具有普适性：将掺铒光纤独立于泵源模块和接收模块两大集成模块之外，便于调节铒纤长度，可根据不同功率、波长稳定度需求设计不同的铒纤长度；将ase光源的泵浦模块，以及强度噪声抑制结构和探测器模块分别集成，为高精度光纤陀螺的ase光源模块和探测器模块的集成化和小型化提供了可靠的技术途径。
16.(2)本发明“一种高精度光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块”，采用波导式wdm和波导耦合器取代传统分离元器件方案中的熔融拉锥型的光纤器件，实现对光束的分光和耦合，大幅度提高光收发模块的集成度，同时避免了尾纤熔接点中可能存在的偏振串音或反射次波干扰。
17.(3)本发明“一种高精度光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块”，在关注光路的集成度的同时，采用波导式wdm取缔传统ase光源中的熔融拉锥型wdm，减小了50％的光路损耗，有助于高精度光学陀螺的信噪比提升。
附图说明
18.图1是光纤陀螺原理结构图。其中图1(a)为不含强度噪声抑制的光纤陀螺结构；图1(b)为包含强度噪声抑制的光纤陀螺结构；图1(c)为采用法拉第反射镜的强度噪声抑制光纤陀螺方案。
19.图2是强度噪声抑制ase光源及接收(探测器)模块的光路结构图。图2(a)为传统的分离元器件方案，其中光收发模块中的各元件互相分离，元器件之间通过尾纤熔接互相连接；图2(b)强度噪声抑制ase光源收发模块的泵源部分和强度噪声抑制与光接收部分分别集成一体化的光路结构；泵源模块22和接收模块23的集成通过対轴耦合系统实现。
20.图3是所设计的相对强度噪声抑制ase光源收发模块的集成结构的三维示意图。图3(a)为泵源模块集成结构；图3(b)是接收模块集成结构；泵源模块22和接收模块23之间通过掺铒光纤4的两个端子41和42连接。
21.图4是法拉第旋光效应的原理示意图。
22.图5是所设计的相对强度噪声抑制ase光源收发模块的集成结构示意图，尾纤端子21模块的管壳侧壁的开孔实现与外光路的交互。
23.图6是保偏尾纤端子21的局部放大示意图，将保偏光纤固定于二氧化硅u形槽中，并对端面进行切割研磨，使尾纤端面符合要求，再将保偏尾纤端子21与波导耦合器18进行対轴耦合；而为了将整个模块进行气密封装，需要将尾纤端子后的一段光纤进行金属化处理，然后与壳体焊封。
24.图中：1-980泵源；2-熔融拉锥型wdm；3-法拉第滤波反射镜；4-掺铒光纤；5-滤波隔离器；6-50:50保偏耦合器；7-99:1保偏耦合器；8-探测器；9-耦合器7的99％端口；10-耦合器7的1％端口；11～12-尾纤端子；13-保偏尾纤；14-激光器泵浦源；15-波导式wdm；16-第一法拉第反射镜；17-滤波隔离器；18-50:50保偏波导耦合器；19-第二法拉第反射镜；20-探测器管芯；21-保偏尾纤端子；22-泵源模块；23-接收模块；24-u形槽；25-保偏光纤；26-金属化光纤段；161-第一法拉第旋光晶体；162-全反射滤波膜；163-第一管状磁体；41-第一掺铒光纤端子；42-第二掺铒光纤端子；191-第二法拉第旋光晶体；192-2％反射滤波膜；193-第二管状磁体；271-光源热沉；272～277-陪片。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
26.图1所示为光纤陀螺原理结构图，其中图1(a)为传统的光纤陀螺基本光路结构，图1(b)为传统的带强度噪声抑制的高精度光纤陀螺光路结构，从图中可以看出，传统的光纤陀螺强度噪声抑制方案中的分离元件较多，造成整体体积大、光纤尾纤及熔接点多。图1(c)为新型的采用法拉第反射镜的强度噪声抑制的高精度光纤陀螺结构，本发明针对上述高精度光纤陀螺结构中带强度噪声抑制的ase光源和探测器的小型化、一体化提出了集成化方案。
27.具体地，本发明减小了ase光源、强度噪声抑制光路、探测器组成的光收发模块的体积和重量，同时取缔了传统分离器件之间通过尾纤熔接相连接的方法，减少了环境因素对光纤特性影响引入的非线性误差，和光纤熔点存在的背向散射引入的误差。图2(a)所示为采用传统分离元件的带强度噪声抑制的ase光源收发模块光路结构图，通常情况下，ase
光源中980泵源1和掺铒光纤4之间通过熔融拉锥型的wdm 2连接，由双光纤熔融拉锥原理所致，其中存在50％的理论光能量损失；其次，传统强度噪声抑制方案中采用90
°
正交熔接的保偏尾纤作为参考光输入，并通过99:1的保偏耦合器7与信号光实现光强匹配(信号光99％，参考光1％)，而该熔接过程极易引入误差。图2(b)所示为本发明设计的光收发模块集成光路结构。本发明采用波导型wdm 15取缔传统ase光源中的熔融拉锥型wdm 2，在便于与激光器泵浦源14和法拉第反射镜(frm)16直接対轴耦合的同时，避免了传统方案中50％的光能量损耗。另外，所设计的强度噪声抑制ase光源收发模块中偏振旋转90
°
的frm 19提供强度噪声抑制的参考光路，将frm19的反射膜的反射率控制在2％左右，再通过50:50的保偏波导耦合器18与信号光路发生耦合，达到了99:1的保偏耦合器7的相同效果，同时，取缔了传统的强度噪声抑制方案中的99:1保偏耦合器7及其1％端口10的保偏尾纤90
°
交叉熔接，避免了传统光路方案中所需的尾纤端子11和12之间的偏振正交耦合，降低了人工操作难度。
28.进一步的，本发明将泵源模块、掺铒光纤和接收模块集成为一体的光收发模块。本发明采用的光收发模块集成方案为：采用泵源模块和加强度噪声抑制光路的接收模块分别集成的方式，以掺铒光纤作为枢纽，将两个部分集成模块串联起来，并进一步集成封装为一个整体。所设计的强度噪声抑制ase光收发模块的整体结构呈圆盘形，便于与该产品用于的光纤陀螺系统相匹配。所设计集成模块的尾纤需将尾纤的部分进行金属化处理，光纤金属化的位置由接收模块和集成模块侧壁打孔位置的距离决定。
29.本发明的一种光纤陀螺用带相对强度噪声抑制的光收发集成模块，具体包括以下结构设计：
30.该光收发集成模块包括泵源模块、掺铒光纤和接收模块三大部分。其中，泵源模块包括980nm的激光器(ld)泵源、波导式波分复用器(wdm)和第一法拉第反射镜；接收模块包含保偏滤波隔离器、50:50的波导式保偏耦合器、实现90
°
偏振旋转的第二法拉第反射镜、探测器、尾纤；而掺铒光纤是泵源模块和接收模块之间的连接部分。因为ase光源是基于掺铒光纤的自发辐射光放大的原理，其中的掺铒光纤很难集成到模块的集成芯片之上，所以将光纤陀螺的ase光源和光电探测器集成为可以用掺铒光纤跳线连接的两大集成模块，即图2(b)所示的泵源模块和接收模块。
31.所设计的光纤陀螺用带强度噪声抑制的掺铒光纤ase光源收发模块具体的结构设计分析如下：
32.(1)泵源模块的集成方案：
33.所设计集成方案的泵源模块包括传统ase光源方案中的激光器泵浦源14、波导式波分复用器15以及第一法拉第反射镜16，如图3(a)所示。具体实现方式为：采用980nm激光器作为泵浦光源，采用波导式的980/1550nm wdm 15，包含有三个有效端口：wdm 15左侧端口一直接与980nm泵源管芯対轴耦合，并通过匹配胶固定粘合。wdm 15左侧端口二连接第一法拉第旋光晶体161，第一法拉第旋光晶体161与wdm15相接端面相对的端面镀有1550nm波段的全反射滤波膜162；第一管状磁体163与第一法拉第旋光晶体161相配套，第一法拉第旋光晶体161位于第一管状磁体163内部，处于磁体所提供的匀强磁场中。wdm 15右侧端口接可与掺铒光纤跳线连接的窗口，与第一掺铒光纤端子41通过匹配胶粘合固定。
34.具体的，泵浦光经过wdm15传输到掺铒光纤4中，掺铒光纤在泵浦光的作用下产生
自发辐射，掺铒光纤的辐射光沿正反两向传输，其中，反向辐射光经过wdm15反向传输耦合到第一法拉第反射镜16，经反射后再次回到掺铒光纤中，经由掺铒光纤4的第一掺铒光纤端子41辐射输出。
35.特别的，法拉第旋光晶体能够沿管状磁体旋转，从而利用磁旋光效应使光束的偏振方向发生旋转。法拉第旋光晶体对光束偏振态的转变产生的影响由法拉第磁旋光效应决定，通过对旋光晶体的材料、结构、以及磁感应强度b进行选取，能够改变法拉第反射镜的反射光束的偏振态并使该偏振态保持稳定。如图4所示，当磁场不是特别强时，法拉第旋光效应引起的偏振面的旋转角θf与光沿介质的传播距离l、介质的verdet常数v，以及磁场的磁感应强度b成正比：
36.θf＝vbl
37.(2)接收模块的集成方案：
38.所设计集成方案的接收模块包括带传统强度噪声抑制光纤陀螺方案中的保偏滤波隔离器17、50:50保偏波导耦合器18和探测器，并采用2％反射滤波膜192、偏振旋转90
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的第二法拉第旋光晶体191，实现传统强度噪声抑制ase光源中99:1保偏耦合器的功能，如图3(b)所示。第二掺铒光纤端子42与保偏滤波隔离器17直接対轴耦合；保偏滤波隔离器17的另一端与50:50保偏波导耦合器18的输入端口一连接。掺铒光纤的前向辐射光通过保偏滤波隔离器17耦合入耦合器18，分别经由输出端口一耦合进入尾纤，和输出端口二传输到第二法拉第反射镜19。耦合进输出端口一的光经由尾纤输出，即是模块的输出光；输出端口二的光经由第二法拉第反射镜19旋转偏振态和反射，成为偏振态旋转90
°
的后向传输光，与经由尾纤反向输入的外部返回光一样，再次经过耦合器18反向传输耦合到输入端口二，被探测器20所检测。其中，返回光束耦合到输入端口一的部分被滤波隔离器17损耗掉，不会再继续传输到掺铒光纤、甚至泵源模块。
39.集成模块中的各光学元件部分通过基底陪片(图中光源热沉271、陪片272-277)控制保证光路同轴，并以此将各光学元件固定到陶瓷基板上。
40.(3)相对强度噪声抑制ase光源收发模块的整体集成方法结构设计：
41.将上述泵源模块22和接收模块23以及两者之间的掺铒光纤4放在同一集成单元之中，铒纤沿结构件内壁绕环在设计的凹槽中；泵源及其制冷器的电路、探测器的电路部分，在与模块壳体底部相匹配的圆形电路板上实现。整体结构如图5所示。
42.从结构设计角度出发，相对强度噪声抑制ase光源收发集成模块的整体尺寸一方面受限于泵源模块和接收模块的尺寸；另一方面受限于铒纤所能容忍的弯曲半径以及铒纤长度。
43.因用于光纤陀螺系统中，为和后续光纤陀螺的敏感环(光纤环+y波导模块)相接，并方便与整个光纤陀螺系统的结构构架和布局，本发明将相对强度噪声抑制ase光源收发集成模块设计为薄圆柱形，且尾纤从圆柱侧壁孔中沿切线方向引出，避免了尾纤沿直径方向引出情况下盘纤所需的弯曲距离，有助于减小系统结构尺寸。
44.此外，图6是保偏尾纤端子21的局部放大示意图，将保偏光纤25固定于二氧化硅u形槽24中，并对端面进行切割研磨，使尾纤端面符合要求，再将保偏尾纤端子21与波导耦合器18进行対轴耦合；而为了将整个模块进行气密封装，需要将尾纤端子后的一段光纤进行金属化处理，即金属化光纤段26，金属化光纤段26与圆柱侧壁孔焊封，实现集成模块的气密
封装。
45.本发明从光路设计的角度阐述了一种高精度光纤陀螺强度噪声抑制ase光源及探测器光收发模块的集成方案，能够在提高高精度光纤陀螺光收发模块集成度的同时减小光路误差，为高精度光纤陀螺的集成化、轻小化研制提供了有效可行的方案。