三轴光收发集成组件及其光路平衡补偿方法、光纤陀螺与流程

本发明属于光学陀螺技，具体涉及一种具有光路平衡补偿的三轴光收发集成组件及其光路平衡补偿方法、光纤陀螺。

背景技术：

1、随着技术发展和领域拓展，干涉式光纤陀螺逐步向着小型化、低成本方向发展，传统三轴光纤陀螺的小型化、低成本发展面临巨大挑战，主要限制因素在于传统三轴光纤陀螺光路包含11个分立光学器件、多达16个熔点和16段尾纤需要处理，造成中低精度三轴光纤陀螺生产工序复杂、体积大、成本高、成品率低。近年来，集成光学芯片取得突破并且在光通信领域获得广泛应用，为光纤陀螺实现集成化与小型化提供了新的思路：将传统三轴光纤陀螺中的分立光学器件用集成光学芯片取代，其体积、重量、成本和功耗将会大幅降低，因此三轴集成化光纤陀螺成为了陀螺惯性器件的重要发展方向。

2、三轴光收发集成组件是三轴集成化光纤陀螺的核心部件，主要由三轴集成光学芯片及配套电路组件组成，其性能直接影响到陀螺精度。从目前应用来看，三轴集成光学芯片普遍存在输出光功率不平衡、pin-fet接收组件响应度不一致的问题，这将会导致三轴集成化光纤陀螺光路信噪比存在差异，劣化光纤陀螺性能，具体表现为三轴光纤陀螺的x、y、z轴闭环直流段电压不一致，从而造成陀螺输出精度存在差异，很难保证三轴集成化光纤陀螺精度同步达到导航系统使用要求。

3、因此，迫切需要针对光学芯片的上述问题，提出一种能够提升三轴集成化光纤陀螺光路整体对称性、实现光路平衡的光收发集成组件技术方案，解决光学芯片输出光功率不平衡、接收光响应不一致的突出问题，达到提升三轴集成化光纤陀螺性能和制造成品率的目的。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的三轴光收发集成组件输出光功率不平衡、pin-fet接收组件响应度劣化集成化光纤陀螺性能的技术问题，本发明提供了一种具有光路平衡补偿的三轴光收发集成组件及其光路平衡补偿方法。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种三轴光收发集成组件，包括三轴光学芯片、光电收发单元和光路平衡单元；三轴光学芯片集成sld光源、耦合器、光电转换结构，三轴光学芯片的三段尾纤与光电收发单元连接；光电收发单元用于三轴光学芯片三通道光功率检测和发光；光路平衡单元包括信号检测及跨阻选择模块、增益调节模块，信号检测及跨阻选择模块连通光电转换结构、光电收发单元，接收光电转换结构输出电信号、光电收发单元输出光功率，通过跨阻调整输出第一电压，增益调节模块连接信号检测及跨阻选择模块，对第一电压幅值进行增益调节，输出第二电压。

4、本发明在三轴光收发集成组件中设置具有粗调节功能的跨阻网络以及具有细调节功能的程控电阻，通过检测三轴光学芯片光功率和光电转换结构接收电流响应度，进行输出电压的粗细调节，优化光路对称性、提升陀螺精度。

5、进一步地，信号检测及跨阻选择模块包括信号检测子模块、跨阻选择子模块，信号检测子模块接收光电转换结构输出电信号计算电流响应度，以及接收三轴光学芯片三通道光功率；跨阻选择子模块根据光功率和电流响应度选择跨阻值。

6、优选的，跨阻选择子模块包括模拟开关和若干不同阻值的电阻，模拟开关第一输入端连接三条通道光电转换结构的输出端，第二输入端连接跨阻选通信号，控制模拟开关的选通，若干不同阻值的电阻并联构成电阻网络，模拟开关输出端连接电阻网络。

7、优选的，光路平衡单元还包括跨阻调谐表，在表中划分若干光强区间、电流响应度区间，每个光强区间、电流响应度区间对应一个设定的跨阻值。

8、进一步地，光路平衡单元还包括模式控制模块，连接光电收发单元，用于控制光电收发单元的工作模式。

9、进一步地，光路平衡单元还包括恒温控制模块，用于sld光源部分的温度控制以实现稳定的光功率输出。

10、进一步地，驱动电流调谐模块，用于sld光源部分的驱动电流控制以实现稳定的光功率输出。

11、进一步地，增益调谐模块采用同相放大电路。

12、本发明还提供了一种三轴光收发集成组件的光路平衡补偿方法，包括如下步骤：

13、测试三通道光电转换结构电流响应度；

14、测试三轴光学芯片三通道输出光功率；

15、根据光功率和电流响应度选择跨阻值；

16、计算实际输出偏压与目标标准偏压的误差，通过增益调节使得三轴光收发集成组件输出目标标准偏压。

17、进一步地，所述测试三通道光电转换结构电流响应度，具体包括如下步骤：

18、设置增益调节模块的增益为1；

19、控制光电收发单元为光源模式，测试三通道光电转换结构输出电压，计算对应的电压响应度；

20、

21、其中，ptest-n为n通道光功率，vout-n为n通道输出电压，n＝1,2,3，分别对应三轴光学芯片的x轴、y轴、z轴通道，v0为三通道光电转换结构的无光偏压；

22、计算三通道光电转换结构的电流响应度：

23、

24、其中，为初始设定的跨阻。

25、进一步地，所述测试三轴光学芯片三通道输出光功率，包括如下步骤：

26、控制光电收发单元为pin-fet模式；

27、三轴光学芯片处于正常工作状态；

28、光电收发单元测试三轴光学芯片的三通道输出电压vtest-n，计算对应的光功率：

29、

30、其中，rf-test为光电收发单元的电压响应度。

31、进一步地，所述计算实际输出偏压与目标标准偏压的误差，通过增益调节使得三轴光收发集成组件输出目标标准偏压，具体包括如下步骤：

32、控制光电收发单元为光源模式；

33、检测增益调节模块的实际偏压输出；

34、计算程控电阻阻值：

35、

36、其中，vbias为目标标准偏压值，vout为实际偏压，r0为基准电阻；

37、按照计算的程控电阻阻值调节程控电阻。

38、本发明还提供了一种光纤陀螺，采用前述三轴光收发集成组件，所述光电收发单元包括3条输出光纤，3条所述输出光纤分别通过3个y波导和3个光纤环圈连接。

39、本发明与现有技术相比的有益效果：

40、本发明通过在三轴光收发集成组件中设计输出光功率检测模块、光探测器响应度检测模块，对于输出光功率和接收光响应度进行检测，通过配套内部电路开关选择光探测器跨阻实现光路输出/响应不平衡粗调节，通过调节增益电阻实现光路输出/响应不平衡细调节，达到优化光路对称性、提升陀螺精度的目的。

41、本发明主要对光学芯片的pin-fet接收组件部分进行优化，对于组件输出光功率无影响，具有结构简单、效果显著、普适性强的技术优势。

技术特征：

1.一种三轴光收发集成组件，其特征在于，包括三轴光学芯片、光电收发单元和光路平衡单元；所述三轴光学芯片集成sld光源、耦合器、光电转换结构，所述三轴光学芯片的尾纤与所述光电收发单元连接；所述光电收发单元用于三轴光学芯片光功率检测和发光；所述光路平衡单元包括信号检测及跨阻选择模块、增益调节模块，所述信号检测及跨阻选择模块连接所述光电转换结构、所述光电收发单元，所述信号检测及跨阻选择模块接收光电转换结构输出电信号、光电收发单元输出光功率，通过调节跨阻输出第一电压，所述增益调节模块连接所述信号检测及跨阻选择模块，对第一电压幅值进行增益调节，输出第二电压。

2.根据权利要求1所述的三轴光收发集成组件，其特征在于，所述信号检测及跨阻选择模块包括信号检测子模块、跨阻选择子模块，所述信号检测子模块接收光电转换结构输出电信号计算电流响应度，以及接收三轴光学芯片三通道光功率；所述跨阻选择子模块根据光功率和电流响应度选择跨阻值。

3.根据权利要求2所述的三轴光收发集成组件，其特征在于，所述跨阻选择子模块包括模拟开关和若干不同阻值的电阻，所述模拟开关第一输入端连接三条通道光电转换结构的输出端，所述模拟开关第二输入端连通跨阻选通信号，所述跨阻选通信号控制模拟开关的选通，若干不同阻值的电阻并联构成电阻网络，所述模拟开关输出端连接所述电阻网络。

4.根据权利要求2所述的三轴光收发集成组件，其特征在于，所述光路平衡单元还包括

5.根据权利要求1所述的三轴光收发集成组件，其特征在于，所述增益调谐模块采用同相放大电路。

6.一种光纤陀螺，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的三轴光收发集成组件，所述光电收发单元包括3条输出光纤，3条所述输出光纤分别通过3个y波导和3个光纤环圈连接。

7.一种三轴光收发集成组件的光路平衡补偿方法，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的三轴光收发集成组件，包括如下步骤

8.根据权利要求7所述的光路平衡补偿方法，其特征在于，所述测试三通道光电转换结构电流响应度，具体包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的光路平衡补偿方法，其特征在于，所述测试三轴光学芯片三通道输出光功率，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的光路平衡补偿方法，其特征在于，所述计算实际输出偏压与目标标准偏压的误差，通过增益调节使得三轴光收发集成组件输出目标标准偏压，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种三轴光收发集成组件及其光路平衡补偿方法、光纤陀螺，其中三轴光收发集成组件包括三轴光学芯片、光电收发单元和光路平衡单元；三轴光学芯片集成SLD光源、耦合器、光电转换结构，三轴光学芯片的尾纤与光电收发单元连接；光电收发单元用于三轴光学芯片光功率检测和发光；光路平衡单元包括信号检测及跨阻选择模块、增益调节模块，信号检测及跨阻选择模块连接光电转换结构、光电收发单元，接收电信号、光功率，通过调节跨阻输出第一电压，增益调节模块对第一电压幅值进行增益调节，输出第二电压。本发明通过对光路输出/响应不平衡开展粗调节、细调节，优化光路对称性、提升陀螺精度。

技术研发人员：尚克军,雷明,李豪伟,于晓之,张丽哲
受保护的技术使用者：北京自动化控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15