用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器及光纤陀螺光路

摘要

用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制器及光纤陀螺光路，利用LiNbO

说明书

技术领域

本发明涉及一种倍增光纤陀螺干涉仪光程的干涉仪光路方案。

背景技术

光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种新型全固态陀螺仪表，具有可靠性高、抗冲击 振动能力强、体积小、质量轻、启动时间短、结构设计灵活等特点，在海陆空天军事领域及其 它民用领域已获得广泛应用。光纤陀螺是惯性导航系统的核心仪表，其性能直接决定了惯 性导航系统的性能。随着光纤陀螺应用的不断深入和拓展，一些领域对光纤陀螺的精度要 求日益提高，尤其是在光纤陀螺的体积受到较大约束时，突破现有精度水平更为困难。

目前光纤陀螺大多采用干涉型全数字保偏方案，其主要部分Sagnac干涉仪由光纤 线圈和Y波导集成光学调制器组成，如图2所示。所采用的光纤均为保偏光纤，其目的是降低 由于光纤中光偏振态的变化给陀螺带来的误差。在Sagnac干涉仪内，沿着闭合光路相向传 输的两路光波返回到起始点发生干涉，干涉信号的相位差正比于Sagnac干涉仪敏感轴的输 入角速度：

式(1)中，L为Sagnac干涉仪的总光程；D为光纤线圈的平均直径；λ为光波的波长；c 为光在真空中传播的速度；K_s为Sagnac干涉仪的标度因数，由L、D、λ、c这几项参数决定；Ω 为Sagnac干涉仪敏感轴的输入角速率。

从上式可以看出，在一个已知的光纤陀螺仪方案中，K_s也是已知的，通过检测 Sagnac干涉仪中干涉信号的相位差可得到输入角速率Ω。通常情况下，通过提高K_s，在 相同输入角速率Ω下，也正比增大，采用检测到的信号在解调后得到的角速率Ω的 误差也相应减小，有利于提高光纤陀螺的精度。

在实际情况下，决定K_s的各项参数中，λ是基本固定的，c是常数，要提高标度因数 K_s，一般情况下采用两个方法：一是通过增加光纤线圈的长度来增加干涉仪的总光程L，二 是增加光纤线圈的平均直径D来实现。这两个方法都不可避免的造成光纤陀螺的体积增大， 使得光纤陀螺的应用受到较大约束。

目前在干涉型光纤陀螺中一般采用基于电光效应的波导型LiNbO₃集成光学调制 器，主要起到光信号起偏、分光、以及相位调制的作用，其光路结构如图1所示。其中①、②、 ③为采用质子交换工艺制作的LiNbO₃晶体，采用质子交换的波导具备偏振功能，质子取代 Li⁺进入LiNbO₃晶体后使得Z轴的折射率增大，而X或Y轴的折射率减小，使沿X或Y轴的偏振光 不能形成导模，从而实现偏振的功能，只能传输一个偏振模式的信号光；④、⑤、⑥为输入输 出接口的尾纤；⑦为制作LiNbO₃晶体的衬底。

当这种集成光学调制器接入陀螺光路后(如图1)，从光源(4)输出经过光纤耦合器 (3)的①、③端接口尾纤，进入集成光学调制器(2)的①端接口尾纤，起偏后(设偏振方向为X 向)分别由集成光学调制器(2)的②、③端接口尾纤输出，分别沿保偏光纤线圈(1)顺时针和 逆时针传输。因其信号光的偏振方向仍未X向，沿保偏光纤线圈(1)顺时针和逆时针传输的 两束信号光再由集成光学调制器(2)的②、③端接口尾纤输入，发生干涉后由集成光学调制 器(2)的①端接口尾纤输入，最终经过光纤耦合器(3)的③、②端接口尾纤，进入光电探测器 (5)，并将光信号转化为电信号。

使用这种集成光学调制器时，决定光纤陀螺标度因数K_s的光纤线圈的平均直径D 由光纤线圈的尺寸决定，而另一个决定因素——干涉仪的总光程L——则由光纤线圈的光 纤长度l和光纤的折射率n决定，L＝nl。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于倍增光纤陀螺干涉 仪的集成光学调制器及Sagnac干涉仪光路。

本发明的技术解决方案是：一种用于倍增光纤陀螺干涉仪光程的集成光学调制 器，所述集成光学调制器包含衬底m、在衬底m上加工LiNbO₃晶体波导、以及与LiNbO₃晶体波 导耦合的保偏光纤光路段；其中LiNbO₃晶体波导由a、b、c、d、e、f、g七段波导组成；a、b、c波 导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；晶体波导d、e的长度L2为2mm ～5mm；晶体波导a的长度L3为1.5mm～4.5mm；晶体波导d的一端与晶体波导b、f的一端相交 于B点；晶体波导e的一端与晶体波导c、g的一端相交于C点；晶体波导a的一端与晶体波导b、 c的另一端相交于A点；晶体波导f、g的另一端分别与光路段h的两端耦合；晶体波导a、d、e的 另一端分别耦合光路段i、j、k的一端，光路段h、i、j、k为保偏光纤。

进一步的，A点距晶体波导d、e与耦合光路段j、k的一端距离L1为10mm～20mm；晶体 波导d、e平行，二者之间距离d0为300μm～1000μm；晶体波导f、g分别与晶体波导a平行，f、g 距a的距离d1、d2为150μm～500μm；晶体波导端面直径为3μm～7μm。

所述集成光学调制器的工作波长是850nm、1310nm或1550nm。

所述保偏光纤是PANDA型、BOWTIE型、TIGER型、椭圆包层型或一字型。

光纤包层直径是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm、或Φ40μm。

一种光纤陀螺光路，包括保偏光纤线圈、集成光学调制器、光纤耦合器、光源和探 测器；

集成光学调制器的波导g、光路段k与保偏光纤线圈的接口光纤进行保偏连接，其 中光路段j与保偏光纤线圈的①端接口光纤90°对轴连接，光路段k与保偏光纤线圈的②端 接口光纤0°对轴连接，形成光纤熔接点S1和S2；

集成光学调制器的光路段i与光纤耦合器的输出端③端接口光纤连接，形成光纤 熔接点S3；光纤耦合器的输入端①端接口光纤与光源的接口光纤连接，形成光纤熔接点S4； 光纤耦合器的返回端②端接口光纤与探测器的接口光纤连接，形成光纤熔接点S5；光纤耦 合器的空头端④端接口光纤处理成回波损耗大于50dB的状态，即防止光信号反射回干涉 仪光路。

本发明与现有技术相比有益效果为：本发明的技术方案在不增加光纤长度、不增 大光纤陀螺尺寸的条件下，将Sagnac干涉仪的光程提高为原来的两倍，将光纤陀螺的精度 提高近2倍，有利于导弹、卫星等应用领域对光纤陀螺的高精度、小型化要求。

本发明中所描述的用于倍增光纤陀螺干涉仪的集成光学调制器如图3所示。其中 a、b、c波导采用质子交换技术制备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；光路段h与f、g波导 耦合，为保偏光纤；光路段i、j、k是分别与a、d、e波导耦合的保偏光纤。基于这种构造方式， 由于a、b、c波导采用质子交换技术制备，具备偏振功能，只能传输一个偏振模式(沿X轴或沿 Y轴)的信号光；而d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备，h、i、j、k光路段是与其他波导耦合的 保偏光纤，均不具备偏振功能，沿X轴或Y轴的偏振光均能传输。

附图说明

图1为现有的集成光学调制器结构示意图；

图2为现有的光纤陀螺光路结构示意图；

图3b、3a分别为本发明方案集成光学调制器及采用本发明方案集成光学调制器的 光纤陀螺光路结构示意图；

图4为采用本发明方案集成光学调制器的光纤陀螺光路内1阶光信号偏振演化过 程示意图；

图5为采用本发明方案集成光学调制器的光纤陀螺光路内2阶光信号偏振演化过 程示意图；

图6为采用本发明方案集成光学调制器的光纤陀螺光路内2n+1(n≥1)阶光信号偏 振演化过程示意图；

图7为采用本发明方案集成光学调制器的光纤陀螺光路内2n(n≥1)阶光信号偏振 演化过程示意图。

具体实施方式

如图1所示。现有的集成光学调制器中，①、②、③为采用质子交换工艺制作的 LiNbO₃晶体，采用质子交换的波导具备偏振功能，质子取代Li⁺进入LiNbO₃晶体后使得Z轴的 折射率增大，而X或Y轴的折射率减小，使沿X或Y轴的的偏振光不能形成导模，从而实现偏振 的功能，只能传输一个偏振模式的信号光；④、⑤、⑥为输入输出接口的尾纤；⑦为制作 LiNbO₃晶体的衬底。

如图2所示，当现有的集成光学调制器接入光纤陀螺光路时，光纤陀螺光路共包括 干涉仪光路及光纤耦合器3、光源4、光电探测器5，各部分之间通过光纤连接共同构成了光 纤陀螺光路，其中干涉仪光路由Y波导集成光学调制器2、以及与Y波导集成光学调制器2相 连的保偏光纤线圈1组成。

在该情况下，决定光纤陀螺标度因数K_s的光纤线圈的平均直径D由光纤线圈的尺 寸决定，而另一个决定因素——干涉仪的总光程L——则由光纤线圈的光纤长度l和光纤的 折射率n决定，L＝nl。

如图3b所示，本发明的集成光学调制器2包含衬底m、在衬底上加工LiNbO₃晶体波 导、以及与LiNbO₃晶体波导耦合的保偏光纤光路段。其中a、b、c波导采用质子交换技术制 备；d、e、f、g波导采用Ti扩散技术制备；光路段h与f、g波导耦合，为保偏光纤；光路段i、j、k 是分别与a、d、e波导耦合的保偏光纤。晶体波导d、e的长度L2为2mm～5mm；晶体波导a的长度 L3为1.5mm～4.5mm；晶体波导d的一端与晶体波导b、f的一端相交于B点；晶体波导e的一端 与晶体波导c、g的一端相交于C点；晶体波导a的一端与晶体波导b、c的另一端相交于A点；晶 体波导f、g的另一端分别与光路段h的两端耦合；晶体波导a、d、e的另一端分别耦合光路段 i、j、k的一端，光路段h、i、j、k为保偏光纤。其中，A点距晶体波导d、e与耦合光路段j、k的一 端距离L1为10mm～20mm；晶体波导d、e平行，二者之间距离d0为300μm～1000μm；晶体波导f、 g分别与晶体波导a平行，f、g距a的距离d1、d2为150μm～500μm；晶体波导端面直径为3μm～7 μm。

当该集成光学调制器接入光纤陀螺仪光路时，按照如下规则进行光路连接：

1、制作光纤陀螺内Sagnac干涉仪光路

Sagnac干涉仪光路由集成光学调制器2、保偏光纤线圈1相连构成。具体有：保偏光 纤线圈1、集成光学调制器2、光纤熔接点S₁、S₂。

集成光学调制器2的j段接口尾纤与保偏光纤线圈1的②端接口尾纤相连，连接处 为第一光纤熔接点S₁；Y波导集成光学调制器的k段接口尾纤与保偏光纤线圈1的②端接口 尾纤相连，连接处为第二光纤熔接点S₂。在端口连接时，其中第一光纤熔接点S₁和第二光纤 熔接点S₂其中一个为90°对轴熔接，另一个为0°对轴熔接。

各光纤熔接点的损耗应小于0.5dB，消光比应大于35dB。

采用上述方法，连成了Sagnac干涉仪光路。

2、制作光纤陀螺内其余光路

将集成光学调制器2的i段接口尾纤与光纤耦合器3的③端接口光纤连接，连接处 为第三光纤熔接点S₃；光纤耦合器5输出端另一端口做高回波损耗处理(即B₃)；光纤耦合器3 的①端接口光纤与光源4的接口光纤连接，连接处为第四光纤熔接点S₄；光纤耦合器3的② 端接口光纤与探测器5的接口光纤连接，连接处为第五光纤熔接点S₅。光纤耦合器3的④端 接口光纤处理成回波损耗大于50dB的状态，即防止光信号反射回干涉仪光路。

各熔接点的损耗应小于0.5dB，光纤耦合器3的④端接口光纤端面回波损耗应大于 50dB。当相互连接的端口均为保偏光纤时，还应有光纤熔接点均为0°对轴熔接，熔接消光比 大于30dB。

3、Sagnac干涉仪内光信号偏振状态的演化

设保偏光纤的快轴为X方向，慢轴为Y方向，通常光纤陀螺光路光信号沿保偏光纤 的慢轴，即Y方向传播；从集成光学调制器2的i段接口尾纤输入，由集成光学调制器2的j段 接口尾纤、k段接口尾纤输出光信号的偏振方向均为Y方向。在此基础上，可以得出：由于a、 b、c波导采用质子交换技术制备，具备偏振功能，只能传输沿Y轴偏振光信号；而d、e、f、g波 导采用Ti扩散技术制备，h、i、j、k光路段是与其他波导耦合的保偏光纤，均不具备偏振功 能，沿X轴或Y轴的偏振光均能传输。

为了便于描述，设第一光纤熔接点S₁为90°对轴熔接，其余的光纤熔接点均为0°对 轴熔接。

(1)1阶光信号过滤

如图3、图4所示，对于顺时针传输的光信号，从集成光学调制器2的j段光路输出时 偏振方向为Y向，经过90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；经历保偏光 纤线圈1一次后，依次通过第二光纤熔接点S₂，集成光学调制器2的k光路段e波导，偏振方向 仍然保持为X向。由于集成光学调制器2的c波导只允许Y向偏振光通过，故X偏振方向的光信 号无法通过，顺时针传输的1阶光信号在回到集成光学调制器2的c波导时截止，无法通过Y 波导集成光学调制器2。

对于逆时针传输的光信号，从集成光学调制器2的k光路段输出时偏振方向为Y向， 依次经过0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1一次后偏振方向仍然为Y向；通 过90°对轴熔接第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；依次通过集成光学调制器2的j光 路段、d波导，偏振方向仍然保持为X向。由于集成光学调制器2的b波导只允许Y向偏振光通 过，故X偏振方向的光信号无法通过，顺时针传输的1阶光信号在回到集成光学调制器(2)的 b波导时截止，同样无法通过Y波导集成光学调制器2。

由上述光信号的偏振演变过程可知，1阶光路的信号无法到达光电探测器5，在光 路传输中被滤掉，无法形成干涉信号。

(2)2阶光信号接收

如图3、图5所示，对于顺时针传输的光信号，从集成光学调制器2的j光路段输出时 偏振方向为Y向，经过90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；经历保偏光 纤线圈1一次后，依次通过第二光纤熔接点S₂，集成光学调制器2的k光路段、e波导，偏振方 向仍然保持为X向。依次通过集成光学调制器2的g波导、h光路段、f波导、d波导、j光路段、 以及90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁、保偏光纤线圈1、0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、 集成光学调制器2的k光路段、e波导后，偏振方向变为Y向；由于集成光学调制器2的c波导、a 波导、i光路段均可允许Y向偏振光通过，故顺时针传输的2阶光信号可以通过Y波导集成光 学调制器2，从光路段i输出。

对于逆时针传输的光信号，从集成光学调制器2的k光路段输出时偏振方向为Y向， 依次经过0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1一次后偏振方向仍然为Y向；通 过90°对轴熔接第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；依次通过集成光学调制器2的j光 路段、d波导，偏振方向仍然保持为X向。依次通过集成光学调制器2的f波导、h光路段、g波 导、e波导、k光路段、以及0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1、90°对轴熔接的 第一光纤熔接点S₁、集成光学调制器2的j光路段、d波导后，偏振方向变为Y向；由于集成光 学调制器2的b波导、a波导、i光路段均可允许Y向偏振光通过，故逆时针传输的2阶光信号同 样可以通过Y波导集成光学调制器2，从光路段i输出。

由上述偏振演变过程可知，2阶光程的信号可以通过Y波导集成光学调制器2，形成 干涉信号，被光电探测器5接收。

(3)2n+1阶光信号过滤

如图3a、图6所示，对于顺时针传输的光信号，从集成光学调制器2的j段光路输出 时偏振方向为Y向，经过90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；经历保偏 光纤线圈1一次后，依次通过第二光纤熔接点S₂，集成光学调制器2的k光路段、e波导，偏振 方向仍然保持为X向。重复依次通过集成光学调制器2的g波导、h光路段、f波导、d波导、j光 路段、以及90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁、保偏光纤线圈1、0°对轴熔接的第二光纤熔接 点S₂、集成光学调制器2的k光路段、e波导2n次以后，经历90°对轴第一光纤熔接点S₁的次数 为2n，故偏振方向仍为X向；由于集成光学调制器2的c波导只允许Y向偏振光通过，故X偏振 方向的光信号无法通过，顺时针传输的2n+1阶光信号在回到集成光学调制器2的c波导时截 止，无法通过Y波导集成光学调制器2。

对于逆时针传输的光信号，从集成光学调制器2的k光路段输出时偏振方向为Y向， 依次经过0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1一次后偏振方向仍然为Y向；通 过90°对轴熔接第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；依次通过集成光学调制器2的j光 路段、d波导，偏振方向仍然保持为X向。重复依次通过集成光学调制器2的f波导、h光路段、g 波导、e波导、k光路段、以及0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1、90°对轴熔接 的第一光纤熔接点S₁、集成光学调制器2的j光路段、d波导2n次以后，经历90°对轴第一光纤 熔接点S₁的次数为2n，故偏振方向仍为X向；由于集成光学调制器2的b波导只允许Y向偏振 光通过，故X偏振方向的光信号无法通过，逆时针传输的1阶光信号在回到集成光学调制器2 的b波导时截止，同样无法通过Y波导集成光学调制器2。

(4)2n阶光信号接收

如图3a、图7所示，对于顺时针传输的光信号，从集成光学调制器2的j光路段输出 时偏振方向为Y向，经过90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；经历保偏 光纤线圈1一次后，依次通过第二光纤熔接点S₂，集成光学调制器2的k光路段、e波导，偏振 方向仍然保持为X向。重复依次通过集成光学调制器2的g波导、h光路段、f波导、d波导、j光 路段、以及90°对轴熔接的第一光纤熔接点S₁、保偏光纤线圈1、0°对轴熔接的第二光纤熔接 点S₂、集成光学调制器2的k光路段、e波导2n-1次以后，经历90°对轴第一光纤熔接点S₁的次 数为2n-1，故偏振方向变为Y向；由于集成光学调制器2的c波导、a波导、i光路段均可允许Y 向偏振光通过，故顺时针传输的2n阶光信号可以通过Y波导集成光学调制器2，从光路段i输 出。

对于逆时针传输的光信号，从集成光学调制器2的k段光路输出时偏振方向为Y向， 依次经过0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1一次后偏振方向仍然为Y向；通 过90°对轴熔接第一光纤熔接点S₁后，偏振方向变为X向；依次通过集成光学调制器2的j光 路段、d波导，偏振方向仍然保持为X向。重复依次通过集成光学调制器2的f波导、h光路段、g 波导、e波导、k光路段、以及0°对轴熔接的第二光纤熔接点S₂、保偏光纤线圈1、90°对轴熔接 的第一光纤熔接点S₁、集成光学调制器2的j光路段、d波导2n-1次以后，经历90°对轴第一光 纤熔接点S₁的次数为2n-1，故偏振方向变为Y向；由于集成光学调制器2的b波导、a波导、i光 路段均可允许Y向偏振光通过，故逆时针传输的2n阶光信号同样可以通过Y波导集成光学调 制器2，从光路段i输出。

由上述偏振演变过程可知，2n阶光程的信号可以通过Y波导集成光学调制器2，形 成干涉信号，被光电探测器5接收。

由上述过程可知：奇数次经历保偏光纤线圈1的顺、逆时针光信号均不能通过，因 此不能形成干涉，也不能到达光电探测器5。偶数次经历保偏光纤线圈1的顺、逆时针光信号 可以通过Y波导集成光学调制器2，能形成干涉，并到达光电探测器5，被光电探测器7接收。

4、高阶光信号对低阶光信号的影响

从上述推导过程可知：本发明的光路中，偶阶光信号可以发生干涉，被光电探测器 5接收。故光路中同时存在2、4、6等偶数倍光程的光信号，需讨论各阶信号之间的相互影响。

设光纤熔接点的插入损耗为典型值0.5dB，光纤环的插入损耗为典型值0.3dB，Y波 导集成光学调制器一次输入输出的插入损耗为典型值3dB，光纤耦合器、Y波导集成光学调 制器每个分叉处的分光比为典型值1：1(即每次分光，单通道光信号与输入光信号相比损耗 3dB)，则m阶光路的损耗为

由式(2)可得2阶干涉仪光路损耗为23.6dB、4阶干涉仪光路损耗为44.2dB、6阶干 涉仪光路损耗为64.8dB。

故4阶光信号与2阶光信号相比衰减了20.6dB，仅为2阶光信号的1/114.8，不会影 响2阶信号检测和解调；6阶光信号与2阶光信号相比衰减了41.2dB，仅为2阶光信号的1/ 13182.6，不会影响2阶信号检测和解调。以此类推8阶、10阶、12阶等光信号更不会影响2阶 光信号检测和解调。

由上述过程可知：干涉仪中的2阶干涉光信号可以被光电探测器5接收并解调出 来，通过本发明，实现了在不增加光纤长度、不增大光纤陀螺尺寸的情况下，将光纤陀螺的 干涉仪光程提高了2倍，从而将光纤陀螺精度提高近2倍。

需要说明的是，本发明方法的适用范围是广泛的，集成光学调制器适用于闭环方 案的光纤陀螺仪，或开环方案的光纤陀螺仪；传输光的波长可以是850nm、1310nm或1550nm； 所用保偏光纤可以是是PANDA型、BOWTIE型、TIGER型、椭圆包层型或一字型；光纤直径可以 是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm、Φ40μm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。