CN1264000C

CN1264000C - 自注入锁定光纤激光陀螺

Info

Publication number: CN1264000C
Application number: CN 02112846
Authority: CN
Inventors: 许立新; 明海; 谢建平; 王安廷; 黄文财; 吴云霞
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: CN1448697A

Abstract

本发明涉及光学陀螺，尤其涉及光纤激光陀螺。它由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其特征在于光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成。两个带增益光纤的光纤环形成了两个各自独立的谐振腔，DFB分别向其中注入种子激光、将其工作波长锁定，隔离器则使激光工作在单向行波状态，且一个环中的激光传输方向为顺时针方向、另一个环中的激光传输方向为逆时针方向。本发明消除了均匀展宽增益介质中的空间烧孔现象以及因后向散射而造成的闭锁效应，并使两个环形腔中的激光工作在线宽很窄的稳定单纵模状态。可采用差频信号进行检测。

Description

自注入锁定光纤激光陀螺

技术领域：

本发明涉及光学陀螺，尤其涉及光纤激光陀螺。

背景技术：

陀螺作为一种重要的传感器，在卫星、飞机、舰船、汽车的定位、定向、导航等军用和民用方面有着重要的应用。基于萨格纳克(Sagnac)效应的新一代光学陀螺(如：激光陀螺、干涉型光纤陀螺等)已引起人们的研究兴趣。激光陀螺作为第一代产品，在中低精度领域中的应用已进入实用化。它采用差频信号检测方式，电子学处理较为方便，信号处理精度较高；但分立的光学元件以及寿命短、体积大、重量大等缺陷影响了激光陀螺在高精度领域的应用。作为第二代产品的干涉型光纤陀螺，它的全固化结构引起人们的极大兴趣。同时它还具有功耗小、寿命长、体积小、重量轻等优点，在中低精度要求的应用领域中也有较好的发展；但干涉型光纤陀螺采用相位检测，电子学处理较为复杂，同时，噪声、稳定性、动态范围及比例因子线性化等问题限制了光纤陀螺性能的进一步提高，同样也影响了干涉型光纤陀螺在高精度领域的应用。随着光纤激光器的发展，人们便希望能将光纤陀螺全固化的优点和激光陀螺差频信号处理的优势结合起来，研制高性能的光纤激光陀螺，以满足更高精度应用领域(如惯性导航)的要求。

高性能光纤激光陀螺有两个关键要求：①增益介质应能提供方向性增益，以避免相向传输的激光产生增益竞争；②后向散射必须可以忽略，以消除闭锁效应。目前已提出的光纤激光陀螺，如中国专利申请CN1320821A“环形光纤激光陀螺”，其核心是窄线宽的单频光纤激光器，它利用马赫—曾得干涉仪多级滤波来实现光纤激光器单频工作，将两路信号激光从空间上分开、以避免因共用增益而出现顺时针和逆时针两路信号激光的竞争。但是，单级马赫—曾得干涉仪的滤波带宽相对较宽，需要使用多级马赫—曾得干涉仪及腔长控制器，使得环形腔结构较复杂，精度及灵敏度受到影响。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种新的光学陀螺，即自注入锁定光纤激光陀螺，它既能解决增益竞争和闭锁效应问题，又能使结构简单、体积小巧、陀螺精度及灵敏度提高。

本发明通过以下方式来实现：

自注入锁定光纤激光陀螺由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其中光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成，具体结构为：将两个带尾纤的半导体激光器LD₁和LD₂分别通过波分复用器WDM₁和WDM₂与DFB的两端连接；然后WDM₁和WDM₂分别与隔离器I₁和I₂、增益光纤GF₁和GF₂相连，I₁和I₂、GF₁和GF₂再分别与光纤耦合器C₁和C₂各自相连，组成带增益的、方向相反的两个光纤环；光纤耦合器C₁和C₂的一个输出端再分别与光纤耦合器C₃的两个输入端相连接，C₃的两个输出端分别与探测器PD₁和PD₂相连，PD₁或PD₂再与差频信号处理电路连接。

也就是说，本发明是通过具有自注入锁定作用的光纤激光器的拓扑结构来构成光纤激光陀螺的，即作为光纤激光陀螺核心部件的光纤激光器是双向自注入锁定的单频光纤激光器(其具体结构如图所示)。它是利用两个带尾纤的半导体激光器LD₁和LD₂作为泵浦源、为单频分布反馈光纤激光器DFB提供泵浦功率，然后从相反方向各自注入到一个光纤环中，再将反向运行并锁定的信号激光从光纤环中取出进行探测与处理。两个光纤环的泵浦功率也由LD₁和LD₂分别提供。LD₁和LD₂分别通过波分复用器WDM₁和WDM₂与DFB的两端连接，LD₁和LD₂的波长视DFB所采用的增益光纤(或称有源光纤)中工作物质的吸收峰而定，通常的泵浦波长有650nm、780nm、800nm、915nm、980nm及1480nm等，输出功率一般选择大于100mW为宜；DFB是直接制作在增益光纤上的，增益光纤应选用高掺杂的稀土掺杂光纤或其他掺杂光纤(如：掺杂量为800ppm以上的掺铒或掺镱光纤)，其长度一般为3～10cm左右，能向两个光纤环提供相向稳定的单纵模种子激光(DFB输出波长的谱线半宽度应小于光纤环的纵模间距)；WDM₁和WDM₂具有相同的特性参数，针对泵浦源波长和信号激光的工作波长而选择。波分复用器WDM₁、隔离器I₁、光纤耦合器C₁以及增益光纤GF₁之间通过单模光纤相连、形成一个光纤环1，波分复用器WDM₂、隔离器I₂、光纤耦合器C₂以及增益光纤GF₂之间亦通过单模光纤相连、形成另一个光纤环2，两个光纤环各自组成带增益的环形腔，它们的方向相反、也就是隔离器的方向使得在两个光纤环中产生的信号激光的运行方向相反。其中，两个隔离器I₁和I₂也是具有相同的特性参数，其回波损耗针对信号激光波长超过60dB；两个光纤环内所采用的增益光纤与DFB中的材质相同，其长度一般根据光纤特性和具体应用环境而定，可从几个厘米到几米中作出选择，只要能使光纤环中产生信号激光即可；光纤环(即环形腔)的长度通过单模光纤进行调整，一般从几米到几十米便能满足较高的应用精度要求(两环形腔的腔长应略有差别，使得两腔中的激光工作频率存在一频率差)。两个光纤环中的光纤耦合器C₁和C₂的一个输出端再分别与另一个光纤耦合器C₃的两个输入端相连接，C₃的两个输出端则分别与探测器PD₁和PD₂相连，PD₁或PD₂再与差频信号处理电路连接。C₁和C₂的耦合比选择均为98∶2，C₃的耦合比选择为1∶1即3dB；探测器可选择通常的PIN光电探测器或雪崩光电探测器。

本分明的工作过程如下：

在两个半导体激光器的泵浦下，两个带增益光纤的光纤环形成了两个各自独立的谐振腔。通过DFB分别向两个光纤环中注入种子激光，将两个谐振腔中的工作波长锁定。锁定的信号激光的波长分别由两个环形腔的谐振条件和DFB的波长决定；在两个光纤环形腔中分别加入的隔离器使信号激光工作在单向行波状态，在一个环中激光传输方向为顺时针方向，在另一个环中激光的传输方向为逆时针方向；信号激光单向行波工作消除了光纤环内均匀展宽增益介质(即增益光纤)中引起的空间烧孔现象，加上DFB的注入锁定，使两个环形腔中的激光工作在线宽很窄的稳定单纵模状态；而且由于隔离器的回波损耗可做到大于60dB，可很好地消除因后向散射而造成的闭锁效应。两个环形腔输出的单纵模信号激光由于DFB的注入锁定而保持位相恒定，成为两相干光，因而可采用差频信号进行检测；两信号激光的工作频率由于光纤环腔长略有差别而存在一频率差，这个初始频率差既可以用来消除因信号激光本身具有一定的线宽而带来的测量盲区以提高测量精度，也可用来判断转动角速度的方向。

假设静止时一个环中信号激光的工作频率为v₁，另一个环中信号激光的工作频率为v₂，则当环沿顺时针以Ω的角速度旋转时，根据Sagnac效应，两信号激光的频率将变为：

v₁′＝v₁+(2A₁/λ₀L₁)Ω 〔1〕

v₂′＝v₂-(2A₂/λ₀L₂)Ω 〔2〕

式中，A₁和L₁分别为环1的面积和长度，A₂和L₂分别为环2的面积和长度，λ₀为激光在真空中的波长(由于两激光初始的频率差很小，认为它们静止时的工作波长相同)。

则转动后，两信号激光的频率差为：

Δv＝v₂′-v₁′

＝(v₂-v₁)-(2A₂/λ₀L₂+2A₁/λ₀L₁)Ω 〔3〕

当光纤环以Ω的角速度沿逆时针旋转时，则两信号激光的频率变为：

v₁″＝v₁-(2A₁/λ₀L₁)Ω 〔4〕

v₂″＝v₂+(2A₂/λ₀L₂)Ω 〔5〕

则两信号激光的频率差为：

Δv＝v₂″-v₁″

＝(v₂-v₁)+(2A₂/λ₀L₂+2A₁/λ₀L₁)Ω 〔6〕

则由〔3〕和〔6〕两式可知，通过差频检测两激光的频差，即可测量转动角速度；而且，转动方向不同时频差也不相同，因此还可根据频差判断转动方向。

本发明的优点为：

1、DFB产生的种子激光注入分别产生顺时针和逆时针两个方向的单频激光。不仅将两相向传输的信号激光在空间上分离开来，使之没有共用增益，可以产生稳定的双向信号激光输出；而且，利用注入锁定将两信号激光的位相保持恒定，互为相干光，使之可采用差频检测。

2、采用隔离器抑制后向散射(超过60dB)，可消除闭锁效应，同时也消除了增益介质的空间烧孔效应，压窄了信号激光的工作线宽，从而提高了陀螺的灵敏度及测量精度。

3、通过调节两个光纤环的长度差，直接实现光纤激光陀螺的移频而无需其它的附加元器件，不仅使两激光具有初始的频差，既有利于转动角速度测量精度的提高，还可根据频差判断转动方向；而且还大大简化了陀螺的结构。

4、由于DFB的注入锁定，使得信号激光的频率变化斜率大，灵敏度高，仅需要几米就能达到导航要求(例如光纤环腔长5m即可达到10^-3的测量精度)，因而检测精度高、动态范围大。

5、整个陀螺为全光纤固化结构，所用元器件均为常用部件、无特殊要求，因而结构简单、制作容易，而且功耗小、寿命长、体积小、重量轻。

6、由于腔长较短，还使温度分布不均匀引起的漂移可以忽略不计、机械震动产生的影响很小，因而具有很高的稳定性。

本发明可适用于卫星、飞机、舰船、汽车等的定向、定位、导航。由于它具有很高的精度、灵敏度和稳定性，因此适合于卫星惯性导航和飞行姿态调整；也可作为航天飞行器高精度自主定轨、自动导航的重要惯性导航设备或装置。

附图说明：

附图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例进行描述。从图中可看出，半导体激光器LD为通常用于掺铒光纤放大器的泵浦激光器，型号为QLM9S470-915，工作波长为980nm，输出功率为150mW；DFB为掺铒的单频光纤激光器，其双向输出功率0.25mW，波长1.546μm，线宽2MHz；两光纤环腔长约为4m，纵模间距约为50MHz，光纤环绕成4环，环半径约为15.9cm，其中增益光纤GF采用掺铒光纤、增益为15dB/m；隔离器采用CASIX产品(A级)，回波损耗65dB，峰值隔离度42dB；耦合器C₁和C₂的耦合比为98∶2，其中2％是从腔内引出作为探测信号，C₃的耦合比为1∶1(即3dB)使两激光差频干涉；波分复用器WDM均为980/1550nm，隔离度大于30dB；两个光纤环重叠在一起。探测器采用PIN光电探测器，峰值波长为1550nm，整个陀螺为全光纤化，固化在铟钢板上。

Claims

1、一种自注入锁定光纤激光陀螺，由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其特征在于光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成，具体结构为：将两个带尾纤的半导体激光器LD₁和LD₂分别通过波分复用器WDM₁和WDM₂与DFB的两端连接；然后波分复用器WDM₁、隔离器I₁、光纤耦合器C₁以及增益光纤GF₁之间通过单模光纤依次相连，波分复用器WDM₂、隔离器I₂、光纤耦合器C₂以及增益光纤GF₂之间亦通过单模光纤依次相连，组成带增益的、方向相反的两个光纤环；光纤耦合器C₁和C₂的输出端再分别与光纤耦合器C₃的两个输入端相连接，C₃的两个输出端分别与探测器PD₁和PD₂相连，PD₁或PD₂再与差频信号处理电路连接。