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一种光纤陀螺用光器件匹配方案.pdf

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一种 光纤 陀螺 用光 器件 匹配 方案
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摘要
申请专利号:

CN201510621753.9

申请日:

2015.09.25

公开号:

CN106556387A

公开日:

2017.04.05

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01C 19/72申请日:20150925|||公开
IPC分类号: G01C19/72 主分类号: G01C19/72
申请人: 北京浦丹光电股份有限公司
发明人: 薛挺; 耿凡; 向美华; 毛健; 姜恩颖
地址: 100176 北京市大兴区北京经济技术开发区经海四路18号1幢、2幢
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 北京挺立专利事务所(普通合伙) 11265 代理人: 倪钜芳
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510621753.9

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.05.03|||2017.04.05

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

一种光纤陀螺用光器件匹配方案,该匹配技术采用干涉式光纤陀螺光路的设计理论,实现了光纤类型的匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱匹配,从理论、工程、工艺、产品质量等各个层次上,很好的解决了由于光学器件的不匹配而导致的,困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品?#23454;?#19979;、性能指标低下、工艺不稳定、生产效?#23454;?#31561;疑难问题。

权利要求书

1.一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其特征在于,包括以下四
部分内容:光纤类型匹配方案、光功率匹配、光波偏振态匹配、光谱
匹配;
所述光纤类型匹配方案:
主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同,以降低光路的
传输噪声,如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等;
以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度,并且提高?#20302;?#21487;靠性;包括:
宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤?#36136;?#22120;PMFS
和探测器组件PIN-FET的器件的尾纤光纤类型匹配。
所述光谱匹配方案:
由于光纤陀螺模拟传输要求,?#20302;?#24517;须采用宽带光源,从而要求
光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源
的3dB带宽;通常SLD的3dB带宽约30nm~40nm,ASE光
源的3dB带宽约10nm~20nm;因此要求光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦合
器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽,但不局限于
所述最优选择的2倍光源的3dB带宽;?#28304;?#26469;满足往返光路的光谱
匹配,以及对往返光路过程中不畸变的要求;
所述功率匹配方案:
在光源正常工作条件下,在波长及温度相关性较小的工作电流范
围内合理选择SLD光源或者ASE光源,以及在功率、温度相关性
最小的控制?#38382;?#19979;,获得输入光功率;
根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响
应度测试方案,在所述MIOC不施加调制信号情况下,合理选择入
射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之
间,优选1/3为最佳工作光功率,但是不局限于1/4到1/2之间为
全部工作光功率。例如,
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为单模光
纤的设计方案,光路总体插入损?#33041;?0dB;
对于输入单偏振SLD光源,采用保偏光纤?#36136;?#22120;或者保偏光纤
耦合器,光纤环为保偏光纤方案,光路总体插入损?#33041;?4dB;
对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为保偏光
纤,以及输入单偏振SLD光源,光纤环为单模光纤的设计方案,光
路总体插入损?#33041;?7dB;
由此选择光源输出光功率,并且可以确定入射到PINFET光纤
中的光功率,可以获得PINFET的线性响应斜率,从而可以确定
PINFET的具体型号,据此设计光纤陀螺?#20302;?#30340;最佳工作状态;
所述光波偏振态匹配方案:
由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是
退火质子交换(APE)工艺,其仅能够满足e光的波导传播条件,当
前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可?#28304;?#20110;70dB,完全可
以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。
由此,可以单独控制MIOC输入端,或者输出端的偏振匹配状
态,实现光纤陀螺的性能指标设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其
特征在于,所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其
特征在于,所述相互匹配的光纤为?#21644;?#19968;供应商、同一批次的保偏或
者单模光纤;或者同一供应商、不同批次的保偏或者单模光纤;或者
不同供应商,光波模场直径相同、外径相同,涂覆层直径相同的保偏
或者单模光纤;或者不同供应商,光波模场相同、外径相同、涂覆
层直径不同的保偏或者单模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其
特征在于,所述采用的光纤?#36136;?#22120;为申报人专利的光纤?#36136;?#22120;方案,
包括全部保偏、部分保偏,全部单模的?#36136;?#22120;方案。
5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其
特征在于,所述采用的光功率匹配方案,为申报人专利的PIN-FET
测试方法规定的线性响应度测试方案。
6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用光器件匹配方案,其
特征在于,所述采用的光波偏振态匹配方案,为采用单偏振或者双偏
振输出的SLD光源,输出光纤是保偏光纤,通过与申报人专利的保
偏光纤?#36136;?#22120;熔接,满足光波偏振态匹配方案;或者ASE光?#20174;?#20809;
纤?#36136;?#22120;熔接,以满足光波偏振态匹配的方案。

说明书

一种光纤陀螺用光器件匹配方案

技术领域

本发明专利涉及一种干涉式光纤传感技术领域,提出了一种光纤
陀螺用光器件匹配方案,该匹配技术利用干涉式光纤陀螺光路的设计
理论,实现了光纤的类型匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱
匹配,从理论、工程、工艺、产品质量等各个层面上,很好的解决了
由于光学器件的不匹配而导致的,困扰光纤陀螺行业多年来固有的成
品?#23454;?#19979;、性能指标低下、工艺不稳定、生产效?#23454;?#31561;疑难问题。

背景技术

光纤陀螺无可移动部件,属于全固态陀螺,具有启动快、检测灵
敏度高、分辨率高、动态范围宽,环境温度适应性强、机械冲击与振
动可靠性高等特点,是目前惯性角速度传?#26800;?#20803;的发展方向。

此外,光纤陀螺以其无与伦比的优势取代机械旋转质量陀螺的繁
冗操作和诸多的日常维护,也克服了环形激光陀螺的闭锁现象,更省
去了为保持小转速的灵敏度所采取的防机械抖动措施,由此逐渐替代
机械、液浮、?#35745;?#31561;传统的陀螺,从而市场需求量大幅增加。

中国的光纤陀螺技术在2000年之后,受益于光纤通信用的光学
元器件的发展,从而得到快速发展,特别是吸引了大量传统陀螺研发
与生产机构转向光纤陀螺领域开发与生产。

但是,由于大部分光学器件及其技术是针对高速数字光纤通信
?#20302;?#35774;计与?#35889;鰨?#32780;光纤陀螺属于模拟光纤传输?#20302;常?#20854;设计理论、
产品质量控制、产品性能、工艺组装方面与数字光纤通信存在巨大差
异。

此外,由于干涉式光纤陀螺光?#26041;?#26500;中,必须采用宽带光源,而
且光?#26041;?#26500;中不能采用光隔离器(光环形器)以降低回波噪声,回到
光源的光功率与入射到探测器上的光功率相同,由此引起光波长、光
功率、以及光波偏振态的不稳定,从而导致?#20302;?#30340;性能大幅恶化,波
动,各种现象不可解释,不可复现,困扰光纤陀螺行业多年不能得以
解决。

由此中国的光纤陀螺技术在工程化、产业化方面还存在许多问
题,主要现象包括:

1.实际性能指标与理论值相差甚远;

2.不能够确定光路组装工艺关键控制点,从而导致生产效?#23454;?br />下;

3.批量生产的一次通过成品?#23454;?#19979;,?#34892;?#29978;至不足30%;

4.不能正?#26041;饈陀?#30830;定光纤陀螺不合格的根本原因,从而不能
提高产品的性能与质量。

为了提高陀螺的性能.人们提出了各种解决办法。包括对光纤陀
螺组成元器件的改进,以及用信号处理的方法的改进等,但是目前的
改进措施往往是拆东墙补西墙的方式,不能达到整体的效果稳定与平
衡,例如:

1.传统的光纤陀螺专利


上述这些传统的光纤陀螺光?#26041;?#26500;及其组成方案,不能很好解决
由于光学器件的不匹配而导致的光纤类型失配、光功率失配、光波偏
振态失配、光谱失配等各种问题,其仅能够解决部分问题,或者由于
解决某个部分问题,而导致其他问题;

例如,虽然满足光波偏振态匹配、但是引入了光谱、光纤类型等
失配,反而降低了光纤陀螺的其他性能指标,如标度因数非线性、零
位重复性等关键性能指标;另外如引入光纤环形器,提高输入探测器
的光功率,虽然可以提高信噪比,但是同样会引入光谱失配,以及引
起宽工作温度范围下的光波偏振态失配,都不能从理论、工程、工艺、
产品质量方面综合解决困扰光纤陀螺行业多年来固有的成品率、性能
指标、工艺稳定性等问题;

性能对?#28909;?#22270;2、图3所示。

2.传统的熔融拉锥方法?#35889;?#20809;纤耦合器的专利


上述有关光纤耦合器的这些专利方案技术,适用于拉?#30772;?#36890;单模
光纤,具有成品率高,成本低等优点;但是对于保偏光纤,关键需要
解决保偏光纤应力轴对准的问题,这些方案本身固有应力轴无法对准
的弱点,解决方法是采用匹配型保偏光纤,即低双折射差很小的保偏
光纤,导致这种方案?#35889;?#30340;保偏光纤耦合器的性能较差,如拉制耦合
器时,保偏光纤被拉细,应力区域发生变化,导致偏振消光比不高,
偏振相关损耗非常大,温度性能不稳定,工作波长范围窄等弱点;此
外,目前的保偏光纤熔接机识别这种低双折射的保偏光纤具有很大困
难,正确识别率异常低下,从而导致实际应用的组装效?#23454;?#19979;,基本
不被采用。

此外,传统熔融拉锥方法?#35889;?#30340;光纤耦合器的机械振动、机械冲
击、温度循环、温度冲击等可靠性指标非常低下,不利于在恶劣的工
作环?#25345;?#20351;用。

3.传统的集成光学多功能相位调制器方案


上述这些专利技术方案也不能够从根本上解决全温工作范围内,
光纤陀螺对光谱、功率要求的稳定性;例如调制器集成了光功率?#36136;?br />功能,以期望达到改?#21697;质?#31283;定性效果,但却不可避免的在调制器内
部引入了干涉噪声,这?#38464;?#23548;致了功率的不稳定,从而影响了光纤陀
螺的整体性能。

为了解决光纤陀螺技术在工程化、产业化方面上述问题,本专利
提出了光纤的类型匹配、光功率匹配、光波偏振态匹配和光谱匹配
方案,从根本上可以解决这些问题。理论与实践证明,这种技术方案
简单、可行、?#34892;В?#19981;需要增加额外的成本,可?#28304;?#24133;度推动光纤陀
螺产业的发展。

发明内容

本发明的目的是,提供一种光纤陀螺用光器件匹配方案,解决了
传统现有技术中,由于光学器件的不匹配而导致的光纤类型失配、光
功率失配、光波偏振态失配、光谱失配等各种问题,从理论、工程、
工艺、产品质量等各个层次上综合解决了困扰光纤陀螺行业多年来固
有的成品?#23454;?#19979;、性能指标差、组装工艺稳定性差等疑难问题。

为解决上述技术问题,本发明提供一种光纤陀螺用光器件匹配方
案,该发明专利参用如下理论设计原理:

光?#30001;?#31890;噪声引起光纤陀螺最小偏置稳定性


No.
符号
描述
1
e
电子电荷
2
Be
噪声测量带宽
3
ηD
ηD=ID/(hc/λ),每秒?#19981;?#25506;测器光敏面的光子数
4
λ
宽带光源的平均波长
5
I0
探测器接收到的光功率
6
L
光纤长度
7
R
光纤环半径
8
λ
光波波长
9
ID
注入探测器光功率
10
ηD
探测器林?#26377;?#29575;
11
Be
测量带宽Be=1Hz,0.1Hz,,0.01Hz
12
h
普朗克常量h=6.626068×10-34m2Kg/s

通过上述的理论公式与?#38382;?#34920;格,可以看出散粒噪声引起的陀螺
最高精度(最小偏置稳定性)

1.与波长λ1/2成正比,2.与入射探测器光功率I01/2成正比。

因此,要保证光纤陀螺得到理论设计的精度,就必须稳定的控制
光学结构的光波长和光功率。由于光器件相关的光波偏振态以及光纤
的类型会引起?#20302;?#30340;光波长、光功率失配,从而要保证精度的情况下,
就需要实现:

1、光纤类型匹配;2、光谱匹配;

3、光功率匹配;4、光波偏振态匹配;

通过以上的四种匹配技术,以满足光纤陀螺的?#20302;?#24615;能要求。

㈠光纤类型匹配方案:

主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同,以降低光路的
传输干扰,如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等;
以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度,并且提高?#20302;?#21487;靠性;包括:
宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤?#36136;?#22120;PMFS
和探测器组件PIN-FET的器件尾纤光纤类型匹配。

作为一种举例说明,所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中
的一种;所述集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤?#36136;?#22120;PMFS
与探测器组件PINFET,其相互熔接的光纤类型相互匹配。

作为一种举例说明,所述相互匹配的光纤为:

同一供应商、同一批次的保偏或者单模光纤;

或者同一供应商、不同批次的保偏或者单模光纤;

或者不同供应商,光波模场相同、外径相同,涂覆层直径相同的
保偏光纤或者单模光纤;

或者不同供应商,光波模场相同、外径相同、涂覆层尺寸不同的
保偏光纤或者单模光纤;

作为一种举例说明,所述相互匹配的光纤还包括其他的模场直径
匹配、外径匹配、保偏或者单模光纤匹配等的光纤类型组合;

㈡光谱匹配方案:

由于光纤陀螺模拟传输要求,?#20302;?#24517;须采用宽带光源,从而要求
光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源
的3dB带宽;通常SLD的3dB带宽约30nm~40nm,ASE光
源的3dB带宽约10nm~20nm;因此要求光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦
合器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽,但不局限
于所述最优选择的2倍光源的3dB带宽;?#28304;?#26469;满足往返光路的光
谱匹配,以及对往返光路过程中不畸变的要求;

作为一种举例说明,优选实施例采用本发明人已申请专利之保偏
光纤?#36136;?#22120;作为最佳光谱匹配技术应用,包括但是不局限于采用光纤
?#36136;?#22120;的其他宽工作波长范围的?#36136;?#22120;件,如反向使用集成光学多功
能调制器MIOC器件等方案;

此外,还要求集成光学多功能调制器的波长相关损耗、温度相关
损耗能够满足光谱匹配要求;在至少2倍宽带光源的3dB波长带
宽范围内,波长相关损耗满足往返光路的光谱匹配,不畸变的要求;
也包括但不局限于采用发明人已授权专利的多功能调制器设计方案。

㈢光功率匹配方案

在光源正常工作条件下,在波长及温度相关性较小的工作电流范
围内合理选择SLD光源或者ASE光源,以及在功率、温度相关性
最小的控制?#38382;?#19979;,获得输入光功率;

根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响
应度测试方案,在所述MIOC不施加调制信号情况下,合理选择入
射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之
间,优选1/3为最佳工作光功率,但是不局限于1/4到1/2之间为
全部工作光功率,例如,

对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为单模光
纤的设计方案,光路总体插入损?#33041;?0dB;

对于输入单偏振SLD光源,采用保偏光纤?#36136;?#22120;或者保偏光纤
耦合器,光纤环为保偏光纤方案,光路总体插入损?#33041;?4dB;

对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为保偏光
纤,或者输入单偏振SLD光源,光纤环为单模光纤的设计方案,光
路总体插入损?#33041;?7dB;

由此选择光源输出光功率,并且可以确定入射到PINFET光纤
中的光功率,可以获得PINFET的线性响应斜率,从而可以确定
PINFET的具体型号,据此设计光纤陀螺?#20302;?#30340;最佳工作状态;

(四)光波偏振态匹配方案

由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是
退火质子交换(APE)工艺,其仅能够满足e光的波导传播条件,当
前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可?#28304;?#20110;70dB,完全可
以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。

由此,可以单独控制MIOC输入端,或者输出端的偏振匹配状
态,实现光纤陀螺的性能指标设计要求;

对于传统的光纤陀螺光路方案,MIOC输入端,如果采用单偏
振或者双偏振输出的SLD光源,虽然可以通过退偏器的方案实现功
率稳定,仅仅是时间上的平均观察到功率相对稳定,实际由于降低了
光波偏振态匹配,瞬态不能获得功率的稳定,从而降低光纤陀螺的性
能。另外,双偏振SLD光源的2个偏振态的光谱不完全相同,偏
振相互串扰的回波损耗引起光源光谱的变化,同样会导致光纤陀螺性
能恶化。

双偏振SLD输出的光谱?#38044;?#22914;图4、图5所描述。

本发明的光波偏振态匹配方案之优选实施例,

例如:MIOC输入端:

采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源,输出光纤是保偏光纤,
通过保偏光纤?#36136;?#22120;的宽工作波长范围、低温度相关、低波长相关的
高偏振保持特性,可以满足光波偏振态匹配;

采用ASE光源,由于输出是自然光,并且输出光纤可以是单模
或者保偏光纤,相应选择宽工作波长范围的不局限于光纤?#36136;?#22120;或者
光纤耦合器,或者光纤耦合器加退偏器方案,实现光波偏振态匹配;

例如:MIOC输出端:

光纤环可以采用单模光纤加退偏器方案,或者保偏光纤方案,均
能够实现光波偏振态匹配要求。

本发明专利的有益效果:

本发明专利采用光器件的匹配技术,适用于干涉式光纤陀螺光路
设计解决方案。从而在光纤陀螺的全部工作温度范围内(-40℃~+75
℃)

1.理论设计方面,可?#28304;?#24133;度?#26723;陀?#20110;传统设计方案引起的各
种光学噪声;

2.产品质量控制方面,可?#28304;?#24133;度提高光纤陀螺的一次通过成
品率;

3.在产品工程方面,可?#28304;?#24133;度提高光纤陀螺的性能指标;

4.在光路组装工艺方面,可以有针对性的控制关键工艺点,大
幅度降低操作难度,提高生产效率。

5.提供了分析?#20302;?#24615;能指标偏差的理论依据与解决方案。

经过大量实践验证,?#24162;?#21457;明方案组装的光纤陀螺性能指标,非
常接近,甚至能达到理论设计值,传统设计方案的光纤陀螺很难达到
或者接近设计理论值;

经过大量实践验证,可以实现1次组装成品率>90%,甚至达
到>95%;

经过大量实践验证,可?#28304;?#24133;度提高标度因数非线性到
<10ppm,光?#26041;?#26500;如图11所示;如果采用单偏SLD光源+保偏
光纤?#36136;?#22120;方案,甚?#37327;?#20197;接近1ppm的测试极限,如图6,图7
所描述;而传统设计方案的光纤陀螺,通常的标度因数非线性大于
100ppm,最好情况一般不能小于50ppm,而且全温性能不可控;

经过多方测试验证,采用ASE光源的光纤陀螺,100秒平均,
可?#28304;?#26032;性地达到接近千?#31181;?#19968;度/小时性能指标。

附图说明

图1是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之传统光纤陀螺的光
?#26041;?#26500;

图2是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之单模光纤耦合器的
全温波长相关性数?#20302;?br />

图3是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之保偏光纤?#36136;?#22120;的
全温波长相关性数?#20302;?br />

图4是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之双偏振SLD光源的
不同偏振态的光谱@100mA数?#20302;?br />

图5是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之双偏振SLD光源
?#34892;?#27874;长的?#38044;?#19982;驱动电流的关系数?#20302;?br />

图6是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之本专利设计方案的
光纤陀螺标度因数非对称性数?#20302;?br />

图7是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之本专利设计方案的
光纤陀螺标度因数误差分布柱形图

图8是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之采用保偏光纤?#36136;?br />器的光纤陀螺的光?#26041;?#26500;示意图

图9是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之采用保偏光纤?#36136;?br />器的光纤陀螺的另外一种光?#26041;?#26500;示意图

图10是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之MIOC输入、输
出均保偏的光路方案结构图

图11是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之MIOC输入前保
偏,MIOC输出退偏的光路方案示意图

图12是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之3轴光纤陀螺光路
熔接方案

图13是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之光功率匹配设计方
案软件的普通精度光纤陀螺设计值的截屏图

图14是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之光功率匹配设计方
案软件之高精度光纤陀螺设计值的截屏图

图15是本发明一种光纤陀螺用光器件匹配方案之方案内容示意框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

一种光纤陀螺用光器件匹配方案,包括以下四部分内容:

1、光纤类型匹配;2、光功率匹配;3、光波偏振态匹配;4、
光谱匹配;

(一)所述光纤类型匹配方案:

主要实现光器件光纤的模场直径相同、外径相同,以降低光路的
传输噪声,如降低回波反射干扰、降低熔接损耗、提高偏振消光比等;
以提高工艺组装中的光纤熔接对准精度,并且提高?#20302;?#21487;靠性;包括:
宽带光源、集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤?#36136;?#22120;PMFS
和探测器组件PIN-FET的器件的尾纤光纤类型匹配。

作为一种举例说明,所述宽带光源采用SLD或者ASE光源中
的一种;所述集成光学多功能调制器MIOC、保偏光纤?#36136;?#22120;PMFS
与探测器组件PINFET,其相互熔接的光纤类型相互匹配;

作为一种举例说明,所述相互匹配的光纤为?#21644;?#19968;供应商、同一
批次的保偏或者单模光纤;或者同一供应商、不同批次的保偏或者单
模光纤;或者不同供应商,光波模场相同、外径相同,涂覆层尺寸相
同的保偏或者单模光纤;或者不同供应商,光波模场相同、外径相
同、涂覆层尺寸不同的保偏或者单模光纤;

作为一种举例说明,所述相互匹配的光纤还包括其他的模场匹
配、外径匹配、保偏或者单模光纤匹配等的组合光纤类型;

㈡光谱匹配方案:

由于光纤陀螺模拟传输要求,?#20302;?#24517;须采用宽带光源,从而要求
光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦合器的工作波长带宽必须大于2倍宽带光源
的3dB带宽;通常SLD的3dB带宽约30nm~40nm,ASE光
源的3dB带宽约10nm~20nm;因此要求光纤?#36136;?#22120;或者光纤耦
合器的工作波长带宽必须大于或等2倍光源的3dB带宽,但不局限
于所述最优选择的2倍光源的3dB带宽;?#28304;?#26469;满足往返光路的光
谱匹配,以及对往返光路过程中不畸变的要求;

作为一种举例说明,优选实施例采用本发明人已申请专利之保偏
光纤?#36136;?#22120;作为最佳光谱匹配技术应用,包括但是不局限于采用光纤
?#36136;?#22120;的其他宽工作波长范围的?#36136;?#22120;件,如反向使用集成光学多功
能调制器MIOC器件等方案;

㈢光功率匹配方案

在光源正常工作条件下,在波长及温度相关性较小的工作电流范
围内合理选择SLD光源或者ASE光源,以及在功率、温度相关性
最小的控制?#38382;?#19979;,获得输入光功率;

根据发明人已申报专利之所述PIN-FET测试方法规定的线性响
应度测试方案,在所述MIOC不施加调制信号情况下,合理选择入
射到所述PIN-FET上的光功率为线性饱和光功率的1/4到1/2之
间,优选1/3为最佳工作光功率,但是不局限于1/4到1/2之间为
全部工作光功率,例如,

对于输入双偏振SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为单模光
纤的设计方案,光路总体插入损?#33041;?0dB;

对于输入单偏振SLD光源,采用保偏光纤?#36136;?#22120;或者保偏光纤
耦合器,光纤环为保偏光纤方案,光路总体插入损?#33041;?4dB;

对于输入双偏SLD光源或者ASE自然光源,光纤环为保偏光
纤,以及输入单偏振SLD光源,光纤环为单模光纤的设计方案,光
路总体插入损?#33041;?7dB;

由此选择光源输出光功率,并且可以确定入射到PINFET光纤
中的光功率,可以获得PINFET的线性响应斜率,从而可以确定
PINFET的具体型号,据此设计光纤陀螺?#20302;?#30340;最佳工作状态;

(四)光波偏振态匹配方案

由于MIOC集成光学多功能调制器芯片的波导制备采用的是
退火质子交换(APE)工艺,其仅能够满足e光的波导传播条件,当
前测量条件下可以测到的芯片的偏振消光比可?#28304;?#20110;70dB,完全可
以视为理想的偏振器(起偏器与检偏器)。

由此,可以单独控制MIOC输入端,或者输出端的偏振匹配状
态,实现光纤陀螺的性能指标设计要求;

对于传统的光纤陀螺光路方案,MIOC输入端,如果采用单偏
振或者双偏振输出的SLD光源,虽然可以通过退偏器的方案实现功
率稳定,仅仅是时间上的平均观察到功率相对稳定,实际由于降低了
光波偏振态匹配,瞬态不能获得功率的稳定,从而降低光纤陀螺的性
能。另外,双偏振SLD光源的2个偏振态的光谱不完全相同,偏
振相互串扰的回波引起光源光谱的变化,同样会导致光纤陀螺性能恶
化。

双偏振SLD输出的光谱?#38044;?#22914;图4、图5所描述。

本发明的光波偏振态匹配方案之优选实施例,

例如:MIOC输入端:

采用单偏振或者双偏振输出的SLD光源,输出光纤是保偏光纤,
通过保偏光纤?#36136;?#22120;的宽工作波长范围、低温度相关、低波长相关的
高偏振保持特性,可以满足光波偏振态匹配;

采用ASE光源,由于输出是自然光,并且输出光纤可以是单模
或者保偏光纤,相应选择宽工作波长范围的不局限于光纤?#36136;?#22120;或者
光纤耦合器,或者光纤耦合器加退偏器方案,实现光波偏振态匹配;

例如:MIOC输出端:

光纤环可以采用单模光纤加退偏器方案,或者保偏光纤方案,均
能够实现光波偏振态匹配要求。

为了更通俗的说明该发明所采用方案的先进性,现通过具体?#38382;?br />的实施例举例说明效果:

1.光功率匹配:根据光纤陀螺性能指标要求,如零位稳定性10
秒平均<0.1°/h,测量动态范围200°/s等,如图13,合理选择光源
功率、光纤环长度,具体选择的?#38382;?#35774;置如下:

1
光源类型
单偏振SLD
2
光源输出功率
400μW
3
光纤环类型
单模光纤
4
工作波长
1310nm
5
光纤环平均直径
70mm

6
光纤长度
450m
7
工作偏置点
0.5π

理论计算值:

1
零位稳定性1s平均
0.20°/h
2
零位稳定性10s平均
0.063°/h
3
最大测量转速
244.6°/S
4
最小测量转速
0.028°/h

根据设计方案确定光路损耗为17dB,入射到PIN-FET光功率
~8μW,从而根据1/3饱和光功率最佳工作点,确定对应饱和光功率
为24μW的PIN-FET的型号为线性效率0.18V/μW。

如零位稳定性100秒平均<0.001°/h,最大测量动态范围20°
/s等,如图14,合理选择光源功率、光纤环长度,可以选择:

1
光源类型
ASE自然光
2
光源输出功率
2mW
3
光纤环类型
保偏光纤
4
工作波长
1550nm
5
光纤环平均直径
200mm
6
光纤长度
2km
7
工作偏置点
0.5π


理论计算值:

1
零位稳定性10s平均
0.0024°/h
2
零位稳定性100s平均
0.0008°/h
3
最大测量转速
22°/S
4
最小测量转速
0.0026°/h

根据设计方案确定光路损耗为17dB,入射到PIN-FET光功
率~40μW,从而根据1/3饱和光功率最佳工作点,确定对应饱和光
功率为120μW的PIN-FET的型号为线性效率0.04V/μW。

2.光波偏振态匹配:根据光功率匹配方案中的光源类型、光纤环
类型,选择合适的光波偏振态匹配方案;其中最佳方案是采用保偏光
纤?#36136;?#22120;,最稳定、简单、可靠;

举例如下:

图8
采用保偏光纤?#36136;?#22120;的光纤陀螺的光?#26041;?#26500;
图9
采用保偏光纤?#36136;?#22120;的光纤陀螺的另外一种光?#26041;?#26500;
图10
MIOC输入、输出均保偏的光路方案
图11
MIOC输入前保偏,MIOC输出退偏的光路方案
图12
3轴光纤陀螺光路熔接方案

3.光纤类型匹配:合理选择各种光学器件,以满足光纤类型匹
配,包括模场、外径、保偏与单模等?#38382;?br />

4.光谱匹配:合理选择各种光学器件,其中最佳方案与光波偏
振态匹配类似,仍然是采用保偏光纤?#36136;?#22120;,最稳定、简单、可靠;

本发明专利采用光器件的匹配技术方案,从而在全部工作温度范
围内(-40℃~+75℃)工作稳定,提供可?#28304;?#24133;度?#26723;陀?#20110;传统设计
方案引起的光学噪声的不足;可?#28304;?#24133;度提高光纤陀螺的一次通过成
品率;在产品工程方面,可?#28304;?#24133;度提高光纤陀螺的性能指标;在光
路组装工艺方面,可?#28304;?#24133;度降低操作难度,提高生产效率。

经过大量实践验证,?#24162;?#21457;明方案组装的光纤陀螺性能指标,非
常接近,甚至能达到理论设计值,传统设计方案的光纤陀螺很难达到
或者接近设计理论值;

经过大量实践验证,可以实现1次组装成品率>90%,甚至达
到>95%;

经过大量实践验证,可?#28304;?#24133;度提高标度因数非线性到
<10ppm,光?#26041;?#26500;如图11所示,采用单偏SLD光源+保偏光纤
?#36136;?#22120;方案,甚至接近1ppm的测试极限,如图6,图7所描述;
传统设计方案的光纤陀螺,通常的标度因数非线性大于100ppm,
最好情况一般不能小于50ppm,而且全温性能不可控;

经过多方测试验证,采用ASE光源的光纤陀螺,100秒平均,
可?#28304;?#26032;性地达到接近千?#31181;?#19968;度/小时性能指标。

以?#32420;?#36848;的仅为本发明的优选实施例,所应理解的是,以上实施
例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,并不用于限
定本发明的保护范围,凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修
改、等同替换等等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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本文标题:一种光纤陀螺用光器件匹配方案.pdf
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