專利名稱：導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器及人工智能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及干涉型集成光學(xué)陀螺儀的設(shè)計。
背景技術(shù)：
光學(xué)陀螺儀，包括激光陀螺儀(Ring Laser Gyroscope，RLG)和光纖陀螺儀(FiberOptical Gyroscope，F(xiàn)OG)，適用于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。它們和傳統(tǒng)的機電陀螺儀相比較，在小型化、低成本和高可靠性等方面均具有優(yōu)勢，因而發(fā)展迅速，逐步替代了機電陀螺儀。
RLG和FOG的發(fā)展方向是降低成本和實現(xiàn)小型化。1996年本發(fā)明人發(fā)表了“小型化諧振型光學(xué)角速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)”論文，提出了研制諧振型集成光學(xué)陀螺儀(Integrated Optical Gyroscope，IOG)的方案。該方案采用光波導(dǎo)諧振腔作為賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)(Sagnac Sensing Ring，SSR)，并用兩個聲光移頻器分別實現(xiàn)順、逆時針方向光波諧振頻率的閉環(huán)跟蹤，它們的拍頻信號為IOG的輸出。和RLG相比較，該方案在小型化和降低成本方面具有一定的優(yōu)勢，由于采用頻率跟蹤系統(tǒng)，可以降低對光波導(dǎo)SSR中光學(xué)損耗的要求，因而在工程上具有可行性。實現(xiàn)該方案的技術(shù)關(guān)鍵為(1)光源線寬＜100kHz，中心波長的相對誤差＜10-6；(2)為了降低光波導(dǎo)SSR的光學(xué)損耗，需要采用硅基片二氧化硅摻雜的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和工藝；(3)需要采用AOFS作為頻率跟蹤器件。這些技術(shù)關(guān)鍵目前雖可以解決，但成本較高。
另一方面，采用FOG的技術(shù)方案可以較容易實現(xiàn)低成本的光學(xué)陀螺儀，但要縮短光纖敏感線圈的長度仍未得到很好解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述技術(shù)的不足之處，提出一種導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，通過減小賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)中的光學(xué)損耗，并采用半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)加以補償，可使光波在SSR中能多次循環(huán)，具有SSR長度較短，兼容性好，體積小、低成本和高可靠性的優(yōu)點。
本發(fā)明提出的一種導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，包括由超輻射發(fā)光二極管及電流源、光探測器、耦合器1、溫度探測器、前置放大器及轉(zhuǎn)換器組成的光收發(fā)模塊，Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊以及由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列組成的閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊；其特征在于，還包括由耦合器2、半導(dǎo)體光放大器、賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)組成的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊；各模塊的連接關(guān)系為所說的Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊通過耦合器1、耦合器2分別與所說的光收發(fā)模塊和賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊雙向連接，所說的光收發(fā)模塊中的模轉(zhuǎn)換器分別與該閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊中的數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列相連，該可編程邏輯門陣列通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所說的Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊相連。
所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中，該賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)可采用兩根光纖構(gòu)成，該耦合器可為光纖耦合器，該半導(dǎo)體光放大器可為兩端鍍高增透膜并帶有尾纖的半導(dǎo)體光放大器；該光纖耦合器與半導(dǎo)體光放大器分別通過尾纖與兩根光纖連接成為一個環(huán)形腔。
所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊可采用微光學(xué)結(jié)構(gòu)形式；包括在四邊形的四個角各設(shè)置一微光學(xué)結(jié)構(gòu)的高反射鏡M1、M2與M3及一半透半反鏡M4構(gòu)成賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)；在該兩反射鏡M2與M3之間的光路上設(shè)置一個半導(dǎo)體光放大器；以及設(shè)置在Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊的一支光路與M4的反射光路中的高反射鏡M5，該M4則位于Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊的另一支光路中，M4與M5構(gòu)成耦合器2。
所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中，該賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)可采用兩根光波導(dǎo)構(gòu)成，該耦合器為光波導(dǎo)耦合器，該半導(dǎo)體光放大器為兩端鍍高增透膜的半導(dǎo)體光放大器；該光波導(dǎo)耦合器與半導(dǎo)體光放大器分別通過光波導(dǎo)與兩根光波導(dǎo)連接成為一個環(huán)形腔。
所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中還可設(shè)置有溫度探測器，該溫度探測器與與該可編程邏輯門陣列相連。
本發(fā)明的技術(shù)特點和效果如下1、減小光路損耗本發(fā)明以實現(xiàn)小型化和低成本的IOG為目標。采用集成光學(xué)技術(shù)制作光收發(fā)模塊、MIOC和具有SOA的SSR模塊。由于避免了通過尾纖互相連結(jié)，這種IOG光路系統(tǒng)的光學(xué)損耗較小。
2、提高光源輸出功率采用模塊化結(jié)構(gòu)和SLD光斑轉(zhuǎn)換等技術(shù)，提高耦合效率，增大輸出功率。
3、采用光信號的雙向SOA，降低SOA的自發(fā)輻射噪聲，以提高輸出信號的信噪比。
4、在低量程情況下，可采用開環(huán)工作方式，輸出信號為各次循環(huán)信號之和，因而得到較強的輸出信號。
5、在大量程情況下，可采用閉環(huán)工作方式。本發(fā)明具有提取多次循環(huán)輸出信號的技術(shù)。采用全數(shù)字閉環(huán)補償Sagnac相移。
6、由于光波可在SSR模塊進行多次循環(huán)，因此可采用較短的SSR，降低了陀螺儀對溫度的敏感性。


圖1為本發(fā)明導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀的總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明實施例1的循環(huán)干涉型光纖陀螺儀的光路系統(tǒng)圖。
圖3為本發(fā)明實施例2的循環(huán)干涉型微光學(xué)陀螺儀的光路系統(tǒng)圖。
圖4為本發(fā)明實施例3的循環(huán)干涉型光波導(dǎo)陀螺儀的光路系統(tǒng)圖。
圖5為本發(fā)明各實施例中的光收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀結(jié)合各附圖及多種實施例詳細說明如下本發(fā)明提出的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括由超輻射發(fā)光二極管及電流源、光探測器、耦合器1、光探測器、溫度探測器、前置放大器及轉(zhuǎn)換器組成的光收發(fā)模塊11，具有Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制器的多功能集成光學(xué)芯片(Mutifunctional Integrated Optical Chip，MIOC)、以及由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列組成的閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊13；由耦合器2、半導(dǎo)體光放大器、賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)及溫度探測器(也可省略)組成的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)(SSR)模塊12；在SSR模塊中，賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)(SSR)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)集成在同一塊基片上。
本發(fā)明的工作原理為光波由光收發(fā)模塊11進入MIOC，分裂為順逆時針方向傳播的兩束光波，通過耦合器2進入集成光學(xué)SSR模塊12多次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)相等的兩束光波產(chǎn)生干涉，得到有用信號，通過MIOC返回光收發(fā)模塊，被探測器接收產(chǎn)生模擬電信號。該信號經(jīng)過探測器信號預(yù)處理器(包括前置放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器)得到開環(huán)工作方式下的輸出信號，在閉環(huán)工作方式下，經(jīng)信號經(jīng)過探測器信號預(yù)處理器后被送入閉環(huán)控制和信號讀出模塊13進行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生的反饋信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器作用于MIOC，形成閉環(huán)控制。
上述各模塊的構(gòu)成分別說明如下光收發(fā)模塊11由超輻射發(fā)光二極管(Superluminescent Laser Diode，SLD)及電流源、光探測器、耦合器1、光探測器、溫度探測器、前置放大器及轉(zhuǎn)換器組成，可采用成熟技術(shù)。
MIOC可采用現(xiàn)有FOG產(chǎn)品中的相應(yīng)模塊。
閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊13由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列組成，可采用現(xiàn)有FOG產(chǎn)品中的相應(yīng)模塊。
本發(fā)明提出的SSR模塊可以采用多種實施方案來實現(xiàn)，結(jié)合以下各實施例分別說明如下實施例1為采用光纖SSR模塊的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀(IOG)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種IOG的光路系統(tǒng)包括光收發(fā)模塊中的超輻射發(fā)光二極管SLD21、MIOC模塊23和具有SOA的光纖SSR模塊。SLD21發(fā)出的低相干光波，經(jīng)Y波導(dǎo)耦合器22送入MIOC23，再經(jīng)耦合器24進入光纖SSR25。光波在SSR中被SOA26放大，并沿順、逆時針方向傳播。SSR的輸出信號經(jīng)過耦合器24、MIOC和耦合器22進入光探測器27。
本實施例的電路系統(tǒng)包括光收發(fā)模塊中的光源的電流源和溫控電路28、光探測器的信號預(yù)處理電路(包括前置放大器29、濾波器210和模數(shù)轉(zhuǎn)換器211)、閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊13等。
本實施例的光收發(fā)模塊中的超輻射發(fā)光二極管SLD、MIOC模塊和閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊均采用已知成熟產(chǎn)品。
本實施例的SSR模塊包括；賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)25、SOA26及光纖耦合器24，其中，賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)采用兩根光纖構(gòu)成，光纖耦合器24，SOA均為已知器件，SOA兩端鍍高增透膜；光纖耦合器與SOA分別通過尾纖與兩根光纖連接成為一個環(huán)形腔。它的優(yōu)點是易于生產(chǎn)，可以借用FOG中光纖耦合器的成熟結(jié)構(gòu)和工藝制作。
實施例2為采用微光學(xué)SSR模塊的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀(IOG)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種IOG中，光收發(fā)模塊和MIOC模塊的結(jié)構(gòu)與圖2的結(jié)構(gòu)完全相同，SSR模塊采用微光學(xué)結(jié)構(gòu)形式，其中，在四邊形的四個角各設(shè)置一微光學(xué)結(jié)構(gòu)的高反射鏡M1、M2與M3及一半透半反鏡M4構(gòu)成賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)，在該兩反射鏡M2與M3之間的光路上設(shè)置半導(dǎo)體光放大器(SOA)；還包括一設(shè)置在MIOC模塊的一支光路與M4的反射光路中的高反射鏡M5，該M4則位于MIOC模塊的另一支光路中，M4與M5構(gòu)成耦合器2，將經(jīng)SSR中多次循環(huán)且循環(huán)次數(shù)相等的兩束光波的干涉信號分別耦合進MIOC模塊。
本實施例的優(yōu)點是比光波導(dǎo)SSR易于生產(chǎn)。同時，由于微光學(xué)SSR中的傳播損耗比光波導(dǎo)SSR的小，因而可以降低SOA的增益。
實施例3為采用光波導(dǎo)SSR的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀(IOG)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在這種IOG中，采用光波導(dǎo)取代了實施例1中的光纖構(gòu)成SSR模塊，其余部分與圖2結(jié)構(gòu)完全相同，它的特點是小型化，光波導(dǎo)的SSR與SOA可以集成在同一個基片上。
上述各實施例中采用的Y-波導(dǎo)耦合器的光收發(fā)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中，SLD31焊接于銅熱沉32上，通過半導(dǎo)體制冷器33與殼體34相連，由SLD發(fā)出的光波經(jīng)過微透鏡35耦合進入Y-波導(dǎo)耦合器36的一個分支，在Y-波導(dǎo)耦合器的另一端與光纖尾纖37耦合輸出。光纖尾纖37與Y-波導(dǎo)耦合器36的耦合端置于套筒38中，通過光纖支撐結(jié)構(gòu)39與Y-波導(dǎo)耦合器進行對接。反饋信號光則通過光纖尾纖耦合進入Y-波導(dǎo)耦合器36，在另一分支上通過光柵310和光探測器311耦合。采用這種結(jié)構(gòu)的光收發(fā)模塊，由于光源31、探測器311、Y-波導(dǎo)耦合器36之間不通過尾纖相連，因而可以減小光學(xué)損耗。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，包括由超輻射發(fā)光二極管及電流源、光探測器、耦合器1、溫度探測器、前置放大器及轉(zhuǎn)換器組成的光收發(fā)模塊，Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊以及由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列組成的閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊；其特征在于，還包括由耦合器2、半導(dǎo)體光放大器、賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)組成的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊；各模塊的連接關(guān)系為所說的Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊通過耦合器1、耦合器2分別與所說的光收發(fā)模塊和賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊雙向連接，所說的光收發(fā)模塊中的模轉(zhuǎn)換器分別與該閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊中的數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列相連，該可編程邏輯門陣列通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所說的Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊相連。
2.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中，該賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)采用兩根光纖構(gòu)成，該耦合器為光纖耦合器，該半導(dǎo)體光放大器為兩端鍍高增透膜并帶有尾纖的半導(dǎo)體光放大器；該光纖耦合器與半導(dǎo)體光放大器分別通過尾纖與兩根光纖連接成為一個環(huán)形腔。
3.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊采用微光學(xué)結(jié)構(gòu)形式；包括在四邊形的四個角各設(shè)置一微光學(xué)結(jié)構(gòu)的高反射鏡M1、M2與M3及一半透半反鏡M4構(gòu)成賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)；在該兩反射鏡M2與M3之間的光路上設(shè)置一個半導(dǎo)體光放大器；以及設(shè)置在Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊的一支光路與M4的反射光路中的高反射鏡M5，該M4則位于Y-波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊的另一支光路中，M4與M5構(gòu)成耦合器2。
4.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中，該賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)采用兩根光波導(dǎo)構(gòu)成，該耦合器為光波導(dǎo)耦合器，該半導(dǎo)體光放大器為兩端鍍高增透膜的半導(dǎo)體光放大器；該光波導(dǎo)耦合器與半導(dǎo)體光放大器分別通過光波導(dǎo)與兩根光波導(dǎo)連接成為一個環(huán)形腔。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的導(dǎo)航級循環(huán)干涉型集成光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所說的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊中設(shè)置有溫度探測器，該溫度探測器與與該可編程邏輯門陣列相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器及人工智能技術(shù)領(lǐng)域,包括光收發(fā)模塊,Y－波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊以及閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊;還包括由耦合器、半導(dǎo)體光放大器、賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)組成的賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊;各模塊的連接關(guān)系為:所說的Y－波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊通過耦合器分別與所說的光收發(fā)模塊和賽奈克效應(yīng)的敏感環(huán)模塊雙向連接,所說的光收發(fā)模塊中的模轉(zhuǎn)換器分別與該閉環(huán)控制和信號讀出電路模塊中的數(shù)字信號處理器及可編程邏輯門陣列相連,該可編程邏輯門陣列通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所說的Y－波導(dǎo)電光相位調(diào)制模塊相連。本發(fā)明具有SSR長度較短,兼容性好,體積小、低成本和高可靠性的優(yōu)點。
文檔編號G01C19/58GK1338613SQ01136249
公開日2002年3月6日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月12日
發(fā)明者章燕申 申請人:章燕申