專利名稱：自注入鎖定光纖激光陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)陀螺，尤其涉及光纖激光陀螺。
高性能光纖激光陀螺有兩個(gè)關(guān)鍵要求①增益介質(zhì)應(yīng)能提供方向性增益，以避免相向傳輸?shù)募す猱a(chǎn)生增益競(jìng)爭(zhēng)；②后向散射必須可以忽略，以消除閉鎖效應(yīng)。目前已提出的光纖激光陀螺，如中國(guó)專利申請(qǐng)CN1320821A“環(huán)形光纖激光陀螺”，其核心是窄線寬的單頻光纖激光器，它利用馬赫—曾得干涉儀多級(jí)濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖激光器單頻工作，將兩路信號(hào)激光從空間上分開(kāi)、以避免因共用增益而出現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針兩路信號(hào)激光的競(jìng)爭(zhēng)。但是，單級(jí)馬赫—曾得干涉儀的濾波帶寬相對(duì)較寬，需要使用多級(jí)馬赫—曾得干涉儀及腔長(zhǎng)控制器，使得環(huán)形腔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度及靈敏度受到影響。
本發(fā)明通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自注入鎖定光纖激光陀螺由光纖激光器及探測(cè)器、差頻信號(hào)處理電路組成，其中光纖激光器由帶尾纖的半導(dǎo)體激光器、單頻分布反饋光纖激光器DFB、光纖環(huán)、光纖耦合器組成，而光纖環(huán)則由波分復(fù)用器、隔離器、增益光纖及光纖耦合器組成，具體結(jié)構(gòu)為將兩個(gè)帶尾纖的半導(dǎo)體激光器LD1和LD2分別通過(guò)波分復(fù)用器WDM1和WDM2與DFB的兩端連接；然后WDM1和WDM2分別與隔離器I1和I2、增益光纖GF1和GF2相連，I1和I2、GF1和GF2再分別與光纖耦合器C1和C2各自相連，組成帶增益的、方向相反的兩個(gè)光纖環(huán)；光纖耦合器C1和C2的一個(gè)輸出端再分別與光纖耦合器C3的兩個(gè)輸入端相連接，C3的兩個(gè)輸出端分別與探測(cè)器PD1和PD2相連，PD1或PD2再與差頻信號(hào)處理電路連接。
也就是說(shuō)，本發(fā)明是通過(guò)具有自注入鎖定作用的光纖激光器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成光纖激光陀螺的，即作為光纖激光陀螺核心部件的光纖激光器是雙向自注入鎖定的單頻光纖激光器(其具體結(jié)構(gòu)如圖所示)。它是利用兩個(gè)帶尾纖的半導(dǎo)體激光器LD1和LD2作為泵浦源、為單頻分布反饋光纖激光器DFB提供泵浦功率，然后從相反方向各自注入到一個(gè)光纖環(huán)中，再將反向運(yùn)行并鎖定的信號(hào)激光從光纖環(huán)中取出進(jìn)行探測(cè)與處理。兩個(gè)光纖環(huán)的泵浦功率也由LD1和LD2分別提供。LD1和LD2分別通過(guò)波分復(fù)用器WDM1和WDM2與DFB的兩端連接，LD1和LD2的波長(zhǎng)視DFB所采用的增益光纖(或稱有源光纖)中工作物質(zhì)的吸收峰而定，通常的泵浦波長(zhǎng)有650nm、780nm、800nm、915nm、980nm及1480nm等，輸出功率一般選擇大于100mW為宜；DFB是直接制作在增益光纖上的，增益光纖應(yīng)選用高摻雜的稀土摻雜光纖或其他摻雜光纖(如摻雜量為800ppm以上的摻鉺或摻鐿光纖)，其長(zhǎng)度一般為3～10cm左右，能向兩個(gè)光纖環(huán)提供相向穩(wěn)定的單縱模種子激光(DFB輸出波長(zhǎng)的譜線半寬度應(yīng)小于光纖環(huán)的縱模間距)；WDM1和WDM2具有相同的特性參數(shù)，針對(duì)泵浦源波長(zhǎng)和信號(hào)激光的工作波長(zhǎng)而選擇。波分復(fù)用器WDM1、隔離器I1、光纖耦合器C1以及增益光纖GF1之間通過(guò)單模光纖相連、形成一個(gè)光纖環(huán)1，波分復(fù)用器WDM2、隔離器I2、光纖耦合器C2以及增益光纖GF2之間亦通過(guò)單模光纖相連、形成另一個(gè)光纖環(huán)2，兩個(gè)光纖環(huán)各自組成帶增益的環(huán)形腔，它們的方向相反、也就是隔離器的方向使得在兩個(gè)光纖環(huán)中產(chǎn)生的信號(hào)激光的運(yùn)行方向相反。其中，兩個(gè)隔離器I1和I2也是具有相同的特性參數(shù)，其回波損耗針對(duì)信號(hào)激光波長(zhǎng)超過(guò)60dB；兩個(gè)光纖環(huán)內(nèi)所采用的增益光纖與DFB中的材質(zhì)相同，其長(zhǎng)度一般根據(jù)光纖特性和具體應(yīng)用環(huán)境而定，可從幾個(gè)厘米到幾米中作出選擇，只要能使光纖環(huán)中產(chǎn)生信號(hào)激光即可；光纖環(huán)(即環(huán)形腔)的長(zhǎng)度通過(guò)單模光纖進(jìn)行調(diào)整，一般從幾米到幾十米便能滿足較高的應(yīng)用精度要求(兩環(huán)形腔的腔長(zhǎng)應(yīng)略有差別，使得兩腔中的激光工作頻率存在一頻率差)。兩個(gè)光纖環(huán)中的光纖耦合器C1和C2的一個(gè)輸出端再分別與另一個(gè)光纖耦合器C3的兩個(gè)輸入端相連接，C3的兩個(gè)輸出端則分別與探測(cè)器PD1和PD2相連，PD1或PD2再與差頻信號(hào)處理電路連接。C1和C2的耦合比選擇均為98∶2，C3的耦合比選擇為1∶1即3dB；探測(cè)器可選擇通常的PIN光電探測(cè)器或雪崩光電探測(cè)器。
本分明的工作過(guò)程如下在兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的泵浦下，兩個(gè)帶增益光纖的光纖環(huán)形成了兩個(gè)各自獨(dú)立的諧振腔。通過(guò)DFB分別向兩個(gè)光纖環(huán)中注入種子激光，將兩個(gè)諧振腔中的工作波長(zhǎng)鎖定。鎖定的信號(hào)激光的波長(zhǎng)分別由兩個(gè)環(huán)形腔的諧振條件和DFB的波長(zhǎng)決定；在兩個(gè)光纖環(huán)形腔中分別加入的隔離器使信號(hào)激光工作在單向行波狀態(tài)，在一個(gè)環(huán)中激光傳輸方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，在另一個(gè)環(huán)中激光的傳輸方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍恍盘?hào)激光單向行波工作消除了光纖環(huán)內(nèi)均勻展寬增益介質(zhì)(即增益光纖)中引起的空間燒孔現(xiàn)象，加上DFB的注入鎖定，使兩個(gè)環(huán)形腔中的激光工作在線寬很窄的穩(wěn)定單縱模狀態(tài)；而且由于隔離器的回波損耗可做到大于60dB，可很好地消除因后向散射而造成的閉鎖效應(yīng)。兩個(gè)環(huán)形腔輸出的單縱模信號(hào)激光由于DFB的注入鎖定而保持位相恒定，成為兩相干光，因而可采用差頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；兩信號(hào)激光的工作頻率由于光纖環(huán)腔長(zhǎng)略有差別而存在一頻率差，這個(gè)初始頻率差既可以用來(lái)消除因信號(hào)激光本身具有一定的線寬而帶來(lái)的測(cè)量盲區(qū)以提高測(cè)量精度，也可用來(lái)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向。
假設(shè)靜止時(shí)一個(gè)環(huán)中信號(hào)激光的工作頻率為ν1，另一個(gè)環(huán)中信號(hào)激光的工作頻率為ν2，則當(dāng)環(huán)沿順時(shí)針以Ω的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)Sagnac效應(yīng)，兩信號(hào)激光的頻率將變?yōu)棣?′＝ν1+(2A1/λ0L1)Ω 〔1〕ν2′＝ν2-(2A2/λ0L2)Ω 〔2〕式中，A1和L1分別為環(huán)1的面積和長(zhǎng)度，A2和L2分別為環(huán)2的面積和長(zhǎng)度，λ0為激光在真空中的波長(zhǎng)(由于兩激光初始的頻率差很小，認(rèn)為它們靜止時(shí)的工作波長(zhǎng)相同)。
則轉(zhuǎn)動(dòng)后，兩信號(hào)激光的頻率差為Δν＝ν2′-ν1′＝(ν2-ν1)-(2A2/λ0L2+2A1/λ0L1)Ω 〔3〕當(dāng)光纖環(huán)以Ω的角速度沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則兩信號(hào)激光的頻率變?yōu)棣?″＝ν1-(2A1/λ0L1)Ω〔4〕ν2″＝ν2+(2A2/λ0L2)Ω〔5〕則兩信號(hào)激光的頻率差為Δν＝ν2″-ν1″＝(ν2-ν1)+(2A2/λ0L2+2A1/λ0L1)Ω 〔6〕則由〔3〕和〔6〕兩式可知，通過(guò)差頻檢測(cè)兩激光的頻差，即可測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；而且，轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同時(shí)頻差也不相同，因此還可根據(jù)頻差判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為1、DFB產(chǎn)生的種子激光注入分別產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的單頻激光。不僅將兩相向傳輸?shù)男盘?hào)激光在空間上分離開(kāi)來(lái)，使之沒(méi)有共用增益，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的雙向信號(hào)激光輸出；而且，利用注入鎖定將兩信號(hào)激光的位相保持恒定，互為相干光，使之可采用差頻檢測(cè)。
2、采用隔離器抑制后向散射(超過(guò)60dB)，可消除閉鎖效應(yīng)，同時(shí)也消除了增益介質(zhì)的空間燒孔效應(yīng)，壓窄了信號(hào)激光的工作線寬，從而提高了陀螺的靈敏度及測(cè)量精度。
3、通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)光纖環(huán)的長(zhǎng)度差，直接實(shí)現(xiàn)光纖激光陀螺的移頻而無(wú)需其它的附加元器件，不僅使兩激光具有初始的頻差，既有利于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量精度的提高，還可根據(jù)頻差判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向；而且還大大簡(jiǎn)化了陀螺的結(jié)構(gòu)。
4、由于DFB的注入鎖定，使得信號(hào)激光的頻率變化斜率大，靈敏度高，僅需要幾米就能達(dá)到導(dǎo)航要求(例如光纖環(huán)腔長(zhǎng)5m即可達(dá)到10-3的測(cè)量精度)，因而檢測(cè)精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。
5、整個(gè)陀螺為全光纖固化結(jié)構(gòu)，所用元器件均為常用部件、無(wú)特殊要求，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易，而且功耗小、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕。
6、由于腔長(zhǎng)較短，還使溫度分布不均勻引起的漂移可以忽略不計(jì)、機(jī)械震動(dòng)產(chǎn)生的影響很小，因而具有很高的穩(wěn)定性。
本發(fā)明可適用于衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、汽車等的定向、定位、導(dǎo)航。由于它具有很高的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，因此適合于衛(wèi)星慣性導(dǎo)航和飛行姿態(tài)調(diào)整；也可作為航天飛行器高精度自主定軌、自動(dòng)導(dǎo)航的重要慣性導(dǎo)航設(shè)備或裝置。
權(quán)利要求
1.一種自注入鎖定光纖激光陀螺，由光纖激光器及探測(cè)器、差頻信號(hào)處理電路組成，其特征在于光纖激光器由帶尾纖的半導(dǎo)體激光器、單頻分布反饋光纖激光器DFB、光纖環(huán)、光纖耦合器組成，而光纖環(huán)則由波分復(fù)用器、隔離器、增益光纖及光纖耦合器組成，具體結(jié)構(gòu)為將兩個(gè)帶尾纖的半導(dǎo)體激光器LD1和LD2分別通過(guò)波分復(fù)用器WDM1和WDM2與DFB的兩端連接；然后WDM1和WDM2分別與隔離器I1和I2、增益光纖GF1和GF2相連，I1和I2、GF1和GF2再分別與光纖耦合器C1和C2各自相連，組成帶增益的、方向相反的兩個(gè)光纖環(huán)；光纖耦合器C1和C2的一個(gè)輸出端再分別與光纖耦合器C3的兩個(gè)輸入端相連接，C3的兩個(gè)輸出端分別與探測(cè)器PD1和PD2相連，PD1或PD2再與差頻信號(hào)處理電路連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)陀螺，尤其涉及光纖激光陀螺。它由光纖激光器及探測(cè)器、差頻信號(hào)處理電路組成，其特征在于光纖激光器由帶尾纖的半導(dǎo)體激光器、單頻分布反饋光纖激光器DFB、光纖環(huán)、光纖耦合器組成，而光纖環(huán)則由波分復(fù)用器、隔離器、增益光纖及光纖耦合器組成。兩個(gè)帶增益光纖的光纖環(huán)形成了兩個(gè)各自獨(dú)立的諧振腔，DFB分別向其中注入種子激光、將其工作波長(zhǎng)鎖定，隔離器則使激光工作在單向行波狀態(tài)，且一個(gè)環(huán)中的激光傳輸方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?、另一個(gè)環(huán)中的激光傳輸方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。本發(fā)明消除了均勻展寬增益介質(zhì)中的空間燒孔現(xiàn)象以及因后向散射而造成的閉鎖效應(yīng)，并使兩個(gè)環(huán)形腔中的激光工作在線寬很窄的穩(wěn)定單縱模狀態(tài)?？刹捎貌铑l信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01C19/66GK1448697SQ0211284
公開(kāi)日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2002年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月3日
發(fā)明者許立新, 明海, 謝建平, 王安廷, 黃文財(cái), 吳云霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)