谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置及其方法.pdf

本发明公开了一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置及其方法。它包括可调谐小型化激光器、光学分光器、第一路相位调制器、第二路相位调制器、光纤环形谐振腔、光电转换模块、信号处理电路模块和集成封装结构件。本发明通过选用和设计封装小、性能高的光学器件和硬件电路：可调谐小型化激光器、磨抛型耦合器、大半波电压驱动的短型波导铌酸锂相位调制器及其驱动电路、基于InGaAs光电二极管的光电转换模块，采用光源和光纤环形谐振腔分层隔离的封装结构件设计，以及光学器件与光纤环形谐振腔贴边内切安装的设计方法，实现谐振式光纤陀螺系统的小型化集成。

权利要求书
1.   一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置,其特征在于包括可调谐小型化激光器（1）、光学分光器（2）、第一路相位调制器（3）、第二路相位调制器（4）、光纤环形谐振腔、光电转换模块（9）、信号处理电路模块（10）、集成封装结构件；可调谐小型化激光器（1）与光学分光器（2）相连，光学分光器（2）两路输出分别与第一路相位调制器（3）和第二路相位调制器（4）相连，第一路相位调制器（3）和第二路相位调制器（4）输出分别与光纤环形谐振腔相连，两路光纤环形谐振腔输出分别与光电转换模块（9）相连，光电转化模块（9）与信号处理电路模块（10）相连，信号处理电路模块（10）输出一路作为陀螺输出，另一路与可调谐小型化激光器（1）的调谐端相连；可调谐小型化激光器（1）、光学分光器（2）、第一路相位调制器（3）、第二路相位调制器（4）、光学环形谐振腔、光电转换模块（9）、信号处理电路模块（10）安装在集成封装结构件中。

2.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的可调谐小型化激光器（1）为集成化窄线宽可调谐半导体激光器，采用直径8cm、高2.2cm的柱状体封装设计。

3.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的光学分光器（2）为长度2cm 、分光比为50%的磨抛型光纤耦合器。

4.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的第一路相位调制器（3）和第二路相位调制器（4）均采用大半波电压驱动的短波导铌酸锂相位调制器，封装尺寸仅为2×1×0.4cm。

5.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的光纤环形谐振腔为透射式谐振腔，直径9.2cm；光纤环形谐振腔包括输入端分光比为95%的磨抛型耦合器（5）、输出端分光比为95%的磨抛型耦合器（8）、第一路起偏器（6）和第二路起偏器（7）组成；输入端分光比为95%的磨抛型耦合器（5）和输出端分光比为95%的磨抛型耦合器（8）长度均为2cm。

6.   根据权利要求4所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的信号处理电路模块（10）中包含了高压摆率运放搭建的相位调制器驱动电路模块，为大半波电压驱动的第一路相位调制器（3）和第二路相位调制器（4）提供大幅度调制信号。

7.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的可调谐小型化激光器（1）和光纤环形谐振腔之间采用分层隔离的封装结构件设计方法。

8.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的光学分光器（2）、第一路相位调制器（3）和第二路相位调制器（4）在集成封装结构件中与光纤环形谐振腔采用贴边内切安装。

9.   根据权利要求1所述的一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，其特征在于：所述的信号处理电路模块（10）为圆形多层设计，光电转化模块（9）与信号处理电路模块（10）在集成封装结构中分层安装，集成封装结构件内部的4个陀螺系统硬件模块支撑点（15）用来支撑光电转化模块（9）和信号处理电路模块（10）；所述的光电转换模块（9）的核心器件采用圆柱形封装的同轴InGaAs光电二极管。

10.  一种根据权利要求1所述装置的工作方法，其特征在于：按谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置的接连关系完成安装后，在谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置外层加上结构件外壳（17），就构成了一个完整的谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，当在可调谐小型化激光器（1）电源端加上5V电压时，激光器输出中心波长为1550nm、线宽约为5kHz的激光，经过光学分光器（2）分成等功率的两束光：顺时针路和逆时针路，顺时针路激光经过第一路相位调制器（3）后进入光纤环形谐振腔，光纤环形谐振腔的形式为直径9.2cm的透射式谐振腔，逆时针路激光经过光纤环形谐振腔以后通过光电转化模块（9）进行光电转换，再通过信号处理电路模块（10）进行调制解调，最后将解调输出经伺服回路去控制可调谐小型化激光器（1）输出光的频率，顺时针路解调输出作为陀螺输出。

说明书谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置及其方法
技术领域
本发明涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置及其方法。
背景技术
 谐振式光纤陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG）是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器。R-FOG相对于传统的机械陀螺具有体积小、结构简单、寿命长、精度高等特点。与干涉式光纤陀螺（Interferometer Fiber Optic Gyro，I-FOG）相比，R-FOG理论上可以采用短得多的光纤长度而达到与I-FOG一样的精度。
 然而，在目前的R-FOG系统中，采用的各个模块器件体积比较大，导致了R-FOG系统整体体积庞大，难以实现小型化集成，阻碍了陀螺实现最终的应用。
发明内容
本发明是针对现有谐振式光纤陀螺系统体积大、不易于集成的不足之处，提出了一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置及其方法。
 一种谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置包括可调谐小型化激光器、光学分光器、第一路相位调制器、第二路相位调制器、光纤环形谐振腔、光电转换模块、信号处理电路模块、集成封装结构件；可调谐小型化激光器与光学分光器相连，光学分光器两路输出分别与第一路相位调制器和第二路相位调制器相连，第一路相位调制器和第二路相位调制器输出分别与光纤环形谐振腔相连，两路光纤谐振腔输出分别与光电转换模块相连，光电转化模块与信号处理电路模块相连，信号处理电路模块输出一路作为陀螺输出，另一路与可调谐小型化激光器的调谐端相连，可调谐小型化激光器、光学分光器、第一路相位调制器、第二路相位调制器、光纤环形谐振腔、光电转换模块、信号处理电路模块安装在集成封装结构件中。
所述的可调谐小型化激光器为集成化窄线宽可调谐半导体激光器，采用直径8cm、高2.2cm的柱状体封装设计。
所述的光学分光器为长度2cm 、分光比为50%的磨抛型光纤耦合器。
所述的第一路相位调制器和第二路相位调制器均采用大半波电压驱动的短波导铌酸锂相位调制器，封装尺寸仅为2×1×0.4cm。
所述的光纤环形谐振腔为透射式谐振腔，直径9.2cm；光纤环形谐振腔包括输入端分光比为95%的磨抛型耦合器、输出端分光比为95%的磨抛型耦合器、以及两路起偏器组成；输入端和输出端的磨抛型耦合器长度均为2cm。
所述的信号处理电路模块中包含了高压摆率运放搭建的相位调制器驱动电路模块，为大半波电压驱动的第一路相位调制器和第二路相位调制器提供大幅度调制信号。
所述的可调谐小型化激光器和光纤环形谐振腔采用分层隔离的封装结构件设计方法。
所述的光学分光器、第一路相位调制器和第二路相位调制器在集成封装结构件中采用贴边内切安装。
所述的信号处理电路模块为圆形多层设计，光电转化模块与信号处理电路模块分层安装，集成封装结构件内部的4个陀螺系统硬件模块支撑点用来支撑光电转化模块和信号处理电路模块；所述的光电转换模块的核心器件采用圆柱形封装的同轴InGaAs光电二极管。
所述装置的工作方法是：按谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置的接连关系完成安装后，在谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置外层加上结构件外壳，就构成了一个完整的谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，当在可调谐小型化激光器电源端加上5V电压时，激光器输出中心波长为1550nm、线宽约为5kHz的激光，经过光学分光器分成等功率的两束光：顺时针路和逆时针路，顺时针路激光经过第一路相位调制器后进入光纤环形谐振腔，光纤环形谐振腔的形式为直径9.2cm的透射式谐振腔，逆时针路激光经过光纤换形谐振腔以后通过光电转化模块进行光电转换，再通过信号处理电路模块进行调制解调，最后将解调输出经伺服回路去控制可调谐小型化激光器输出光的频率，顺时针路解调输出作为陀螺输出。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
       1）本发明采用的光学分光器为磨抛型光纤耦合器，光纤环形谐振腔采用输入端分光比为95%的磨抛型光纤耦合器、输出端分光比为95%的磨抛型光纤耦合器，相比熔融拉锥形耦合器，磨抛型耦合器具有体积小、耦合性能高的优势，符合系统结构小型化的要求。
2）本发明采用的第一路相位调制器和第二路相位调制器均为采用大半波电压驱动的短波导铌酸锂相位调制器，体积相比于传统的小半波电压驱动的长波导铌酸锂相位调制器要小得多，符合系统结构小型化的要求。
3）本发明采用的可调谐小型化激光器和光纤环形谐振腔之间采用了分层隔离的结构设计方法，有利于减小光源给谐振腔带来的热噪声，从而保证谐振式光纤陀螺的性能。
 4）本发明采用的光学分光器、第一路相位调制器、第二路相位调制器在集成封装结构件中采用与光纤环形谐振腔贴边内切摆放安装，在充分利用空间的同时最大程度减小光纤弯曲损耗，从而保证谐振式光纤陀螺的性能。
附图说明
图1是谐振式光纤陀螺小型化系统原理图；
图2是谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置结构示意图；
图3是谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置俯视图；
图4是谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置仰视图；
图5是谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置封装后的示意图；
图中：可调谐小型化激光器1、光学分光器2、第一路相位调制器3、第二路相位调制器4、输入端分光比为95%的磨抛型耦合器5、第一路起偏器6、第二路起偏器7、输出端分光比为95%的磨抛型耦合器8、光电转换模块9、信号处理电路模块10、结构件底座11、通孔12、结构件中部13、光纤环绕支架14、陀螺系统硬件模块支撑点15、光纤通孔16、结构件外壳17。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
 如图1所示，谐振式光纤陀螺小型化系统原理图包括由可调谐小型化激光器1、光学分光器2、第一路相位调制器3、第二路相位调制器4、光学环形谐振腔、光电转换模块9、信号处理电路模块10；可调谐小型化激光器1与光学分光器2相连，光学分光器2两路输出分别与第一路相位调制器3和第二路相位调制器4相连，第一路相位调制器3和第二路相位调制器4输出分别与光纤环形谐振腔相连，两路光纤环形谐振腔输出分别与光电转换模块9相连，光电转化模块9与信号处理电路模块10相连，信号处理电路模块10输出一路作为陀螺输出，另一路与可调谐小型化激光器1的调谐端相连；可调谐小型化激光器1、光学分光器2、第一路相位调制器3、第二路相位调制器4、光纤环形谐振腔、光电转换模块9、信号处理电路模块10安装在集成封装结构件中。光纤环形谐振腔是直径为9.2cm的透射式谐振腔，由输入端分光比为95%的磨抛型耦合器5、输出端分光比为95%的磨抛型耦合器10、第一路起偏器6和第二路起偏器7组成。
 如图2所示，谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，包括结构件底座11、结构件中部13和结构件上层。其中，结构件中部13为柱状，空心，内部用于安装可调谐小型化激光器1；结构件中部13一侧壁上有通孔12用于通可调谐小型化激光器1的电源和调谐端连接线；结构件中部2的顶部各对称安装第一路起偏器6、第二路起偏器7、输入端分光比为95%的磨抛型耦合器5和输出端分光比为95%的磨抛型耦合器8。结构件上层由柱状空心光纤环绕支架14构成，用于缠绕光纤，作为光纤环形谐振腔的一部分。
如图3所示，谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，光纤环绕支架14贴边内切安装第一路相位调制器3、第二路相位调制器4和光学分光器2三个光学器件，其中四个陀螺系统硬件模块支撑点15对称分布在光纤环绕支架14内部，其作用为支撑信号处理电路模块10和光电转换模块9，其中光纤通孔16贯穿结构件中部13和结构件上层，其作用是通半导体激光器的输出尾纤。
谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置各个光学器件以及硬件平台模块按照如图1-4所示对应连接与安装，完成安装以后，在谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置外层加上结构件外壳17，就构成了一个完整的谐振式光纤陀螺系统小型化集成装置，图5所示。当在可调谐小型化激光器1电源端加上5V电压时，激光器输出中心波长为1550nm线宽约为5kHz的激光，经过光学分光器2分成等功率的两束光：顺时针路和逆时针路。顺时针路激光经过第一路相位调制器3后进入光纤环形谐振腔。这里，光纤环形谐振腔的形式为直径9.2cm的透射式谐振腔，所用的光学器件有输入端分光比为95%的磨抛型耦合器5、输出端分光比为95%的磨抛型耦合器10、第一路起偏器6和第二路起偏器7。逆时针路激光经过光纤环形谐振腔以后通过光电转化模块9进行光电转换，再通过信号处理电路模块10进行调制解调，最后将解调输出经伺服回路去控制可调谐小型化激光器1输出光的频率，顺时针路解调输出作为陀螺输出。