干涉型光学纤维转动传感器里 比例系数稳定的装置和方法 本发明一般涉及在具有光源的、以给一光学纤维感测线圈提供反向传播的波的光学纤维转动传感器里提供稳定的比例系数的技术。本发明特别涉及通过稳定自光源到干涉仪的光信号的偏振和自干涉仪反馈到光源的光信号的偏振而稳定一光学纤维转动传感器里的比例系数的技术。
光学纤维转动传感器包括一光信号源，它提供反向传播的波给一包括一光学纤维感测线圈的干涉仪。传统的光信号源包括一激光二极管，它提供抽运光给一增益光学纤维。该增益光学纤维包括掺杂剂，它吸收抽运光，然后发射一适于传送给干涉仪的光信号。在该干涉仪里，一集成光路芯片与光学纤维感测线圈连接。传统的光学纤维转动传感器里的集成光路芯片包括诸如偏振器、调相器和一Y耦合器，它们用来处理和控制输入和来自光学纤维感测线圈的光信号。干涉仪的输出是在两个反向传播的波之间的相位差。通过用一比例系数除以该相位差可获得环绕其感测轴线地该线圈的转动速度。一光学纤维陀螺仪的比例系数(或Sagnac比例系数，SSF)可通过已知的公式获得：
SSF=2πLD/cλ
其中，L是感测回路的长度(包括线圈长度加上在Y耦合器或Y接点后面的集成光波导的长度)，D是有效线圈直径，c是在真空中的光的速度，而λ是“平均”或“干涉”平均波长。精确地测量光学纤维转动传感器需要一精确的和稳定的比例系数。
光学纤维陀螺仪的比例系数稳定性受光源和集成光路芯片之间的光学纤维里的光偏振状态的影响。光学纤维里的应力变化将引起由光学纤维引导的光的偏振状态变化。该应力可起源于机械的或温度的因素。偏振状态的任何变化将改变光学纤维转动传感器的比例系数，这是当光首先经过光源和集成光路芯片(一部分单模光学纤维和一部分偏振保持光学纤维制成的)之间的部分、然后经过偏振集成光路芯片本身时光的光滤过程造成的。这种光滤可导致短期比例系数不稳定和比例系数可重复性的长期退化。
本发明提供一种具有改进的比例系数稳定性的光学纤维转动传感器系统。本发明涉及可减少在一光学纤维转动传感器里的光源和干涉仪之间的光偏振状态变化的装置。本发明包括一光源和一掺杂增益光学纤维，光源包括一激光二极管抽运源，而掺杂增益光学纤维将高度相干抽运光转换成一宽光谱输出。一波分复用器(WDM)用来使来自激光二极管的抽运光与掺杂光学纤维有效耦合，使来自掺杂光学纤维的宽带光与光耦合器有效耦合。安装光耦合器以接受该光信号并提供该光信号给第一光学纤维。安装第一光学纤维以引导来自光耦合器的光信号沿着一光程朝向集成光路芯片，由此，来自增益光学纤维的光信号输入光学纤维感测线圈，在里面形成反向传播的波。反向传播的波经过感测线圈，然后在集成光路芯片里结合，形成一陀螺输出信号。一消偏振器安装在光耦合器和集成光路芯片之间的光程里，以便对光源信号消偏振，在其传播至干涉仪时防止其偏振状态的变化。如没有消偏振器，任意的环境波动通过偏振波长机构过滤前向光(光源到干涉仪)或后向光(干涉仪到光源)可能降低比例系数的稳定性。
在本发明的一个实施例里，消偏振器包括一安装在第一光学纤维上的Lyot消偏振器。
光学纤维转动传感器系统可进一步包括一安装在Lyot消偏振器和光耦合器之间的第一光学纤维上的光隔离器，该光隔离器容许第一光学纤维里的光从第一光耦合器传播到集成光路芯片，但防止光从集成光路芯片传播到增益光学纤维。
图1示意地描述了按照本发明形成的一光学纤维转动传感器的多轴实施例；以及
图2示意地描述了按照本发明形成的一光学纤维转动传感器的单轴实施例。
图1示意地描述了一实施本发明原理的光学纤维转动传感器。将由一光抽运源10输出的光输入一光学纤维12，该光学纤维将抽运光引导至一光耦合器14。光抽运源较佳的是一能发射或是1475nm或是980nm波长的激光二极管。光耦合器14较佳的是一波分复用(WDM)耦合器。授予Shaw等人的第4,556,279号美国专利公开了适合于作光耦合器14用的耦合装置。
抽运光由耦合器14输出并到达光学纤维16，而光学纤维16引导该抽运光至增益光学纤维18。耦合器14较佳的是能使约99％的抽运光与光学纤维16耦合。增益光学纤维18较佳的是一掺铒光学纤维。美国专利第5,231,465号(Huang等人)和第5,108,183号(Fling等人)公开了增益光学纤维。
增益光学纤维18吸收抽运光，抽运光激励掺铒剂，从而使其发射具有约1560nm波长的光。该发射光是一足够宽的光带，因而适于输入光学纤维转动传感器的感测线圈。1560nm波长的光在增益光学纤维18里被双向发射。双头箭头20表示由增益光学纤维18引导而被发射的1560nm光。沿与入射的抽运光相反方向发射的光如图1所示，从右面入射到波分复用器14上。然后，未被吸收的抽运光和发射后沿与抽运光相同方向传播的1560nm光从光学纤维22传播至光学元件23。抽运源10、光学纤维12、光耦合器14、光学纤维16、增益光学纤维18、光学纤维22和光学元件23一起构成光学纤维转动传感器的光信号源。
在本发明的一个实施例里，安装光学元件23，以便以最小的反射传送入射在上面的光，从而自光学纤维22射出。这种元件可以是角抛光的毛细管，破碎的光学纤维端部或其它适当的装置，以便防止1560nm波长的光和未吸收的抽运光反射到光学纤维22。在本发明的另一实施例里，反射器23反射入射在其上的1560nm波长的光，从而引导该一次增强的光返回到增益光学纤维18。这将增加被输入波分复用器14的1560nm波长光的强度。光学元件可以是一反射器，它一般包括一分色镜，以防止未吸收的抽运光被反射。本发明的第一实施例被称为“单程掺铒光学纤维光源”，而第二实施例被称为“双程掺铒光学纤维光源”。
在这两个实施例里，1560nm波长光信号然后通过耦合器14，该耦合器将大约99％的1560nm波长光耦合在光学纤维24里。光学纤维转动传感器包括使在增益光学纤维18和一集成光路芯片37之间传播的光信号消偏振的装置。使在增益光学纤维18和集成光路芯片37之间传播的光信号消偏振的装置可包括位于光学纤维24上的Lyot消偏振器25。消偏振器25的适当结构在现有技术中是已知的。消偏振器25较佳的是如图1所示那样设置。然而，在其它实施例里，消偏振器25也可位于位置32或36处。
一光隔离器27可位于光学纤维24上，或在消偏振器25之前，或在消偏振器25之后。安装隔离器27可容许在光学纤维24里的、来自光耦合器14的光传播到光耦合器26，而阻止在光学纤维24里的、来自光耦合器26的光沿反方向传播到光耦合器14。本发明的第三实施例是通过使用具有上面所述的单程掺铒光学纤维光源的隔离器27实现的。本发明的第四实施例是通过使用具有双程掺铒光学纤维光源的隔离器27实现的。
可将通过光学纤维24传播的光输入光耦合器26。光耦合器26对于单轴转动传感器不是必需的，是可省略的。然而，光耦合器26提供了操纵具有单光源的两轴或三轴光学纤维转动传感器系统的可能性。如图1所示，光耦合器26提供信号输出给许多光学纤维28-30，因此，本发明可用作一轴、两轴或三轴装置。为了简单明了，只详细地显示了单轴光学纤维转动传感器53的结构。
传感器53可包括一位于光学纤维28上的位置32处的Lyot消偏振器。光学纤维28将光信号引导至多路复用器(MUX)34，在其最简单形式里，它可包括一在现有技术中已知的瞬逝场四端口光耦合器。MUX34的耦合比通常约是50％。这种耦合器已经在前面提到的、授予Shaw的美国专利里公开。
MUX34提供光输出给光学纤维35。光学纤维转动传感器可包括一在光学纤维35上的Lyot消偏振器36。光学纤维35将Lyot消偏振器36输出的光引导至一多功能集成光路芯片37。多功能集成光路芯片37包括三个光波导38-40，它们相交成一Y耦合器42。包括光波导38-40和Y耦合器42的集成光路芯片37的适当结构已由第5,037,205号(Pavlath)和第5,046,808号(Chang等人)美国专利公开。光波导38接受来自光学纤维35的光，并将其引导至Y耦合器42，然后，它在光波导39和40之间分开输入光。
光波导39和40通过光学纤维抽头44和46将光信号提供给光学纤维感测线圈48。感测线圈48较佳的是由第4,997,282号美国专利(Pavlath)公开的单模光学纤维制成的。该线圈也可由第5,260,768号美国专利(Cordova等人)公开的偏振保持光学纤维制成。
通过光学纤维抽头44输入感测线圈48的光形成一在感测线圈48里的顺时针方向光波。同样的，通过光学纤维抽头46输入感测线圈48的光形成一在感测线圈48里的逆时针方向光波。顺时针方向光波和逆时针方向光波在感测线圈48里形成一干涉图。在经过感测线圈48后，顺时针方向和逆时针方向的光波在Y耦合器42里结合，产生感测线圈48的光信号输出。该结合的光波产生一干涉图，它显示了在顺时针方向光波和逆时针方向光波之间的相位移的量。而相位移量表示转动速度。
在经过光波导38和Lyot消偏振器36后，该结合的光波在光学纤维35里传播到MUX34。然后，MUX34将来自集成光路芯片37的一半的光信号输出耦合在光学纤维50里。然后，光学纤维50将光信号引导至检波器52，检波器将感测线圈48的光信号输出转换成电信号，它可进行处理以确定转动速度。
在现有技术的光学纤维陀螺仪、即没有消偏振器25的陀螺仪里，比例系数的稳定是通过两个均包括偏振波长过滤的过程产生的。在第一或前向过程里，来自光耦合器14并朝向集成光路芯片37的光的偏振状态由在任一单模光学纤维元件16、24、26、28、34和/或35里的应力(扭曲，弯曲，温度变化等)改变。在集成光路芯片37里的偏振过滤后面的光偏振状态的这种改变导致一平均的波长误差(或比例系数误差)，这是因为在偏振状态的这些变化对环境是敏感的，它们会随温度和其它环境参数而改变。插入消偏振器25将稳定光的偏振状态，从而消除比例系数误差。
第二或后向过程可说明如下。从集成光路芯片37返回到增益光学纤维18的光在增益光学纤维18里被放大和散射。然后，一些散射光入射在WDM耦合器14上，接着，耦合器14开始一反馈处理，其中，已经经过感测线圈48的光回射到感测线圈48。在现有技术的光学纤维转动传感器里，光反馈返回到带有任意偏振状态的干涉仪。该偏振随施加在朝向感测线圈48的光程里的单模光学纤维上的应力(由于扭曲、弯曲、温度变化等)而变化。再通过在集成光路芯片37里的调相器而进一步作用在该信号上。因此，比例系数的稳定性由于反馈光和主光信号一起产生的双陀螺效应而得到提高。
本发明的原理可应用于一多轴光学纤维转动传感器系统，它包括分别与光耦合器26上的引出线29和30连接的传感器54和56。传感器54和56可是与光学纤维28连接的装置53相同的装置。在一多轴光学纤维转动传感器系统里，与消偏振器32和36之一对应的消偏振器(未画出)可包含在各轴的传感器里。
如前面所述的，在单轴陀螺仪里包含Lyot消偏振器25有两个目的：首先，它稳定前向光(从光源到干涉仪)的偏振，其次，它还稳定后向光(从干涉仪到光源)的偏振。因为消偏振器25，光偏振对作用在陀螺仪的单模光学纤维部分上的环境波动很不敏感。
此外，在一两轴或三轴系统里，消偏振器25可稳定一返回到光源的、然后(通过前面所述的散射处理)反馈到其它线圈的、感测线圈引出线的光偏振。
图2描述了一按照本发明的单轴光学纤维转动传感器。图1和2基本上是相同的，除了图2省略了光耦合器26、光学纤维29和30、以及传感器54和56。图2不同于图1的地方还有，隔离器27和消偏振器25的位置被互换。隔离器27和消偏振器25的互换对于单轴光学纤维转动传感器来说并非必需的。图1和2所示的消偏振器25和隔离器27的两个交替的位置只是为了显示这两个装置的位置是可以互换的。
在单轴光学纤维转动传感器里，在光耦合器26和多路光耦合器34之间的Lyot消偏振器32和在多路光耦合器34和集成光路芯片37之间的Lyot消偏振器36可用来代替Lyot消偏振器25。一两轴或三轴系统较佳的是包括消偏振器25。
在一个包括隔离器27的实施例里，仍需要消偏振器来稳定前向光的偏振。在这种情况下，由于光被隔离器27抑制，因而不需要稳定后向光的偏振。