基于并行反馈的激光陀螺 本申请要求 2010 年 8 月 13 日提交的名称为 “基于并行反馈的光纤激光陀螺” 、 申 请号为 201010253821.8 的中国申请的优先权， 在此将其全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及通信技术领域， 更为具体地， 涉及一种基于并行反馈的激光陀螺。背景技术 高精度、 高稳定性惯导级光学陀螺是航天、 航海的制导、 稳像稳瞄等惯性测量系统 急需的核心部件。光学陀螺主要包括光纤陀螺和激光陀螺。激光陀螺在高精度陀螺市场上 占优势。但是激光陀螺的传感元件为气体激光器， 气体易泄漏， 寿命不如光纤陀螺长。激光 陀螺则因其谐振性而拥有更大的动态范围和更高的测量精度。光纤激光陀螺综合了光纤 陀螺与激光陀螺的优点， 它利用光纤的固态性能和激光器的谐振性， 具有动态范围大、 精度 高、 抗振动冲击性能好、 寿命长等特点。光纤激光陀螺的理论精度与传统 He-Ne 激光陀螺同 级， 可达到 0.100° /h-0.001° /h 惯导级水平， 且避免了气体激光陀螺制作时的超级工艺 难度 ( 如镀制 99.999 的高反射膜和密封技术 )。
光纤激光陀螺的工艺制作如同光纤陀螺， 通过并不复杂的光纤熔接和结构装配技 术， 即可获得激光陀螺的高精度。此外， 在同等高的精度下， 工作环的掺铒光纤长度只需十 几米， 而光纤陀螺则需要 2 ～ 4km 的保偏光纤， 光纤激光陀螺的成本远低于光纤陀螺和激光 陀螺。 而且， 光纤激光陀螺光学系统中需要电驱动的器件只有半导体泵浦激光器， 它的驱动 电压只需 3 ～ 5V， 而激光陀螺气体放电则需要几千伏电压， 因此光纤激光陀螺的功耗远小 于激光陀螺， 也略小于光纤陀螺。
光纤激光陀螺作为高精度陀螺， 其应用领域为航空、 航天、 航海及车辆的精确惯导 和陀螺罗经的场合， 如战机、 舰船、 火炮战车和各类航弹、 导弹的自主导航、 精确对准、 精密 仪器的稳瞄稳像和自行控制等系统。 同时它在民用领域如 ： 卫星、 民航飞机及汽车的导航定 向， 精密探测仪器的稳定等方面也有广泛的应用前景。
目前， 光纤激光陀螺的发展瓶颈在于 ： 由于现有的光纤激光器线宽普遍在 kHz 量 级， 从而导致光纤激光陀螺很难达到高精度。
图 1 示出了光纤激光陀螺的基本组成以及工作流程。如图 1 所示， 首先， 泵浦激光 器生成激光， 在经过光纤环形谐振腔后产生 Δλ ＝ 40nm 的宽带激光， 然后经过注入被动饱 和吸收 (δ 为 kHz 量级 ) 并利用窄带光学滤波器处理后， 通过模式竞争产生单模激光。此 后， 进行有源敏感头 Sagnac 效应相干探测， 利用 PIN 探测器进行光电变换获得电信号数据， 然后进行信号处理来输出 Ω 值， 由此实现光纤激光陀螺的角速度测量。
图 2 示出了光纤激光陀螺的基本结构。 如图 2 所示， 波长为 980nm 的泵浦光经波分 复用器 WDM 输入到环形谐振腔内， 掺铒增益光纤受泵浦光的激励产生中心波长为 1550nm、 谱线宽度为 40nm 的宽带激光， 分别沿顺时针 (CW) 方向和逆时针 (CCW) 方向传输， 偏振态由 偏振控制器 PC 控制。经过窄线宽光学滤波器滤波， 光谱线宽压缩为 kHz 以下， 当物体以某
一角速度旋转时， 环内顺时针和逆时针方向传输的两束激光在 Sagnac 效应的作用下产生 方向相反的频移 Δv， 通过一个光纤耦合器的耦合使两输出激光信号间产生拍频， 然后探测 器进行差频信号检测， 计算出物体的旋转角速度。频差为
等式 (1)窄线宽光学滤波器由掺铒增益光纤和光纤光栅构成， 其基本工作原理为信号光进 入掺铒增益光纤， 产生饱和吸收形成瞬态光栅， 对激光进行窄带滤波， 从而形成稳定的单模 窄线宽工作激光。这种方法简单有效， 是目前实现窄线宽的主要方式。但是， 这种方法实现 双向出光很复杂， 而且进一步压缩线宽要大幅度增长参铒光纤长度， 因此实现超窄线宽很 困难。 发明内容
本发明的目的在于提供一种基于并行反馈的激光陀螺， 该激光陀螺可以放大 Sagnac 效应， 同时大幅度提高精度。
在本发明中， 针对激光器的当前正反馈结构仅为单向反馈回路不能进一步提高激 光器性能的问题， 通过对比单环和复合谐振腔， 提出了并行多路反馈结构方案。 具体是利用 具有极多模式的多模光传输介质， 并由此形成基于并行反馈的激光陀螺。
根据本发明的一个方面， 提供了一种基于并行反馈的激光陀螺， 包括掺铒光纤放 大器、 F-P 腔滤波器、 单模光传输介质、 多模光传输介质、 90 ∶ 10 耦合器、 50 ∶ 50 耦合器以 及光电检测装置， 其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与 F-P 腔滤波器、 多 模光传输介质、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的直通端 接入所述环形腔， 两个耦合端作为双向光路输出端口， 所述 90 ∶ 10 耦合器的两个耦合输出 端连接 50 ∶ 50 耦合器的两个输入端， 50 ∶ 50 耦合器的输出端连接所述光电检测装置。
此外， 所述单模光传输介质和多模光传输介质分别是单模和多模光纤、 光波导或 光子晶体。
在所述多模光传输介质包括多段光传输介质时， 单模光传输介质和多模光传输介 质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构。
优选地， 所述多模光纤的外芯直径为 125μm， 内芯直径为 100μm。所述多模光纤 的长度为 5m。
此外， 优选地， 所述单模光传输介质包括多段单模光传输介质， 所述多模光传输介 质包括多段多模光传输介质。所述单模和多模光传输介质可以分别是单模光纤和多模光 纤， 所述多段多模光纤的外芯直径为 125μm， 内芯直径为 100μm， 且每段多模光纤的长度 为 5m。
有益效果
根据本发明提供的基于并行反馈的激光陀螺， 可以利用激光陀螺结构中所添加的 多模光传输介质来压缩线宽， 而无需大幅度增长掺铒光纤长度， 从而克服了现有窄线宽激 光器结构复杂和成本昂贵的缺点， 并且进一步大大压缩了线宽， 实现了超窄线宽激光输出， 根据本发明的激光陀螺的出射激光的线宽达到 15Hz， 其仿真结果甚至可以达到亚 Hz 量级， 由此大大提高激光陀螺的测量精度及降低成本。此外， 根据本发明的激光陀螺还可以放大萨格耐克效应。
为了实现上述以及相关目的， 本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而， 这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外， 本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。 附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容， 并且随着对本发明的更全面 理解， 本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中 ：
图 1 示出了光纤激光陀螺的基本组成与工作流程的示意图 ；
图 2 示出了现有的光纤激光陀螺的基本结构的示意图 ；
图 3 示出了并行反馈结构的示意图
图 4 示出了根据本发明的并行反馈光纤激光陀螺的最小结构的示意图 ；
图 5 示出了根据本发明的第一实施例的并行反馈光纤激光陀螺的结构的示意图 ；
图 6 示出了图 5 的并行反馈光纤激光陀螺的结构所测得的由于地球自转角速度所 导致的双向频差 ；
图 7 示出了根据本发明的第二实施例的并行反馈光纤激光陀螺的结构的示意图 ；
图 8 示出了图 7 的并行反馈光纤激光陀螺的结构所测得的由于地球自转角速度所 导致的双向频差 ；
图 9 示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输结构的示意图 ；
图 10 示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输结构的示意 图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。 具体实施方式
在进行根据本发明的并行反馈激光陀螺的实施例描述之前， 首先解释几个概念。 这里， 以光纤激光陀螺为例进行说明。
(1) 共腔结构。所谓共腔结构是指不同的谐振腔存在一段共同的谐振回路。通过 理论推导可以证明 ： 共腔结构可以使激光器有效实现锁模来稳定运行， 并且具有非常好的 抗干扰性能。
(2) 并行反馈回路， 是指在上面提出的共腔概念的基础上， 使光纤激光器中的正反 馈回路为多路并行， 通过不同回路之间光的相干叠加作用， 使得最后输出激光的波形有所 改善。通过仿真和实验证明 ： 采用多模光纤搭建的并行反馈激光器可以实现超窄线宽到 Hz 以下量级。而目前现有商用光纤激光器线宽都在 kHz 以上， 而且价格昂贵。
下面对与根据本发明的并行反馈光纤激光陀螺相关的工作原理进行详细说明。
1. 并行反馈结构的谐振原理
图 3 示出了并行反馈结构的示意图。对于双耦合器的 MZI 结构谐振腔， 在不考虑 偏振态、 熔接损耗和传输衰减且光源为单频的情况下， 其谐振选频原理推导如下 ：假设输入光强为其中 E2 ＝ 0。 其中 κ 是耦合系数。当
长度为 d 的耦合器传输矩阵为 因此得到 ：耦合器是 3dB 耦合器时，
由此， 得到等式 (2) 和等式 (3) ： 等式 (2) ；
等式 (3)， 其中 为传播常数， n 为光纤折射率。
若要求 E8 ＝ 0， 则需 ： 于是要求 β(L1-L2) ＝ 2kπ+π(k ∈ Z)。 由此， 得到等式 (3) ： 等式 (4)。谐振条件为 ： β(L1+L3) ＝ 2mπ， β(L2+L3) ＝ 2nπ+π， (m， n ∈ Z)。此时恰好也满 足的限制条件 β(L1-L2) ＝ 2kπ+π(k ∈ Z)。
假设第一条谐振回路的长度为 La ＝ L1+L3， 第二条谐振回路的长度为 Lb ＝ L2+L3， 则 对应的相位分别为 ：
由此， 谐振条件可等效地表示为 ： (m， n ∈ Z)。
因为谐振回路的长度之比为 r ＝ La ∶ Lb ＝ 2m ∶ (2n+1)，所以 FSR 复合＝ 2m×FSRa ＝ (2n+1)×FSRb。
在这种情况下， 增大 FSR 复合有两种方法 ： 一是使谐振回路的长度之比 r 趋近于 1 ； 二是使其中一个谐振回路的长度非常短。在第一种方法中， 由于复合谐振腔对外部干扰比 较敏感， 很难控制两个谐振回路的长度接近， 也很不稳定。 在第二种方法中， 假设 Lb ＜＜ La， 则最后 FSR 复合≈ RSRb。但是， 缩小其中一个回路的长度是有极限的， 工程上只能到 10cm 左 右， 这远远达不到要求。 共腔方式则克服了以上两个方式的缺点 ： 既能实现两个谐振回路的 差很小， 又能将两个谐振回路的差控制为稳定。 而并行反馈方式实际就是共腔方式的升级， 即多路共腔。
2. 激光器线宽与群速度关系
半导体激光器的线宽为 ： 其中 ： vg 是群速度 ； α 是半导体激光器的特有参数， Γw 为光限制因子 ； hv 为光子能量 ； nsp 是自发辐射因子 ； αi 是腔内损耗 ( 包括吸收、 衍射、 散射等 ) ； αm 是谐振腔损耗 ； P0 是输出光功率。
可见， 如果群速降低一个数量级， 则线宽将会降低两个数量级。 多模光纤由于传播 的模式数较多， 群速度随着模式的增加将会减小， 这对于压窄激光器线宽有很大作用。 基于 此， 提出利用多模光纤并行反馈方式来构建光纤激光陀螺。
3. 多模光纤有效模式数量
现以 Corning 公司生产的 62.5/125um 的渐变折射率多模光纤为例来对此进行说 明。数值孔径为 NA ＝ 0.200， 相对折射率差 Δ ＝ 1％， 则 n(0) ＝ 1.414， n2 ＝ 1.400。
由此可知， 当工作波长为 1550nm， 纤芯直径为 62.5μm 时， 归一化频率为 V ＝ 25.34。则 模式总数为 若是渐变型折射率多模光 则纤， 则有效传播模群为 11 个。若是阶跃型折射率多模光纤， 有效传播模群数为 15 个。
当纤芯直径为 100μm 时， 归一化频率为 V ＝ 40.53。则模式总数 型折射率多模光纤，
若是渐变型折射率多模光纤， 则有效传播模群为 19 个。若是阶跃 则有效传播模群数为 24 个。假设在谐振腔中可以有效传播的模式个数为 m， 则将 2 段 “单模光纤 - 多模光 纤 - 单模光纤” 结构级联起来时， 所产生不同通路个数有 m*m 个。这样， 将n段 “单模光 n 纤 - 多模光纤 - 单模光纤” 结构级联起来时， 独立的通路数为 m 个， 会随着级联段数急剧增 n 加。若将该级联结构环起来形成环形谐振腔， 将产生 m 个独立谐振回路。若将该级联结构 两端加上反射镜， 即形成线腔激光器结构， 将产生 mn*mn ＝ m2n 个独立谐振回路。 当谐振腔中 存在增益介质， 形成激光器时， 所产生激光需要同时满足所有谐振腔的限制条件， 从而所获 得的激光具有极窄的线宽。
4. 群指数公式
群指数是与群速度相对应的。所谓慢光是指群速度较小的光， 是在高色散器件和 媒质中存在的一种反常物理现象。在光纤通信中使用的光是以光脉冲的形式来传播信息， 而光脉冲的速度是光的群速度而不是光的相速度 (3e+8m/s)。 为了获得慢光， 需要较高的群 指数。
群指数和群速度之间的关系为 ：其中 ng 为群指数， υg 为群速度，τ(ω) 为延时， Φ 为相位， L 为总环长。
光在长度为 l 的介质中传播， 所产生的相移为 ： 这样可以得到群指数和相位之间的关系为 ：多模光纤由于能够传播多种模式， 不同模式的有效折射率相差很小， 不同模式之 间相互干涉， 通过对不同结构的仿真， 最大的群指数达到了 10 的 3 次方量级， 从而实现了选频和压线宽的作用。
下面结合附图对本发明的并行反馈光纤激光器的实施例进行详细说明。
图 4 示出了并行反馈光纤激光陀螺 400 的最小结构。如图 4 所示， 并行反馈光纤 激光陀螺 400 包括集成掺铒光纤放大器、 F-P 腔滤波器、 多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器、 50 ∶ 50 耦合器以及光电检测装置， 其中所述掺铒光纤放大器分别经由多段单模光纤与 F-P 腔滤波 器、 多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的直通端 接入所述环形腔， 两个耦合端作为双向光路输出端口， 所述 90 ∶ 10 耦合器的两个耦合输出 端连接 50 ∶ 50 耦合器的两个输入端， 50 ∶ 50 耦合器的输出端连接所述光电检测装置。通 过实验可知， 当多模光纤的内径直径越大时， 压缩线宽的效果也越好。在图 4 的结构中， 优 选地， 所述多模光纤的外芯直径为 125μm， 内芯直径为 100μm。 所述多模光纤的长度为 5m。 这里要说明的是， 多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它数值。
图 5 示出了根据本发明的第一实施例的并行反馈光纤激光陀螺 500 的结构的示意 图。如图 5 所示， 并行反馈光纤激光陀螺 500 包括集成掺铒光纤放大器、 F-P 腔滤波器、 4段 5m 长的 100/125μm 的多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器、 50 ∶ 50 耦合器以及光电检测装置， 其中 所述掺铒光纤放大器分别经由多段单模光纤与 F-P 腔滤波器、 4 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合 器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的直通端接入所述环形腔， 两个耦合 端作为双向光路输出端口， 所述 90 ∶ 10 耦合器的两个耦合输出端连接 50 ∶ 50 耦合器的 两个输入端， 50 ∶ 50 耦合器的输出端连接所述光电检测装置。这里， 所述多段多模光纤的 长度可以相等或不等， 优选为相等。多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用 其它数值。 这里， 所述多段单模光纤与所述多段多模光纤按照交替的方式耦合， 即按照单模 光纤 - 多模光纤 - 单模光纤的方式。
图 7 示出了根据本发明的第二实施例的并行反馈光纤激光陀螺 700 的结构的示意 图。如图 7 所示， 并行反馈光纤激光器 700 包括集成掺铒光纤放大器 EDFA、 F-P 腔滤波器、 7 段 5m 长的 100/125μm 的多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器、 50 ∶ 50 耦合器以及光电检测装置。 其中， 所述掺铒光纤放大器分别与 F-P 腔滤波器、 7 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形 成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的 90％的直通端接入所述环形腔， 两个耦合端作 为双向光路输出端口， 所述 90 ∶ 10 耦合器的两个耦合输出端连接 50 ∶ 50 耦合器的两个 输入端， 50 ∶ 50 耦合器的输出端连接所述光电检测装置。同样， 所述多段多模光纤的长度 可以相等或不等， 优选为相等。多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它 数值。同样， 所述多段单模光纤与所述多段多模光纤按照交替的方式耦合， 即按照单模光 纤 - 多模光纤 - 单模光纤的方式。
图 6 示出了图 5 的并行反馈光纤激光陀螺的结构按照下述方法测得的由于地球自 转角速度导致的双向频差的示图。
首先， 连接如图 5 所示的光路， 在该光路中连接有 4 段多模光纤。假设环形腔有效 2 面积约为 2m ， 则经计算对应此时地球自转 Sagnac 效应所引起的频差约为 7Hz。
然后， 将输出光路连接 PD 光电转换装置， 将电信号连接数字采集卡。随后， 打开掺 铒光纤放大器 EDFA 电源、 数字采集卡电源及计算机。调节掺铒光纤放大器 EDFA 功率旋钮， 当泵浦光功率为 11mW 时， 停止调整。 此时通过数字采集卡看到陀螺的双向频差为 11kHz， 如 图 6 所示。在图 6 中， 下方图是上方图的滤波后结果， 以便于观察。由此可见， 多段多模光纤串联的方式可以将地球自转引起的频差放大 3 个数量级。这与理论吻合， 群指数与频差 成正比关系， 当群指数达到 10 的 3 次方量级则频差被放大 10 的 3 次方量级。
图 8 示出了图 7 的并行反馈光纤激光陀螺的结构所测得的由于地球自转角速度所 导致的双向频差的示图。
首先， 连接如图 7 所示的光路， 在该光路中连接有 7 段多模光纤。假设环形腔有效 2 面积约为 2m ， 则经计算对应此时地球自转 Sagnac 效应引起的频差约为 7Hz。
然后， 将输出光路连接 PD 光电转换装置， 将电信号连接数字采集卡。随后， 打开掺 铒光纤放大器 EDFA 电源、 数字采集卡电源及计算机。调节掺铒光纤放大器 EDFA 功率旋钮， 当泵浦光功率为 21mW 时， 停止调整。将泵浦光功率设为 21mW， 这是因为串连多模光纤段数 越多， 损耗越大， 需要补充的能量越高。 此时通过数字采集卡看到陀螺的双向频差为 14kHz， 如图 8 所示。在图 8 中， 下方图是上方图的滤波后结果， 以便于观察。通过比较可知， 多段 多模光纤串联的方式将地球自转引起的频差至少放大 3 个数量级， 这与理论吻合。
通过比较图 6 和图 8 中的测量结果发现， 串联的多模光纤段数越多， 群指数越大、 压缩线宽效果越好， 且群指数与频差成正比关系。此外， 实验已经验证 ： 在环形腔的有效面 积相同时， 7 段多模光纤串联的结构比 4 段多模光纤串联的结构测量到的频差还要大。
如上以利用光纤作为光传输介质构成并行反馈光传输结构为例， 对根据本发明的 实施例进行了描述。本领域技术人员应该明白的是， 还可以采用光波导或者光子晶体作为 光传输介质构成并行反馈光传输结构。
图 9 示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输介质结构的示意 图。所述光波导可以包括介质薄膜波导、 介质带状波导和介质圆波导。这里所说的介质圆 波导实际上就是上述的光纤。
如同多模光纤一样， 多模光波导也可以具有多个传导膜， 从而可以传输多个传播 模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。
图 10 示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输介质结构的 示意图。
光子晶体是介电常数在光波长尺度上呈现周期性变化的一种人造晶体。 折射率的 周期性变化产生了光带隙结构， 从而控制着光在光子晶体中的运动。高低折射率的材料交 替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙。而周期的大小不同， 导致了一定距离大 小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
由于光被禁止出现在光子晶体带隙中， 所以能够自由控制光的行为。因此可以制 备出单模光子晶体和多模光子晶体。 同样， 多模光子晶体中可以多个传导膜， 从而可以传输 多个传播模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。
如上参照图 1 到图 10 描述了根据本发明的实施例的基于并行反馈的激光陀螺。 但 是， 本领域技术人员应当理解， 对于上述本发明所提出的基于并行反馈的激光陀螺， 还可以 在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此， 本发明的保护范围应当由所附的权利 要求书的内容确定。