[发明专利]一种空芯光子晶体光纤陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学陀螺仪表，特别涉及一种采用空芯光子晶体光纤的谐振型光纤陀螺仪表。

背景技术

光纤陀螺是一种全固态、真正静音的陀螺，具有可靠性高、寿命长、动态范围宽、抗冲击、抗振动、体积小、重量轻、适合大批量生产等特点，且可达到很高精度。但面向工程应用，光纤陀螺还存在温度敏感、噪声大、磁敏感以及抗辐射能力差等问题。通过优化的结构及热设计、更精细的光纤环的绕制、更完善的信号检测方案及有效的屏蔽技术，可以较好的解决这些问题，但这些技术和措施也使光纤陀螺更加复杂且不能取得好的效果。在环境变化时，特别是存在温度梯度时，陀螺的性能指标一般要降低一个数量级。为了保证高精度光纤陀螺在实际的环境中还能保持高精度，一些抑制和屏蔽措施被加入到光纤陀螺及其系统中，这些措施可以在一定程度上解决上述问题，但也带来了成本高、体积质量大、功耗高、启动时间长、可靠性低等问题。

谐振型光纤陀螺(RFOG)用多圈光纤形成光学谐振腔，集激光陀螺的多圈传输和光纤陀螺的多圈绕制特点于一身，可用较短(几十米)光纤制作高精度光纤陀螺，同等精度的情况下，其光纤长度可以缩短到干涉型光纤陀螺的1/10～1/100，尺寸可以比激光陀螺更小。尽管有许多人进行了长期的研究，但一直没有取得突破，最好的试验室研究的精度为0.4°/h。阻碍其向高精度和实用化方向发展的主要原因有：

(1)由光纤中非线性效应引起的Kerr效应和潜在的布里渊散射；

(2)由温度导致的应力变化引起的漂移；

(3)随机偏振耦合引起的偏振非互易。

在激光陀螺中，光在真空的谐振腔中传输，因此上述问题并不重要，在干涉型光纤陀螺中，采用宽谱光源可有效抑制Kerr效应和偏振非互易误差。但在谐振型光纤陀螺中，一直没有找到合适的方法解决这些问题，其主要原因是谐振腔由实心光纤实现，光纤的后向散射、Kerr效应、偏振耦合影响和温度系数都过大，而且在采用窄线宽激光光源时，这些问题更加严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种由空芯光子晶体光纤组成谐振环的谐振型光纤陀螺仪表装置；本发明提供的陀螺仪表可以解决目前光纤陀螺精度低，温度稳定性差、磁敏感和噪声大的问题，同时具备更好的抗辐射能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空芯光子晶体光纤陀螺，包含有可调窄线宽激光器，集成光学调制器，第一探测器，第二探测器第一保偏光纤耦合器，第二保偏光纤耦合器；其特征在于：还包含一个具有透射/反射功能的光耦合模块和一个由空芯光子晶体光纤围城的空芯光纤谐振环，空芯光纤谐振环两端分别与光耦合模块的输出端c和d相连；可调窄线宽激光器发出的激光通过集成光学调制器分成两等份；分别通过第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器后由光耦合模块的输入端a和b进入光耦合模块，再由光耦合模块的输出端c和d输出并注入空芯光纤谐振环中沿顺/逆时针方向传输；光耦合模块具备部分透射/反射功能，在光耦合模块和空芯光纤谐振环之间传输光形成顺/逆时针方向的谐振，同时谐振光小部分透过光耦合模块，分别通过第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器返回到第一探测器，第二探测器，根据两个探测器上检测到的信号，可测量顺/逆时针方向谐振光的频率差，通过检测电路可得到载体的角速度，实现陀螺仪表的功能。

所述的光耦合模块为一种微光学组件，由分别连接光耦合模块的输入端a和b的第一输入普通光纤和第二输入普通光纤、分别连接光耦合模块的输出端c和d的第一输出空芯光子晶体光纤和第二输出空芯光子晶体光纤、凸球面镜和支撑结构组成；支撑结构支撑凸球面镜和与之相连接的四根输入输出光纤；输入光分别经过第一输入普通光纤和第二输入普通光纤传输到凸球面镜，经过凸球面镜后分别汇聚并耦合进到第一输出空芯光子晶体光纤和第二输出空芯光子晶体光纤，然后进入空芯光纤谐振环，由第一输出空芯光子晶体光纤进入的光将由第二输出空芯光子晶体光纤输出，经过凸球面镜的凹面反射聚焦后再次进入第一输出空芯光子晶体光纤端，形成顺时针的多次传输光，由第一输出空芯光子晶体光纤进入的光形成顺时针的谐振，同理由第二输出空芯光子晶体光纤进入的光也会形成逆时针的谐振。

所述光耦合模块中的凸球面镜的一面为曲率半径较小的凸面、另一面为曲率半径较大的凹面；在凸球面镜的凹面镀有反射率大于96％，透射率小于4％的薄膜，实现光耦合模块的透射/反射功能。