[发明专利]光纤陀螺无源相位调制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学移相器件，尤其是涉及一种光纤陀螺用的无源相位调制器。

背景技术

在过去数十年陀螺或转速传感器在实际应用中已取得令人羡慕的成就，其光纤回路大多用有源偏置，即压电相位调制器(PZT)或集成光学块(Y波导器件)。尽管有源偏置光纤Sagnac干涉式陀螺在实用上成功，研究者对于在光纤陀螺干涉光路中尝试用无源偏置的努力从未中断过。这是因为，无源偏置器有其吸引人的方面，包括结构简单结实、低噪声、易于调谐(多数无需调谐，而由系统自行运行)、灵敏度高、长期工作稳定，以及低成本等。

早期旨在实现光纤陀螺无源偏置的尝试是利用3×3光纤耦合器，它是由三段常规单模光纤制成，同时起分光和Sagnac光纤回路无源偏置的作用。由此构成的传感器结构，其主要缺陷在于：单模光纤不具有保持光偏振态的功能，故使包含3×3单模光纤耦合器的光纤干涉型传感器不能稳定，以致不能实用。原理上3×3线保偏光纤具有探测并保持被测陀螺信号的功能。然而，到目前为止，制造3×3线保偏光纤耦合器在其三个主轴(通常指慢轴，由镜像对称应力区形成)调整为准确平行的工艺程序上，遇到极大困难。检索国际光电子器件的商品，实测耦合器通线偏光时其光纤臂消光比低于20分贝，因而在实际传感系统中不能符合实用要求。

另一在光纤Sagnac干涉回路中使用无源偏置技术是采用非互易法拉第旋光器。在这种应用中，首先将线偏振光转化为园偏振光，通过法拉第旋转器后再变换回线偏光。这种偏置方式遇到的最大困难是：要得到干涉仪低的相位精度，法拉第旋光器件的角度误差就要控制的非常精确。法拉第旋光器可以由永磁体来偏置也可以用外加电流的方式来偏置。法拉第旋光器永磁偏置方式的旋光精度要受外界温度等环境因素的影响，电流偏置方式的法拉第旋光器件的精度除了要受外界环境的影响外还要受电流本身控制精度的影响。由于法拉第旋光器件很难做到极高的精度，因此这种方式的相位偏置技术将带来Sagnac干涉回路较大的相位噪声。

本发明是在上述技术背景上所产生的，其着眼点是避免目前已有两种无源偏置的缺陷和技术困难。本发明的技术细节在以下“发明内容”和“具体实施方式”中将结合附图加以说明。

发明内容

针对光纤陀螺的发展需求和现有无源相位调制器的不足，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺用高精度、高可靠的无源相位调制器。此相位调制器在Sagnac干涉回路中的位置如图1所示。

图1所示为开环干涉式光纤陀螺仪的基本结构，从构成上分可以分为光源LD、探测器PIN、光纤耦合器C1和C2、起偏器P、保偏光纤环N等部分。本发明涉及的无源相位调制器L位于保偏光纤环的回路中。此无源相位调制器的作用是：从其两端入射进的偏振光产生固定的相位差，一般来说这个相位差被定为π/2，此时最有利于提高干涉仪的灵敏度。

图2为上述无源相位调制器的原理，其主要部件为：第一保偏光纤准直器CO1、第一法拉第旋光器件F1、四分之一波片Q、第二法拉第旋光器件F2、第二保偏光纤准直器CO2。

相位调制器各组成部件的特征为：第一法拉第旋光器件和第二法拉第旋光器件的旋向相反，并分别能使入射其上的线偏振光旋转45°；四分之一波片在第一法拉第选光器件和第二法拉第旋光器件之间，其光轴所在平面为入射光入射平面，光轴与入射线偏振光的偏振方向夹角为45°；两端的保偏光纤准直器起到与光纤陀螺保偏光纤环光路的连接作用。

波片所允许的两个振动方向，即两个主轴方向，波速快的那个主轴方向叫快轴，与之垂直的主轴叫慢轴。

根据以上的无源相位调制器原理，图2中左侧入射的线偏振光经过第一法拉第旋光器件后其偏振方向平行于四分之一波片的慢轴的方向，此偏振光通过四分之以波片后进入第二法拉第旋光器件，经过第二法拉第旋光器件的反向旋光后，其偏振方向又恢复了左侧入射光的偏振方向。同理，右侧入射的偏振光将以偏振方向平行于四分之一波片快轴的方向通过波片，然后通过第一法拉第旋光器件后恢复以前的偏振方向。

由于快轴和慢轴对应不同的折射率，这样就使从左右不同端口入射到无源相位调制器上的线偏振光能产生光程差，从而达到Sagnac干涉仪相位调制的目的。

上述使用四分之一波片的目的是使引入的相位差为π/2，使用其他类型的波片也能达到引入固定相位差的作用。此外，上述描述中，如果将四分波片的快轴改为慢轴同时将慢轴改为快轴，也就是对换四分之一波片的光轴位置，将不改变结果。

附图说明

图1为这种无源相位调制器在光纤陀螺中的使用示意图；

图2为这种无源相位调制器的原理图。