[发明专利]一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺

说明书

本发明公开了一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、微纳光纤线圈、输入端尾纤、输出端尾纤、低折射率介质棒、分束器、1#光电探测器、2#光电探测器、1#锁相放大器、信号发生器、伺服控制模块、2#锁相放大器和解调模块。本发明利用基于多圈微纳光纤三维谐振腔作为谐振式光学陀螺的核心敏感单元，降低了成本；在信号检测方面，该系统采用单边频率调制解调的方案，在减小非互易性误差的同时，可以获得良好的线性工作区域。另一方面，该方案减少了谐振式光学陀螺的器件数量，降低了系统成本，缩减了系统体积，从而实现了谐振式光学陀螺低成本、微型化、高灵敏度、高精度的设计。

技术领域

本发明属于微型化谐振式光学陀螺的技术领域，具体涉及一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺。

背景技术

陀螺仪作为一种角速度传感器，在飞行器导航、导弹制导、舰船、潜艇和智能控制等领域都有很广泛的应用，是惯性导航系统的重要组成部分。随着科学技术的飞速发展，人们对陀螺仪的性能指标提出了更高的要求。比如在一些深空或深海探测等需要长期作业的领域，需要陀螺仪具有低功耗，高稳定性等性能；在小型飞行器、导弹制导等领域，需要陀螺仪具有高精度、微型化、抗高过载等性能；另外在医疗器械、智能机器人、灾难救援装备等智能控制领域，也迫切需要高精度、微型化、低成本的陀螺仪。光学陀螺相比传统的机械陀螺有许多独特的优势，比如抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、高稳定性等。激光陀螺和干涉式光纤陀螺都已经在航空航天，潜艇舰船等领域得到了广泛的应用，然而在上述需要陀螺仪具有微型化、低功耗、低成本等特殊领域，这两种光学陀螺并不适用。谐振式光学陀螺是集激光陀螺和干涉式光纤陀螺优势于一身的第三代光学陀螺，不仅具有高灵敏度、高精度等性能，而且可以满足微型化、低成本、低功耗、高精度的要求。采用微型环形谐振腔作为敏感单元的谐振式光学陀螺，可以做到芯片级大小。通常微型化谐振式光学陀螺采用集成光波导技术制作微型谐振腔。然而，集成光波导制作工艺复杂，价格昂贵，同时由于光波导环形谐振腔损耗较大，并且存在与光纤器件耦合损耗等问题，目前在实现高精度方面还存在较大困难。微纳光纤是指直径在微米甚至纳米量级的光纤，它是对光在微纳尺度上进行调控的优秀平台，也是连结微光光子学与宏观光学的桥梁。微纳光纤可以采用普通单模光纤高温拉制而成，其表面粗糙度可以达到原子尺度，传输损耗远低于同等尺度的集成光波导。同时，微纳光纤两端尾纤与普通光纤自然连接，不仅方便光波的耦合输入输出，而且耦合损耗极低，与现有的通讯系统具有良好的兼容性。光在微纳光纤中传输时，光场很大一部分能量以倏逝场的形式分布在光纤表面，利用这一特性可以制作出耦合结构，进行可以制作出微型谐振腔。这就为制作微型化、低成本、高精度、高灵敏度的谐振式光学陀螺提供了新的思路。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，采用低成本、低损耗的微纳光纤来制作微型谐振腔，在大大降低成本和体积的同时，可以获得超高的品质因数，使陀螺仪拥有超高灵敏度和精度。在信号检测方面，该谐振式光学陀螺采用单边频率调制方案，在减小非互易性误差的同时，可以获得良好的线性工作区域。同时，该方案减少了谐振式光学陀螺的器件数量，降低了系统成本，进一步减小了系统体积，从而实现了谐振式光学陀螺低成本、微型化、高灵敏度、高精度的设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多圈微纳光纤三维谐振腔的微型谐振式光学陀螺，包括可调谐激光器、隔离器、偏振控制器、相位调制器、微纳光纤线圈、输入端尾纤、输出端尾纤、低折射率介质棒、分束器、1#光电探测器、2#光电探测器、1#锁相放大器、信号发生器、伺服控制模块、2#锁相放大器和解调模块。