[发明专利]双倍增敏光路集成光纤陀螺

说明书

本发明实施例公开了一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，包括光路基板，光路基板上集成有光源、探测器、条波导调制器、光纤环、膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D，其中，所述起偏器与偏振分束器的偏振轴呈45度，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接。本发明在传统光路的基础上，引入偏振分束器、波片等器件，通过偏振转换的方案实现光程加倍，以加倍敏感性，将以上技术结合，制作双倍增敏光路集成光纤陀螺，可同时实现陀螺的集成化、小型化、低成本与高精度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种双倍增敏光路集成光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速度，是运动载体姿态控制和运动轨迹推算的核心传感器，被广泛的应用于飞行导航、汽车自动驾驶、机器人控制等多项重要领域。随着应用领域的拓展、市场规模的扩大以及光纤陀螺自身技术的发展，在高精度基础上实现低成本与小型化并可规模化生产，成为研究者追求的重要趋势。

光纤陀螺技术源自光学Sagnac效应，其干涉相位可由下式表示：

；

其中L为光纤的长度，D为光纤环的直径，λ为光源真空中的波长，c为真空中的光速，Ω为载体旋转角速度。由此可知，增长光纤有利于提升陀螺的灵敏度。但这无疑会增加陀螺的体积和成本。

保偏光纤中存在两个偏振面相互垂直的本征偏振态。光在保偏光纤环中一般沿其中的一个本征偏振态传输，即以S波或以P波的形式传输。若能控制光的偏振态让光先沿一个偏振态传输一圈，再沿另一个偏振态传输一圈，则可等效为将光程增加了1倍，从而在不增加光纤长度的情况下将陀螺的光学敏感性增加一倍。之前学者提出了偏振分束器加法拉第磁光反射镜的方案，可以实现光程的等效翻倍。但磁光器件价格高，且体积大，特别是针对小体积陀螺习惯采用850nm短波长系统，限于材料的磁光效应，体积巨大，这限制了此方案的实际应用。

此外，传统的光纤陀螺其光路系统多采用分立的光学元件逐一熔接而成，优点是方案灵活，但也带来体积大，器件价格昂贵的缺点，且分立器件逐一依赖手工熔接，难以组织规模化生产，此种生产模式与光纤陀螺爆发式的需求不匹配，需要提升光纤陀螺的集成化程度。

近年来，一种集成光学器件在光通讯领域广泛采用。此种器件通过光纤准直器将光纤中的光准直入空间光路。在准直器的瑞利长度之内，将微缩至毫米甚至亚毫米级的多个光路功能器件逐一安装在低膨胀基板之上，并整体气密封装，形成统一的光器件，解决了光路系统的小型化问题。同时，此种微小型光学器件一般采用规模化生产工艺如扩散、镀膜等方案制作而成，且装配过程多依赖自动化设备，因此在解决了规模化生产的同时，大幅降低了光路成本。整体的气密封装也有利于系统可靠性及稳定性的提升。此方案一般采用器件线性排布的一维光路，在陀螺中用之甚少。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，以实现陀螺的小体积、低成本以及高精度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种双倍增敏光路集成光纤陀螺，包括光路基板，光路基板上集成有光源、探测器、条波导调制器、光纤环，光路基板上还集成有膜片式耦合器、起偏器、偏振分束器、波片、反射镜、准直器A、准直器B、准直器C及准直器D，其中，所述起偏器放置于偏振分束器的入口处，且与偏振分束器的偏振轴呈45度以及与膜片式耦合器的直通端口相对应；准直器A和准直器B分别对应设在膜片式耦合器的入口端和反射端处，准直器D对应设在偏振分束器的直通端口处，波片和准直器C分别对应设在偏振分束器的两侧的出口处，波片与偏振分束器的偏振轴呈45度；光源、探测器、条波导调制器及光纤环均通过光纤分别与准直器A、准直器B、准直器C及准直器D连接，条波导调制器与光纤环对应连接，反射镜与波片对应平行设置。

进一步地，所述波片为由一片双折射晶体制成的1/4延迟波片。