专利名称：自注入锁定光纤激光陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学陀螺，尤其涉及光纤激光陀螺。
高性能光纤激光陀螺有两个关键要求①增益介质应能提供方向性增益，以避免相向传输的激光产生增益竞争；②后向散射必须可以忽略，以消除闭锁效应。目前已提出的光纤激光陀螺，如中国专利申请CN1320821A“环形光纤激光陀螺”，其核心是窄线宽的单频光纤激光器，它利用马赫—曾得干涉仪多级滤波来实现光纤激光器单频工作，将两路信号激光从空间上分开、以避免因共用增益而出现顺时针和逆时针两路信号激光的竞争。但是，单级马赫—曾得干涉仪的滤波带宽相对较宽，需要使用多级马赫—曾得干涉仪及腔长控制器，使得环形腔结构较复杂，精度及灵敏度受到影响。
本发明通过以下方式来实现自注入锁定光纤激光陀螺由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其中光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成，具体结构为将两个带尾纤的半导体激光器LD1和LD2分别通过波分复用器WDM1和WDM2与DFB的两端连接；然后WDM1和WDM2分别与隔离器I1和I2、增益光纤GF1和GF2相连，I1和I2、GF1和GF2再分别与光纤耦合器C1和C2各自相连，组成带增益的、方向相反的两个光纤环；光纤耦合器C1和C2的一个输出端再分别与光纤耦合器C3的两个输入端相连接，C3的两个输出端分别与探测器PD1和PD2相连，PD1或PD2再与差频信号处理电路连接。
也就是说，本发明是通过具有自注入锁定作用的光纤激光器的拓扑结构来构成光纤激光陀螺的，即作为光纤激光陀螺核心部件的光纤激光器是双向自注入锁定的单频光纤激光器(其具体结构如图所示)。它是利用两个带尾纤的半导体激光器LD1和LD2作为泵浦源、为单频分布反馈光纤激光器DFB提供泵浦功率，然后从相反方向各自注入到一个光纤环中，再将反向运行并锁定的信号激光从光纤环中取出进行探测与处理。两个光纤环的泵浦功率也由LD1和LD2分别提供。LD1和LD2分别通过波分复用器WDM1和WDM2与DFB的两端连接，LD1和LD2的波长视DFB所采用的增益光纤(或称有源光纤)中工作物质的吸收峰而定，通常的泵浦波长有650nm、780nm、800nm、915nm、980nm及1480nm等，输出功率一般选择大于100mW为宜；DFB是直接制作在增益光纤上的，增益光纤应选用高掺杂的稀土掺杂光纤或其他掺杂光纤(如掺杂量为800ppm以上的掺铒或掺镱光纤)，其长度一般为3～10cm左右，能向两个光纤环提供相向稳定的单纵模种子激光(DFB输出波长的谱线半宽度应小于光纤环的纵模间距)；WDM1和WDM2具有相同的特性参数，针对泵浦源波长和信号激光的工作波长而选择。波分复用器WDM1、隔离器I1、光纤耦合器C1以及增益光纤GF1之间通过单模光纤相连、形成一个光纤环1，波分复用器WDM2、隔离器I2、光纤耦合器C2以及增益光纤GF2之间亦通过单模光纤相连、形成另一个光纤环2，两个光纤环各自组成带增益的环形腔，它们的方向相反、也就是隔离器的方向使得在两个光纤环中产生的信号激光的运行方向相反。其中，两个隔离器I1和I2也是具有相同的特性参数，其回波损耗针对信号激光波长超过60dB；两个光纤环内所采用的增益光纤与DFB中的材质相同，其长度一般根据光纤特性和具体应用环境而定，可从几个厘米到几米中作出选择，只要能使光纤环中产生信号激光即可；光纤环(即环形腔)的长度通过单模光纤进行调整，一般从几米到几十米便能满足较高的应用精度要求(两环形腔的腔长应略有差别，使得两腔中的激光工作频率存在一频率差)。两个光纤环中的光纤耦合器C1和C2的一个输出端再分别与另一个光纤耦合器C3的两个输入端相连接，C3的两个输出端则分别与探测器PD1和PD2相连，PD1或PD2再与差频信号处理电路连接。C1和C2的耦合比选择均为98∶2，C3的耦合比选择为1∶1即3dB；探测器可选择通常的PIN光电探测器或雪崩光电探测器。
本分明的工作过程如下在两个半导体激光器的泵浦下，两个带增益光纤的光纤环形成了两个各自独立的谐振腔。通过DFB分别向两个光纤环中注入种子激光，将两个谐振腔中的工作波长锁定。锁定的信号激光的波长分别由两个环形腔的谐振条件和DFB的波长决定；在两个光纤环形腔中分别加入的隔离器使信号激光工作在单向行波状态，在一个环中激光传输方向为顺时针方向，在另一个环中激光的传输方向为逆时针方向；信号激光单向行波工作消除了光纤环内均匀展宽增益介质(即增益光纤)中引起的空间烧孔现象，加上DFB的注入锁定，使两个环形腔中的激光工作在线宽很窄的稳定单纵模状态；而且由于隔离器的回波损耗可做到大于60dB，可很好地消除因后向散射而造成的闭锁效应。两个环形腔输出的单纵模信号激光由于DFB的注入锁定而保持位相恒定，成为两相干光，因而可采用差频信号进行检测；两信号激光的工作频率由于光纤环腔长略有差别而存在一频率差，这个初始频率差既可以用来消除因信号激光本身具有一定的线宽而带来的测量盲区以提高测量精度，也可用来判断转动角速度的方向。
假设静止时一个环中信号激光的工作频率为ν1，另一个环中信号激光的工作频率为ν2，则当环沿顺时针以Ω的角速度旋转时，根据Sagnac效应，两信号激光的频率将变为ν1′＝ν1+(2A1/λ0L1)Ω 〔1〕ν2′＝ν2-(2A2/λ0L2)Ω 〔2〕式中，A1和L1分别为环1的面积和长度，A2和L2分别为环2的面积和长度，λ0为激光在真空中的波长(由于两激光初始的频率差很小，认为它们静止时的工作波长相同)。
则转动后，两信号激光的频率差为Δν＝ν2′-ν1′＝(ν2-ν1)-(2A2/λ0L2+2A1/λ0L1)Ω 〔3〕当光纤环以Ω的角速度沿逆时针旋转时，则两信号激光的频率变为ν1″＝ν1-(2A1/λ0L1)Ω〔4〕ν2″＝ν2+(2A2/λ0L2)Ω〔5〕则两信号激光的频率差为Δν＝ν2″-ν1″＝(ν2-ν1)+(2A2/λ0L2+2A1/λ0L1)Ω 〔6〕则由〔3〕和〔6〕两式可知，通过差频检测两激光的频差，即可测量转动角速度；而且，转动方向不同时频差也不相同，因此还可根据频差判断转动方向。
本发明的优点为1、DFB产生的种子激光注入分别产生顺时针和逆时针两个方向的单频激光。不仅将两相向传输的信号激光在空间上分离开来，使之没有共用增益，可以产生稳定的双向信号激光输出；而且，利用注入锁定将两信号激光的位相保持恒定，互为相干光，使之可采用差频检测。
2、采用隔离器抑制后向散射(超过60dB)，可消除闭锁效应，同时也消除了增益介质的空间烧孔效应，压窄了信号激光的工作线宽，从而提高了陀螺的灵敏度及测量精度。
3、通过调节两个光纤环的长度差，直接实现光纤激光陀螺的移频而无需其它的附加元器件，不仅使两激光具有初始的频差，既有利于转动角速度测量精度的提高，还可根据频差判断转动方向；而且还大大简化了陀螺的结构。
4、由于DFB的注入锁定，使得信号激光的频率变化斜率大，灵敏度高，仅需要几米就能达到导航要求(例如光纤环腔长5m即可达到10-3的测量精度)，因而检测精度高、动态范围大。
5、整个陀螺为全光纤固化结构，所用元器件均为常用部件、无特殊要求，因而结构简单、制作容易，而且功耗小、寿命长、体积小、重量轻。
6、由于腔长较短，还使温度分布不均匀引起的漂移可以忽略不计、机械震动产生的影响很小，因而具有很高的稳定性。
本发明可适用于卫星、飞机、舰船、汽车等的定向、定位、导航。由于它具有很高的精度、灵敏度和稳定性，因此适合于卫星惯性导航和飞行姿态调整；也可作为航天飞行器高精度自主定轨、自动导航的重要惯性导航设备或装置。
权利要求
1.一种自注入锁定光纤激光陀螺，由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其特征在于光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成，具体结构为将两个带尾纤的半导体激光器LD1和LD2分别通过波分复用器WDM1和WDM2与DFB的两端连接；然后WDM1和WDM2分别与隔离器I1和I2、增益光纤GF1和GF2相连，I1和I2、GF1和GF2再分别与光纤耦合器C1和C2各自相连，组成带增益的、方向相反的两个光纤环；光纤耦合器C1和C2的一个输出端再分别与光纤耦合器C3的两个输入端相连接，C3的两个输出端分别与探测器PD1和PD2相连，PD1或PD2再与差频信号处理电路连接。
全文摘要
本发明涉及光学陀螺，尤其涉及光纤激光陀螺。它由光纤激光器及探测器、差频信号处理电路组成，其特征在于光纤激光器由带尾纤的半导体激光器、单频分布反馈光纤激光器DFB、光纤环、光纤耦合器组成，而光纤环则由波分复用器、隔离器、增益光纤及光纤耦合器组成。两个带增益光纤的光纤环形成了两个各自独立的谐振腔，DFB分别向其中注入种子激光、将其工作波长锁定，隔离器则使激光工作在单向行波状态，且一个环中的激光传输方向为顺时针方向、另一个环中的激光传输方向为逆时针方向。本发明消除了均匀展宽增益介质中的空间烧孔现象以及因后向散射而造成的闭锁效应，并使两个环形腔中的激光工作在线宽很窄的稳定单纵模状态。可采用差频信号进行检测。
文档编号G01C19/66GK1448697SQ0211284
公开日2003年10月15日 申请日期2002年4月3日 优先权日2002年4月3日
发明者许立新, 明海, 谢建平, 王安廷, 黄文财, 吴云霞 申请人:中国科学技术大学