【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，尤其涉及一种双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺。
技术介绍
1、光纤陀螺用于敏感载体的旋转角速度，是载体惯性导航、姿态稳定、运动控制的核心传感器。光纤陀螺工作原理基于旋转sagnac效应，如式（1）所示。
2、（1）
3、其中，为由旋转产生的sagnac相位，即在光纤环中顺逆传输两束光的相位差。对于以光纤为媒质的传统光纤陀螺 l为光纤环长，对于光子芯片陀螺 l为敏感波导环的长度； d为敏感波导环的等效直径； λ为工作波长；c为真空中光速， ω为旋转角速度。由式以可以看出，sagnac干涉相位正比于旋转角速度，敏感环长度越长，包围面积越大，同样的旋转角速度下，sagnac相位差越大。通过对相位差干涉强度的检测可以实现旋转角速度。干涉光强 i可以用式（2）表示。
4、（2）
5、其中， i0为输入光强度，为用于增加干涉解调灵敏度而人为增加的调制相位，其幅度可以为π/2，3π/4，7π/8等。以-π/2调制相位为例，式（2）可以简化为：
6、 （3）
7、由式（3）可以看出，在不使用跨干涉条纹解调的情况下，光纤陀螺的单调解算区间仅为[-π/2, π/2]。鉴于光纤陀螺一般采用宽谱光源，其相干长度较短
8、将= ±π/2代入式（1）可以得到最大测量角速度 ωmax为，
9、 （4）
10、在工作波长确定的情况下，敏感波导环长度越短，包围面积越小则最大测量角速度越大。以普遍采用的1310nm工作波长为例，等效包围直径20mm（包围面积过小则弯曲损耗会明显增大），代入式（4）可以计算得到，要使陀螺仪的测量范围超过300转/s（对应1884rad/s），敏感环的等效长度 l应小于2.5m，对应该波导的本征调制频率 f计算如下：
11、 （5）
12、其中，n为波导的折射率，光纤为1.46，铌酸锂则约为2.2；c为真空中光速。计算可得，2.5m等效长度的波导需要调制频率超过40 mhz。调制频率越高，控制电路频率与检测频率也随之提高，而这都会带来陀螺信噪比的下降。
13、大动态范围要求陀螺缩短波导长度，而单纯的缩短波导长度会导致陀螺信噪比下降，这种矛盾导致利用传统光纤陀螺架构实现超高转速测量非常困难。
14、此外，低成本、小型化是光纤陀螺发展的永恒主题。特别是对于高自旋系统，要求传感器体积更小，重量更轻，无连接点高可靠，并且价格便宜。传统的光纤陀螺使用分立的光纤器件，逐一熔接制作而成。生产效率低、器件体积大，并且过多的熔点也带来了高自旋下的可靠性问题。
技术实现思路
1、本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，以实现超高转速的测量。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提出了一种双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，包括光子芯片、光源、信号检测电路以及2组探测器，光子芯片上集成有模式转换器、第一分束器、两路对等干涉光路，模式转换器将光源出光的模场转换为光子芯片上的波导模场，进入芯片的光被第一分束器分束，各一半的光分别进入两套干涉光路；干涉光路包括依次连接的第二分束器、偏振器、第三分束器、波导环，波导环上设置相位调制器，相位调制器在波导环上附加预设调制相位；2组探测器分别测量两路干涉光路的干涉信号的光强，并送至信号检测电路检测处理。
3、进一步地，信号检测电路根据下式计算旋转角速度 ω：
4、；
5、其中， i1、 i2分别为2组探测器所测量的干涉信号的光强， k1、 k2分别为两路干涉光路的波导环的光学标度因数。
6、进一步地，两路干涉光路的波导环的光学标度因数满足：
7、；
8、；
9、；
10、其中， ωmax为预设的最大角速度， l1、 l2分别为两路干涉光路的波导环的波导长度， d1、 d2分别为两路干涉光路的波导环的波导包围直径，c为光速。
11、进一步地，光源与光子芯片耦合对准，并贴装与光子芯片侧边。
12、进一步地，偏振器采用弯曲波导，利用te光和tm光弯曲损耗不同的原理，实现tm光的滤除，并保留te光低损传输。
13、进一步地，所述光子芯片的波导层采用薄膜铌酸锂材料。
14、进一步地，波导环采用脊波导结构，相位调制器采用push-pull结构。
15、进一步地，第一分束器和第三分束器为等振幅分束器，采用1×2多模干涉型结构。
16、进一步地，模式转换器设于光子芯片端面。
17、本专利技术的有益效果为：
18、1、本专利技术利用两只波导环干涉强度的差分解算，实现超高转速的解算，且无需缩短单只波导环长度，保证每一只波导环的低调制频率及高信噪比。
19、2、本专利技术通过采用单片集成的光子芯片，取代传统光纤陀螺中逐一制作和逐一装配的离散器件，结合cmos制造的光电子光刻工艺，显著提高了生产效率，缩小了产品体积，并降低了产品成本。
20、3、本专利技术采用薄膜铌酸锂作为光子芯片的基底材料，实现光波的传播、模场及相位控制，并完成两支干涉波导环的集成。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，包括光子芯片、光源、信号检测电路以及2组探测器，其特征在于，光子芯片上集成有模式转换器、第一分束器、两路对等干涉光路，模式转换器将光源出光的模场转换为光子芯片上的波导模场，进入芯片的光被第一分束器分束，各一半的光分别进入两套干涉光路；干涉光路包括依次连接的第二分束器、偏振器、第三分束器、波导环，波导环上设置相位调制器，相位调制器在波导环上附加预设调制相位；2组探测器分别测量两路干涉光路的干涉信号的光强，并送至信号检测电路检测处理。
2.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，信号检测电路根据下式计算旋转角速度Ω：
3.如权利要求2所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，两路干涉光路的波导环的光学标度因数满足：
4.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，光源与光子芯片耦合对准，并贴装与光子芯片侧边。
5.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，偏振器采用弯曲波导，利用TE光和TM光弯曲损耗不同的原理
6.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，所述光子芯片的波导层采用薄膜铌酸锂材料。
7.如权利要求6所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，波导环采用脊波导结构，相位调制器采用push-pull结构。
8.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，第一分束器和第三分束器为等振幅分束器，采用1×2多模干涉型结构。
9.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，模式转换器设于光子芯片端面。
...【技术特征摘要】
1.一种双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，包括光子芯片、光源、信号检测电路以及2组探测器，其特征在于，光子芯片上集成有模式转换器、第一分束器、两路对等干涉光路，模式转换器将光源出光的模场转换为光子芯片上的波导模场，进入芯片的光被第一分束器分束，各一半的光分别进入两套干涉光路；干涉光路包括依次连接的第二分束器、偏振器、第三分束器、波导环，波导环上设置相位调制器，相位调制器在波导环上附加预设调制相位；2组探测器分别测量两路干涉光路的干涉信号的光强，并送至信号检测电路检测处理。
2.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，信号检测电路根据下式计算旋转角速度ω：
3.如权利要求2所述的双环差分式超高转速光子芯片光纤陀螺，其特征在于，两路干涉光路的波导环的光学标度因数满足：
4.如权利要求1所述的双环差分式超高转速光子...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓麟，
申请(专利权)人：广东奥斯诺工业有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。