谐振式集成光学陀螺噪声分析与实验研究

针对目前谐振式集成光学陀螺(IORG)输出检测精度与其理论极限灵敏度存在两个数量级差别的情况,分析了IORG系统中存在的主要噪声源;搭建了基于单光路锁频和单光路输出的IORG噪声分离系统;分别对无光情况下信号检测系统中各部分的噪声以及陀螺静态频率锁定情况下各部分的噪声影响进行了测试与分析;得到了系统的噪声分布情况。实验结果表明:光路噪声以及包括探测器热噪声和散粒噪声的电路固有噪声为系统的主要噪声源。     

谐振式光学陀螺环形谐振腔内背向反射研究

背向反射是谐振式光学陀螺(ROG)中的主要噪声之一.通过光波场叠加的方法,建立了环形谐振腔内的单点反射模型,得到系统中背向反射噪声引起的系统标度因子误差与环形谐振腔内反射参数的解析表达式.利用该表达式,通过Matlab进行数值拟合,分别对谐振式光纤陀螺系统(R-FOG)和谐振式微光学陀螺系统(R-MOG)中的背向反射噪声进行理论分析和比较.实验中,通过一定的措施抑制了系统中的背向反射噪声,分别得到R-FOG和R-MOG系统的开环输出信号.通过理论分析和实验验证背向反射噪声在R-MOG中的影响较大.为ROG中背向反射噪声的抑制及ROG系统的搭建提供了理论和实验依据.     

谐振式微光学陀螺偏置频率调制技术研究

谐振式微光学陀螺(RMOG)是一种基于光学Sagnac效应的新型角速度传感器.提出了基于模拟波形连续线性相位调制技术的偏置频率调制.与传统的双频率锯齿波调制以及数字调制方法相比,偏置频率调制消除了由于锯齿波回扫或数字波形中的台阶效应引入的脉冲噪声.从理论上推导了连续线性相位调制波形参数与陀螺的动态范围和灵敏度的关系,得...     

集成光学光纤陀螺的噪声分析

集成光学光纤陀螺以其体积小、重量轻、以及高的调制频率与消光比引起了国际上的广泛重视。深入研究光纤陀螺的噪声特性,对于降低零漂是极为重要的。通过广泛调研,从光源、光纤环与集成光学芯片、电路、以及外界环境的角度,详细的论述了各噪声源产生的机理、特征和一些抑制噪声的办法。简要的提出了一种利用负反馈补偿零漂的方法     

光纤陀螺中的多功能集成光学芯片

介绍了多功能集成光学芯片在光纤陀螺中的应用。在光纤陀螺中采用了多功能集成光学芯片后 ,可以大大简化光纤陀螺系统的结构 ,缩小光纤陀螺的体积。光纤陀螺中的一些器件如相位调制器和光学开关、消光器甚至光波导谐振腔都可以集成在一个多功能集成光学芯片上。这样可以提高光纤陀螺的性能 ,增加其稳定性和可靠性 ,在某些特殊的设计中还可以对陀螺系统的误差进行补偿。     

谐振式微光学陀螺不同调制方式下背向反射噪声分析

建立了基于反射式光波导环形谐振腔的谐振式微光学陀螺背向反射噪声分析模型,仿真分析了背向反射噪声强度项和干涉项在系统互易和非互易时的影响。比较了不同调制方式下,谐振式微光学陀螺系统中背向反射噪声的抑制情况,研究表明,分频调制下载波抑制的方式可将背向反射噪声抑制到极限灵敏度以下,同频调制下背向反射噪声受限于光开关/脉冲调制器的信道串扰。分别搭建了分频调制和同频调制系统,实验测试结果表明分频调制下陀螺输出稳定,同频调制下由于未对背向反射噪声强度项进行抑制,引入了10°/s量级的噪声,验证了理论仿真结果。     

谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环,建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系,同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定,且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15dB.     

透过式光纤陀螺偏振特性的分析

偏振波动是谐振式光纤陀螺(R-FOG)的主要噪声之一,它对信号检测精度具有重要影响。通过矩阵法得到了透过式R-FOG中由偏振波动引起的系统零漂与偏振噪声相关参数、环形谐振腔结构参数间的关系表达式。在一定的透过式R-FOG系统结构参数下,对上述解析表达式进行了数值拟合,通过估算可满足高精度透过式R-FOG系统对偏振相关参数的要求,为偏振波动噪声的理论分析和R-FOG系统的实际搭建提供了理论基础。     

谐振腔光纤陀螺光纤谐振环特性研究

对有限光源线宽情况下反射式光纤谐振环的响应特性进行了研究,得到了光纤谐振环各谐振特性参量的表示式.分析了特性参量与光源线宽和耦合器特性的关系,结合对方波调制谐振腔光纤陀螺极限灵敏度的分析,给出了设计高灵敏度谐振腔光纤陀螺光纤谐振环的要求和原则.进行了谐振腔光纤陀螺用光纤谐振环的实验研究,制作了适用于谐振腔光纤陀螺的高精细度和高谐振深度光纤谐振环.     

激光器频率噪声功率谱密度测试技术及在谐振式光纤陀螺中的应用

谐振式光纤陀螺(RFOG)是基于Sagnac效应产生的顺时针光路与逆时针光路的谐振频率差来测量旋转角速率的光学传感器,中心频率连续可调的窄线宽激光器是研制RFOG的关键元件,激光器频率噪声特性直接影响此种陀螺的性能.采用基于3×3耦合器的非平衡Mach-Zehnder干涉仪系统,对不同类型的激光器及激光频率锁定前后的频...     

THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹（THz）自由电子激光（FEL）装置理论分析和设计的基础上,针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。     

Design and optimization of frequency tunable semiconductor laser used in resonator integrated optic gyro

Frequency tunable semiconductor laser has potential applications in resonator integrated optic gyro (RIOG) for its small size and easy to be integrated. An alternative construction of frequency tunable semiconductor laser with planar waveguide external cavity is proposed in this paper. The frequency tuning section, which is placed between the active section and Bragg grating section, is designed to be one part of the waveguide external cavity. The slab etched grating, based on the silicon-on-isolator ridge waveguide, is adopted to narrow the width of reflectivity spectrum. After the theoretical analysis and simulations, the frequency modulation coefficient of 2.1 MHz/mA is obtained, and the power change is less than 3.6 × 10⁻⁴ dB/1.6 GHz. The proposed configuration combines the advantages of wavelength tunable laser and external cavity laser, and it can realize precision frequency tuning, ignored power fluctuation and narrow linewidth, which contribute much to RIOG.     

THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹（THz）自由电子激光（FEL）装置理论分析和设计的基础上,针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。     

激光陀螺光电探测器光窗的设计

用平面波计算拍频条纹间距时,因激光器中存在衍射效应,且实际光强分布为高斯型,故给光电探测器光窗尺寸计算带来很大误差(40%),导致系统不能正常工作。为此,以高斯光束为基础,利用光电探测器测得2路信号的相位差,通过数值计算得到2束光拍频条纹间距,由此计算得到理想相位差光电探测器的尺寸。最后,用实验验证了该设计方法的可行性,为RLG光电探测器光窗尺寸的设计提供了一种简单准确的方法。     

激光调制参数对光纤环型谐振腔光谱特性影响

谐振光学环型腔作为光学陀螺的核心敏感单元,其光学调制谱和与之对应的鉴频曲线的特性成为提高光学陀螺系统检测灵敏度的关键。为了研究光学陀螺的调制和鉴频谱线特性,优化陀螺性能,设计并搭建了实验测试系统,光纤环形谐振腔采用分光比为50∶50、直径17 cm的保偏光纤,总长2.2 m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器（线宽小于1 kHz）的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20 Hz和1 V,使用模拟比例积分电路进行锁频并反馈给激光器的压电转化模块,使激光器的输出频率跟踪谐振腔实时变化。研究分析了光纤环型谐振腔在两种情况下所对应的透射谱和鉴频曲线：第一种情况为调制电压分别为2 V和4 V,对应调制频率从100 kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900 kHz,调制电压从2 V到10 V变化。通过实验,得到了不同调制参数下光学陀螺谱线的谐振深度、半高全宽、线性带宽、动态范围、品质因数、标度因数以及对应的锁频精度七种物理量的详细变化情况,并进一步得到了静态测试条件下三种陀螺的最佳调制频率及与之所匹配的调制电压。为进一步研究激光调制对光纤环型谐振腔光谱的影响提供指导。     

Full investigation of the backscattering in resonator fiber optic gyro

Resonator Fiber optic gyro (RFOG) is a high accuracy inertial rotation sensor based on the Sagnac effect. The optical fiber ring resonator (OFRR) is the key rotation sensing element. The backscattering characteristics of the OFRR are fully investigated. The Rayleigh backscattering dominates the backscattering spectrum with the input power below the threshold. High carrier suppression is crucial to reduce this Rayleigh backscattering error. Being different from the intrinsic Rayleigh scattering of the fiber, the stimulated Brillouin scattering (SBS) in the OFRR should be avoided. This is because the finesse and the resonance notch depth of the OFRR decrease for the pump depletion through the SBS process. The shot noise limited sensitivity (SLS) of the RFOG is improved by increasing the input power. Through analysis, it is found that the threshold input power is improved after phase modulation. The SLS of the RFOG is analyzed at different modulation parameters and its relevant SBS threshold. Accordingly, the optimized modulation frequency and the corresponding maximum input power are all obtained. A simple method of testing the frequency shift in the SBS is also proposed. In this method, the central frequency of the laser source is locked to the resonance frequency of the OFRR in one direction. A steady SBS light is observed and its frequency shift is measured together.     

光纤气体传感器解调方法的研究

利用可调谐激光光谱技术并结合二次谐波检测的波长调制方法对气体浓度进行检测,大大提高了检测灵敏度.然而光的传输和电路自身延时都会产生未知的相位延时,含有气体浓度信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响二次谐波信号测量结果.本文设计出一种4路乘法锁相解调电路,设计中分别用正弦信号和余弦信号对被测信号进行解调,经积分电路后得到两路分别与相位差的正弦值和余弦值相关的解调信号.将两路解调信号平方,再通过加法器相加后消除相位差,得到完全与相位差无关的幅值信号.实验证明当被测信号相位在0°—90°变化时,解调 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制 解调电路 相位差     

石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺中光场偏振特性的影响

为研究石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺的影响,从陀螺的自再现传播矩阵出发,结合石英晶体旋光率随温度变化的经验公式,利用琼斯矩阵求本征模的方法,得出了四频差动激光陀螺腔内光场本征偏振态与温度的关系并进行了数值分析,得到椭圆度和左右旋差损随温度变化的曲线。结果表明,石英晶体温度效应对偏振特性的影响与反射镜片的振幅反射率和反射相移有密切关系,对于典型陀螺参量,在-60℃～60℃范围内石英晶体温度效应导致左右旋差损从0增加至10-6量级, 椭圆度从0.122增至0.138。     

激光陀螺中的光学抖动及其对锁区的影响分析

为了提高激光陀螺的性能,提出利用光学抖动改善陀螺锁区的方法.研究了环形光路中背向散射对锁区的影响,理想状态下可以消除陀螺的零阶锁区.在微扰条件下对光学抖动下陀螺腔内的光路变化进行了分析计算,得到了使陀螺锁区达到最佳改善的理论光学抖动量并进行了实验研究.实验结果表明:光学抖动可以起到类似机械抖动加噪的效果,改善陀螺的零偏稳定性.