专利名称：一种应用于光纤传感的光收发一体化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种应用于光纤传感的光收发一体化装置。
背景技术：
目前，光纤陀螺仪(FOG)小型化技术是国际上很多国家、科研机构所追逐的高新 技术，现有技术中光纤陀螺仪的小型化技术主要是结构紧凑的集成光学型F0G，而作为将该 类型FOG的光源、探测器、耦合器及连接光路高度集成的关键技术——收发一体化模块，自 然成为FOG小型化的关键了。在现有技术中，FOG中的光源与探测器一般是通过2 X 2光纤耦合器来实现Sagnac 干涉仪的光输入与输出，但这种技术方案却存在着6db的固有损耗，而且这种传统的光收 发结构也造成了光发射与接收装置的体积过大，难以实现光纤陀螺仪的小型化。

发明内容
本发明实施例提供了一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，能够将各分立元 件集成封装在单一模块中，使光纤陀螺仪的小型化成为可能；同时能够减少光纤陀螺系统 中的光纤熔接点数量，提高光学耦合效率，并能够消除现有系统中存在着的6db固有损耗， 提高了光纤陀螺仪的互易性和稳定性。本发明实施例提供了一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，所述装置包括光 源、光电探测器、偏振分束器、半波片、法拉第旋转器、反射镜和透镜，其中通过所述半波片和法拉第旋转器，对所述光源发出的出射光的偏振态进行调整， 使其在平行透射光和垂直反射光之间进行变化；并通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到保偏光纤尾纤， 并通过所述光电探测器接收从干涉仪传感器返回后的出射光。所述法拉第旋转器能将入射偏振光旋转45度，所述半波片的光轴与垂直光偏振 方向成22. 5度角。所述通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到保偏光纤尾 纤，具体包括所述光源发出的出射光经过透镜后，入射到所述偏振分束器；所述偏振分束器将该出射光分为平行透射光和垂直反射光，并分别通过所述法拉 第旋转器、所述半波片后进入另一偏振分束器，由该另一偏振分束器出射后经过另一透镜 进入到保偏光纤尾纤。所述通过所述光电探测器接收从干涉仪传感器返回后的出射光，具体包括从所述干涉仪传感器返回后的出射光经过所述另一偏振分束器后相应的被分为 平行透射光和垂直反射光，并分别通过所述半波片、所述法拉第旋转器进行偏振处理；该偏振处理后的出射光再通过所述偏振分束器透射或反射后，被所述光电探测器 所接收。
本发明实施例还提供了一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，所述装置包括 光源、光电探测器、偏振分束棱镜、带有磁环的旋光晶体和透镜，其中当所述光源选用高偏光源时，将所述光源旋转调整，使其出射光的偏振方向与所 述偏振分束棱镜的偏振主轴相同，所述光源发出的出射光经过所述透镜后透射通过所述偏 振分束棱镜，并进入所述带有磁环的旋光晶体，使偏振方向旋转45度后通过另一个透镜的 聚焦进入到保偏光纤尾纤；当所述光源选用低偏光源时，所述光源发出的水平方向偏振光经过所述透镜后透 射通过所述偏振分束棱镜，并进入所述带有磁环的旋光晶体，使该水平方向偏振光的偏振 方向旋转45度后通过另一个透镜的聚焦进入到保偏光纤尾纤。在所述进入到保偏光纤尾纤之后，返回的光反向传播，并经过所述带有磁环的旋 光晶体后旋转45度，成为沿垂直方向偏振的反射光；该沿垂直方向偏振的反射光经过所述偏振分束棱镜反射，并由另一透镜汇聚后， 被所述光电探测器所接收。将所述光收发一体化装置的光路部分和电路部分统一集成封装，利用弓I线键合技 术形成一个标准封装形式。由上述所提供的技术方案可以看出，本发明实施例所述的光收发一体化装置包括 光源、光电探测器、偏振分束器、半波片、法拉第旋转器、反射镜和透镜，其中通过所述半波 片和法拉第旋转器，对所述光源发出的出射光的偏振态进行调整，使其在平行透射光和垂 直反射光之间进行变化；并通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到 保偏光纤尾纤，并通过所述光电探测器接收从干涉仪传感器返回后的出射光。通过上述的 结构和光路过程，就能够实现将各分立元件集成封装在单一模块中，使光纤陀螺仪的小型 化成为可能；同时能够减少光纤陀螺系统中的光纤熔接点数量，提高光学耦合效率，并能够 消除现有系统中存在着的6db固有损耗，提高了光纤陀螺仪的互易性和稳定性。


图1为本发明实施例所述光收发一体化装置的一种结构示意图；图2为本发明实施例所述光收发一体化装置的另一种结构示意图；图3为本发明实施例所提供封装方式的外形结构示意图。
具体实施例方式本发明实施例提供了一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，能够实现将各分 立元件集成封装在单一模块中，使光纤陀螺仪的小型化成为可能；同时能够减少光纤陀螺 系统中的光纤熔接点数量，提高光学耦合效率，并能够消除现有系统中存在着的6db固有 损耗，提高光纤陀螺仪的互易性和稳定性。为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施例进行说明， 如图1所示为本发明实施例所述光收发一体化装置的一种结构示意图，图1中包括光源 (SLD)、光电探测器、偏振分束器1和2、半波片、法拉第旋转器、反射镜和透镜，透镜包括会 聚透镜和准直透镜两种，其中法拉第旋转器能将入射偏振光旋转45度，而半波片的光轴与垂直光偏振方向成
422. 5度角，使得偏振光再旋转45度，这样就可以实现偏振光在水平偏振和垂直偏振之间的 转换。在上述结构中，通过所述半波片和法拉第旋转器，对所述光源发出的出射光的偏 振态进行调整，使其在平行透射光和垂直反射光之间进行变化；并通过偏振分束器1和2、 反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到保偏光纤尾纤，再通过光电探测器接收从干 涉仪传感器返回后的出射光。在具体实现过程中，首先光源发出的出射光经过透镜后，入射到所述偏振分束器， 即图1中的偏振分束器1 ；该偏振分束器将该出射光分为平行透射光和垂直反射光，并分别 通过法拉第旋转器、半波片后进入另一偏振分束器，即图1中的偏振分束器2 ；由该另一偏 振分束器出射后经过另一透镜进入到保偏光纤尾纤中。然后，从干涉仪传感器返回后的出射光经过上述的偏振分束器2后相应的被分为 平行透射光和垂直反射光，并分别通过所述半波片、所述法拉第旋转器进行偏振处理；该偏 振处理后的出射光再通过偏振分束器1的透射或反射后，被所述光电探测器所接收。举例来说，上述具体的实现过程如下，如图1所示SLD出射光经微准直透镜入射 到偏振分束器1，分为垂直P反射光和平行S透射光；P光分量通过法拉第旋转器后偏振方 向旋转45°，再通过半波片，成为S光后进入偏振分束器2且透射，透射S光经过会聚透镜 后进入保偏光纤尾纤。该S光从Sagnac干涉仪传感器返回后重新透过偏振分束器2，经过 半波片偏振方向旋转45°，并再次通过法拉第旋转器后仍为S光透射出偏振分束器1后，被 光电探测器所接收。同理，上述SLD光源发出的S光分量经偏振分束器1透射后，通过法拉第旋转器和 半波片后成为P光被偏振分束器2反射，并经过会聚透镜后进入保偏光纤尾纤。该P光从 Sagnac干涉仪传感器返回后重新被偏振分束器2反射，再次分别经过半波片及法拉第旋转 器后成为P光，并被偏振分束器1反射后，被光电探测器所接收。由于上述结构不需要采用现有技术中收发装置的2X2光纤耦合器，就可以实现 将各分立元件集成封装在单一模块中，使光纤陀螺仪的小型化成为可能；同时能够减少光 纤陀螺系统中的光纤熔接点数量，提高光学耦合效率，并能够成功消除由于2X2光纤耦合 器而存在着的6db固有损耗，提高光纤陀螺仪的互易性和稳定性。另外，本发明实施例还提供了另一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，如图 2所示为本发明实施例所述光收发一体化装置的另一种结构示意图，图2中包括光源SLD、 光电探测器、偏振分束棱镜PBS、带有磁环的旋光晶体0AC，以及非球面透镜L1、L2和L3，其 中当光源SLD选用高偏光源时，可以将所述光源旋转调整，使其出射光的偏振方向 与所述偏振分束棱镜PBS的偏振主轴相同，这样光源发出的出射光经过透镜L1后就可以透 射通过偏振分束棱镜PBS，并进入所述带有磁环的旋光晶体0AC，使偏振方向旋转45度后通 过另一个透镜L2的聚焦进入到保偏光纤尾纤中。这里，由于光源发出的光全部透射，之后 返回的光全部反射，从而可以提高光源能量利用率。而当光源SLD选用低偏光源时，光源发出的水平方向偏振光经过透镜L1后可以透 射通过偏振分束棱镜PBS，并进入带有磁环的旋光晶体0AC，使该水平方向偏振光的偏振方 向旋转45度后再通过另一个透镜L2的聚焦进入到保偏光纤尾纤中。这里，由于透过的是水平方向偏振光，反射的是垂直方向水平偏振光，这样损耗了一半的功率，但同时减少了光 源调整的步骤。同时，在上述光线进入到保偏光纤尾纤之后，其返回的光反向传播，并经过所述带 有磁环的旋光晶体0AC后旋转45度，成为沿垂直方向偏振的反射光；然后该沿垂直方向偏 振的反射光经过所述偏振分束棱镜PBS的反射，并由另一透镜L3汇聚后被光电探测器所接 收。举例来说，上述过程的具体实现可以为1310nm波长的SLD出射光的偏振方向沿 水平方向(即纸平面，可记为平行S透射光)，经过非球面透镜L1后成为准直光束，光斑直 径约为0. 5mm ；该S偏振平行光束可通过偏振分束棱镜PBS进入带有磁环的Farady旋光晶 体(0AC)，出射后偏振方向将旋转45° ；然后进入第二个非球面透镜L2，经过透镜的聚焦进 入保偏光纤的尾纤，并调整为沿其慢轴方向，从而完成了光线的正向传播。该返回的光再反向传播，经过旋光晶体0AC后偏振方向再旋转45°，因而反向光 束偏振方向与纸面垂直(可记为垂直P反射光)，该P偏振垂直光束经过偏振分束棱镜PBS 反射后，由非球面透镜L3汇聚，并投射到光电探测器的PIN光敏面上，从而完成整个器件的 收发功能。同样的，由于上述结构不需要采用现有技术中收发装置的2X2光纤耦合器，就可 以实现将各分立元件集成封装在单一模块中，使光纤陀螺仪的小型化成为可能；同时能够 减少光纤陀螺系统中的光纤熔接点数量，提高光学耦合效率，并能够成功消除由于2X2光 纤耦合器而存在着的6db固有损耗，提高光纤陀螺仪的互易性和稳定性。另外，还可以将上述光收发一体化装置的光路部分和电路部分统一集成封装，并 利用引线键合技术形成一个标准封装形式，如图3所示为本发明实施例所提供封装方式的 外形结构示意图。具体可以利用微系统封装集成技术，即多芯片组件(MCM)技术制作SLD的驱动电 路和温控电路部分，保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条 件，以使集成元件具有稳定、正常的功能，上述集成封装的方式可以将整个模块的光路部分 和电路部分进行封装，降低环境对收发模块的影响，有益于提高陀螺的环境适应性。综上所述，本发明实施例能够实现将各分立元件集成封装在单一模块中，使光纤 陀螺仪的小型化成为可能；同时能够减少光纤陀螺系统中的光纤熔接点数量，提高光学耦 合效率，并能够消除现有系统中存在着的6db固有损耗，提高光纤陀螺仪的互易性和稳定 性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
权利要求
一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，其特征在于，所述装置包括光源、光电探测器、偏振分束器、半波片、法拉第旋转器、反射镜和透镜，其中通过所述半波片和法拉第旋转器，对所述光源发出的出射光的偏振态进行调整，使其在平行透射光和垂直反射光之间进行变化；并通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到保偏光纤尾纤，并通过所述光电探测器接收从干涉仪传感器返回后的出射光。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述法拉第旋转器能将入射偏振光旋转45 度，所述半波片的光轴与垂直光偏振方向成22. 5度角。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏 振调整后的出射光进入到保偏光纤尾纤，具体包括所述光源发出的出射光经过透镜后，入射到所述偏振分束器；所述偏振分束器将该出射光分为平行透射光和垂直反射光，并分别通过所述法拉第旋 转器、所述半波片后进入另一偏振分束器，由该另一偏振分束器出射后经过另一透镜进入 到保偏光纤尾纤。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通过所述光电探测器接收从干涉仪传 感器返回后的出射光，具体包括从所述干涉仪传感器返回后的出射光经过所述另一偏振分束器后相应的被分为平行 透射光和垂直反射光，并分别通过所述半波片、所述法拉第旋转器进行偏振处理；该偏振处理后的出射光再通过所述偏振分束器透射或反射后，被所述光电探测器所接收。
5.一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，其特征在于，所述装置包括光源、光电探 测器、偏振分束棱镜、带有磁环的旋光晶体和透镜，其中当所述光源选用高偏光源时，将所述光源旋转调整，使其出射光的偏振方向与所述偏 振分束棱镜的偏振主轴相同，所述光源发出的出射光经过所述透镜后透射通过所述偏振分 束棱镜，并进入所述带有磁环的旋光晶体，使偏振方向旋转45度后通过另一个透镜的聚焦 进入到保偏光纤尾纤；当所述光源选用低偏光源时，所述光源发出的水平方向偏振光经过所述透镜后透射通 过所述偏振分束棱镜，并进入所述带有磁环的旋光晶体，使该水平方向偏振光的偏振方向 旋转45度后通过另一个透镜的聚焦进入到保偏光纤尾纤。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述进入到保偏光纤尾纤之后，返回的光 反向传播，并经过所述带有磁环的旋光晶体后旋转45度，成为沿垂直方向偏振的反射光；该沿垂直方向偏振的反射光经过所述偏振分束棱镜反射，并由另一透镜汇聚后，被所 述光电探测器所接收。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，将所述光收发一体化装置的光路部分和电 路部分统一集成封装，利用引线键合技术形成一个标准封装形式。
全文摘要
本发明实施例提供了一种应用于光纤传感的光收发一体化装置，所述光收发一体化装置包括光源、光电探测器、偏振分束器、半波片、法拉第旋转器、反射镜和透镜，其中通过所述半波片和法拉第旋转器，对所述光源发出的出射光的偏振态进行调整，使其在平行透射光和垂直反射光之间进行变化；并通过偏振分束器、反射镜和透镜，使偏振调整后的出射光进入到保偏光纤尾纤，并通过所述光电探测器接收从干涉仪传感器返回后的出射光。通过上述的结构和光路过程，就能够实现将各分立元件集成封装在单一模块中，减少光纤陀螺系统中的光纤熔接点数量，消除现有系统中存在着的6db固有损耗，提高光纤陀螺仪的互易性和稳定性。
文档编号G01C19/72GK101852613SQ20101015490
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者冯丽爽, 刘弘度, 刘惠兰, 周震, 王坤博, 王爱民 申请人:北京航空航天大学;华拓光研科技(北京)有限公司