光学微腔相位调制解调技术分析及实现

理论分析了相位调制的原理及锁相放大器的解调原理。利用多光束干涉原理对微腔的谐振特性进行了分析并对其及环形谐振腔进行了相位调制解调仿真分析。设计搭建了基于光学谐振腔的相位调制解调系统。基于搭建的光学谐振腔的相位调制解调系统利用正弦波对微腔进行了调制解调测试, 得到了良好的测试结果并使用光纤环形谐振腔验证了调制解调系统及调制方法的可行性, 得到了光纤谐振腔的低频调制解调信号及边带调制解调信号, 为进一步研究光学谐振腔谐振点的跟踪锁定奠定了基础。     

光学微腔相位调制解调技术分析及实现

理论分析了相位调制的原理及锁相放大器的解调原理。利用多光束干涉原理对微腔的谐振特性进行了分析并对其及环形谐振腔进行了相位调制解调仿真分析。设计搭建了基于光学谐振腔的相位调制解调系统。基于搭建的光学谐振腔的相位调制解调系统利用正弦波对微腔进行了调制解调测试,得到了良好的测试结果并使用光纤环形谐振腔验证了调制解调系统及调制方法的可行性,得到了光纤谐振腔的低频调制解调信号及边带调制解调信号,为进一步研究光学谐振腔谐振点的跟踪锁定奠定了基础。     

谐振式光纤陀螺角度随机游走的分析与优化

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。由于Sagnac效应极为微弱,RFOG常采用信号调制解调技术提高检测精度。首先介绍了基于正弦相位调制解调的RFOG的基本原理及衡量其性能的主要指标,详细推导了基于正弦相位调制解调的RFOG系统受散粒噪声制约的理论角度随机游走(ARW)的表达式,分析了调制参数包括调制频率和调制系数对理论ARW的影响。研究表明,在给定的激光功率及光纤环形谐振腔条件下,存在一组最佳的调制参数和解调相位,用于实现ARW的最小化。以直径为12 cm、总长为29 m、测试清晰度为14.7的光纤环形谐振腔搭建了实际RFOG系统,当调制频率分别为1 MHz、600 kHz、240 kHz时,测试得到的陀螺ARW分别为0.0124,0.0072,0.0052 (°)·h~(-1/2)。     

T型反馈网络在谐振式光纤陀螺频率锁定中的应用

谐振式光纤陀螺（R-FOG）的频率锁定是陀螺信号检测的关键技术,尤其在长时间的测试中,谐振频率的锁定稳定度决定了陀螺的输出性能。根据光纤环形谐振腔的传输理论,分析了其谐振特性及其一次谐波特性;搭建了R-FOG测试系统,采用正弦波相位调制解调技术实现谐振谱线一次谐波的输出;在分析由运算放大器构成的传统模拟比例积分（PI）电路的漂移误差源的基础上,给出了可以有效抑制漂移误差的T型反馈网络,应用到谐振式光纤陀螺的谐振频率锁定中,得到了较好的锁定效果,经Allan方差分析,谐振频率长时间（4000s）的锁定稳定度优于910-12。     

谐振式光纤陀螺调相检测分析

谐振式光纤陀螺（R—FOG）是新一代惯性旋转传感器的代表。在陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率，而解调曲线的优化能够进一步提高检测系统的灵敏度。利用贝塞尔函数展开和光波场叠加的方法分析了谐振式光纤陀螺调相检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系，系统采用的是带有铌酸锂相位调制器的相位谱检测技术。根据解调输出信号的解析表达式，通过数值计算，分析了解调曲线的变化规律，得到了施加在铌酸锂相位调制器上调制波形的最佳调制系数和相应的最佳调制频率范围，并进一步用实验系统验证了上述分析结果。     

谐振腔光纤陀螺信号检测方法的研究

谐振腔光纤陀螺(R—FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。在谐振腔光纤陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率。光纤环形谐振腔是谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件。采用两种频率的锯齿波组合调制，考虑激光器有限光谱线宽条件下，采用洛仑兹线型描写光纤环形谐振腔的输出光强表达式。针对输出光强与谐振频率偏差在靠近谐振点附近的近似线性关系，利用多次反馈频率操作来依次跟踪谐振腔光纤陀螺顺时针和逆时针光束的谐振点，从而避免了谐振频率偏差复杂的求根算法。仿真结果表明，多次反馈频率操作，可以较快地锁定到谐振点。     

可用于传感领域的环形谐振腔游标效应的研究

为了验证光纤环形谐振腔的游标效应,对不同长度的光纤环形谐振腔进行了研究。实验研究了长度分别为2.24m和2.52m光纤环形谐振腔透射谱频率的对应关系,当谐振频率相同且自由频谱宽度个数差值为1时,根据差值等分测量原理,以其中一个谐振谱线作为标尺、另一个作为游尺,对标尺的自由频谱宽度九等分,得到游尺的最小测量分度为0.01GHz,这与MATLAB理论仿真结果一致。结果表明,通过改变谐振腔尺寸差,增加自由频谱宽度的等分刻度数,可以提高测量精度;基于微谐振腔对外界环境变化的敏感特性,谐振腔游标效应在高灵敏传感领域将具有潜在的应用。     

激光器线宽对光纤环形谐振腔谐振特性的影响

采用光波场叠加的方法计算了谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件———光纤环形谐振腔 (FRR)的传递系数 ,详细分析了激光器光谱线宽对光纤环形谐振腔谐振特性的影响 ,并进一步分析了在一定激光器光谱线宽条件下 ,由光探测器散弹噪声所限制的谐振腔光纤陀螺极限灵敏度和光纤环形谐振腔光路参数之间的关系 ,从而为谐振腔光纤陀螺的优化设计提供了理论基础     

光纤腔动态谐振响应特性

光纤环形谐振腔的动态响应特性对其传感应用具有重要影响。为了抑制动态响应,利用多光束干涉原理对其产生原因进行了分析;通过实验测试得到了动态响应的临界振荡条件,并进一步分析了光功率对该临界条件的影响,实验结果与理论分析一致。同时,针对动态响应对谐振特性的干扰问题,测试了激光器调制参数对动态响应下振荡强度的影响,为传感系统中的误差评估提供了参考依据。     

谐振式微光学陀螺中相位调制非线性研究

通过在相位调制器上施加线性变化的调制信号来实现对光波频率的方波调制是目前谐振式微光学陀螺(RMOG)中普遍采用的调制方法。而实现理想的方波频率调制要求完全线性的调制波形,极大地增加了系统实现难度。研究了调制曲线非线性对谐振腔输出的影响,仿真计算了具有二阶和三阶非线性误差的调制曲线引起的谐振曲线偏移和畸变。分析了解调输出误差与调制曲线非线性度的关系。通过搭建RMOG实验系统,测试了实际产生三角波调制信号的高阶非线性系数以及陀螺输出的标度因数。实验验证了理论分析计算方法的正确性以及采用模拟三角波产生方法改善微光学陀螺中相位调制非线性的可行性。     

A single-mode optical fiber ring resonator using a planar 3×3fiber coupler and a Sagnac loop

We present the first theoretical analysis of an optical fiber ring resonator using a planar 3×3 fiber directional coupler and a fiber Sagnac loop. In the planar 3×3 fiber directional coupler, the three fibers inside the coupler lie in the same plane. Expressions for the circulating (resonant) and the output fields of the fiber ring resonator are obtained. It is found that this fiber ring resonator has a special property where there are two or more main resonance peaks or dips inside a period 2π of the phase change of the fiber ring resonator. This ring resonator may have applications as a sensor with high-phase sensitivity and a densely spaced two-channel wavelength division multi/demultiplexer     

CORDIC algorithm based digital detection technique applied in resonator fiber optic gyroscope

A digital detection technique based on the coordinate rotation digital computer (CORDIC) algorithm is proposed for a resonator fiber optic gyroscope (R-FOG). It makes the generation of modulation signal, synchronous demodulation and signal processing in R-FOG to be realized in a single field programmable gate array (FPGA). The frequency synthesis and synchronous detection techniques based on the CORDIC algorithm have been analyzed and designed firstly. The experimental results indicate that the precision of the detection circuit satisfies the requirements for the closed-loop feedback in R-FOG system. The frequency of the laser is locked to the resonance frequency of the fiber ring resonator stably and the open-loop gyro output signal is observed successfully. The dynamic range and the bias drift of the R-FOG are ±1.91 rad/s and 0.005 rad/s over 10 s, respectively.     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。     

谐振式陀螺微球腔谐振频率跟踪锁定技术研究

理论上分析了谐振式陀螺系统中的传输特性和正弦波调制特性。为了实现谐振频率的跟踪锁定,设计并搭建了谐振频率跟踪锁定试验系统。通过正弦波调制、解调得到了谐振频率跟踪锁定需要的鉴频曲线。利用PID反馈控制电路和得到的鉴频曲线实现了谐振频率的跟踪锁定,并进一步评估得到了谐振频率跟踪锁定的精度和稳定度。为光学微谐振腔的谐振频率跟踪锁定技术的深入研究提供了参考。     

基于FPGA数字相位调制光外差激光稳频系统设计

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频,采用相位调制光外差（PDH）激光稳频技术,搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字式解调和反馈控制电路,在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调,再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明,在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调,经Allan方差计算,频率漂移的方差值可达10-11,即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。