基于模分复用的光纤陀螺及其精度提升方法

摘要

本发明涉及光纤陀螺应用技术领域，提供一种基于模分复用的光纤陀螺及其精度提升方法。该基于模分复用的光纤陀螺，包括光源发生单元，用以输出基模光和高阶模光；第一传感单元包括第一耦合子单元和第一光纤环圈，第一耦合子单元用以接收基模光，并对基模光进行耦合处理；第二传感单元包括第二耦合子单元和第二光纤环圈，第二耦合子单元用以接收高阶模光，并对高阶模光进行耦合处理；第一光纤环圈和第二光纤环圈用以同步测量温度和角速率。本发明实现抑制温度等噪声因素对陀螺输出的影响，以解决复杂温度环境下光纤陀螺的精度受限问题，满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。

权利要求

1.一种基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，包括：

光源发生单元，所述光源发生单元用以输出基模光和高阶模光；

第一传感单元，包括第一耦合子单元和第一光纤环圈，所述第一耦合子单元与所述光源发生单元的第一输出端连接，用以接收基模光，并对基模光进行耦合处理，所述第一光纤环圈与所述第一耦合子单元连接；

第二传感单元，包括第二耦合子单元和第二光纤环圈，所述第二耦合子单元与所述光源发生单元的第二输出端连接，用以接收高阶模光，并对高阶模光进行耦合处理，所述第二光纤环圈与所述第二耦合子单元连接；

其中，所述第一光纤环圈和所述第二光纤环圈用以同步测量温度和角速率。

2.根据权利要求1所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述光源发生单元包括宽谱光源和模式选择耦合器，所述宽谱光源的输出端与所述模式选择耦合器的输入端连接，用以向所述模式选择耦合器输出基模光，所述模式选择耦合器用以将部分基模光耦合转化为高阶模光。

3.根据权利要求2所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述模式选择耦合器包括少模光纤和单模光纤，所述单模光纤与所述少模光纤熔融拉锥连接，所述单模光纤的输入端与所述宽谱光源连接，所述单模光纤的输出端与所述第一耦合子单元连接，所述少模光纤的输出端与所述第二耦合子单元连接。

4.根据权利要求1所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述第一耦合子单元包括第一保偏光纤耦合器和第一Y波导，所述第一保偏光纤耦合器的输入端与所述光源发生单元连接，用以耦合基模光，所述第一Y波导的输入端与所述第一保偏光纤耦合器的输出端连接，用以传输和调制基模光，所述第一Y波导与所述第一光纤环圈连接。

5.根据权利要求1所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述第二耦合子单元包括第二保偏光纤耦合器和第二Y波导，所述第二保偏光纤耦合器的输入端与所述光源发生单元连接，用以耦合高阶模光，所述第二Y波导的输入端与所述第二保偏光纤耦合器的输出端连接，用以传输和调制高阶模光，所述第二Y波导与所述第二光纤环圈连接。

6.根据权利要求5所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述第二保偏光纤耦合器包括第一少模光纤和第二少模光纤，所述第一少模光纤和所述第二少模光纤熔融拉锥连接；

或，所述第二保偏光纤耦合器包括第一多模光纤和第二多模光纤，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤熔融拉锥连接。

7.根据权利要求5所述的基于模分复用的光纤陀螺，其特征在于，所述第二保偏光纤耦合器的输入端和输出端的耦合比为50:50。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、基于模分复用原理，调控模式选择耦合器中的少模光纤和单模光纤的熔融度以及直径参数，以调整模式选择耦合器的工作带宽和高阶模式耦合效率；

S20、调控第二保偏光纤耦合器中的两根光纤的熔融度，以实现第二保偏光纤耦合器的输入端和输入端的耦合比为50:50；

S30、采用少模光纤或多模光纤制备第二光纤环圈；

S40、对光纤陀螺进行温度性能测试，建立二维传感矩阵，并消除外界温度变化对光纤陀螺精度的影响。

9.根据权利要求8所述的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，其特征在于，还包括如下步骤：S11、通过模式选择耦合器利用相位匹配方法对部分基模光进行耦合，并输出基模光和高阶模光。

10.根据权利要求8所述的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，其特征在于，所述S40步骤中，建立二维传感矩阵具体包括：基于模分复用原理，建立基模光和高阶模光的有效折射率和角速率随温度变化的二维矩阵，对二维矩阵解调，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线。

说明书

基于模分复用的光纤陀螺及其精度提升方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤陀螺应用技术领域，提供一种基于模分复用的光纤陀螺及其精度提升方法。

背景技术

[0002] 光纤陀螺是基于萨格奈克效应制作的一种测量物体惯性运动角速率的光学传感器，因其具备生产工艺简单、稳定性强、使用寿命长、动态范围大、成活率高等诸多优势，越
来越多地成为惯性导航系统的核心角速率敏感元件，广泛应用于航天、航空及航海等高精
度导航需求场景。

[0003] 光纤陀螺的工作原理是在闭合光路中两束同源光分别沿着顺时针方向和逆时针方向传输时，当光路存在转动时两束光会产生与该转动角速率相关的相位差，结合探测器
接收到的干涉信号从而解算出转动角速率。高精度、小型化是光纤陀螺的发展趋势，是光纤
陀螺技术改进和升级的重要方向，传统的光纤陀螺主要依靠增大光纤环圈的直径和长度来
提高光纤陀螺精度，但是光纤环圈尺寸的增加往往会增大噪声水平，尤其是径向温度Shupe
效应导致的陀螺漂移更难克服，因此环圈尺寸增加方案并不能有效提升光纤陀螺的精度。

[0004] 传统的光纤陀螺是利用基模在环圈内部的萨格奈克干涉，实现对角速率的敏感和解调，其精度容易受到环境参数变化和光路电路噪声的影响，同时，受单路信号解调原理的
限制，进一步的噪声处理存在较大的难度，比如光源的相对强度噪声、线路板底噪的处理
等。

[0005] 为了解决光纤陀螺中的偏振交叉耦合噪声，双偏振光纤陀螺技术将光纤环圈中的两个偏振态进行复用，利用两个偏振态偏振误差等振幅相反的特点对消偏振相关误差，从
而大幅提升陀螺稳定性，但是不能实现对其他噪声的有效降低。

发明内容

[0006] 本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于模分复用的光纤陀螺，实现消除外界温度变化对光纤陀螺输出的影响，提高光纤陀螺的
使用精度。

[0007] 本发明还提出一种基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法。

[0008] 本发明第一方面实施例提供一种基于模分复用的光纤陀螺，包括：

[0009] 光源发生单元，所述光源发生单元用以输出基模光和高阶模光；

[0010] 第一传感单元，包括第一耦合子单元和第一光纤环圈，所述第一耦合子单元与所述光源发生单元的第一输出端连接，用以接收基模光，并对基模光进行耦合处理，所述第一
光纤环圈与所述第一耦合子单元连接；

[0011] 第二传感单元，包括第二耦合子单元和第二光纤环圈，所述第二耦合子单元与所述光源发生单元的第二输出端连接，用以接收高阶模光，并对高阶模光进行耦合处理，所述
第二光纤环圈与所述第二耦合子单元连接；

[0012] 其中，所述第一光纤环圈和所述第二光纤环圈用以同步测量温度和角速率。

[0013] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述光源发生单元包括宽谱光源和模式选择耦合器，所述宽谱光源的输出端与所述模式选择耦合器的输入端连
接，用以向所述模式选择耦合器输出基模光，所述模式选择耦合器用以将部分基模光耦合
转化为高阶模光。

[0014] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述模式选择耦合器包括少模光纤和单模光纤，所述单模光纤与所述少模光纤熔融拉锥连接，所述单模光纤的输
入端与所述宽谱光源连接，所述单模光纤的输出端与所述第一耦合子单元连接，所述少模
光纤的输出端与所述第二耦合子单元连接。

[0015] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述第一耦合子单元包括第一保偏光纤耦合器和第一Y波导，所述第一保偏光纤耦合器的输入端与所述光源发生
单元连接，用以耦合基模光，所述第一Y波导的输入端与所述第一保偏光纤耦合器的输出端
连接，用以传输和调制基模光，所述第一Y波导与所述第一光纤环圈连接。

[0016] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述第二耦合子单元包括第二保偏光纤耦合器和第二Y波导，所述第二保偏光纤耦合器的输入端与所述光源发生
单元连接，用以耦合高阶模光，所述第二Y波导的输入端与所述第二保偏光纤耦合器的输出
端连接，用以传输和调制高阶模光，所述第二Y波导与所述第二光纤环圈连接。

[0017] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述第二保偏光纤耦合器包括第一少模光纤和第二少模光纤，所述第一少模光纤和所述第二少模光纤熔融拉锥连
接；

[0018] 或，所述第二保偏光纤耦合器包括第一多模光纤和第二多模光纤，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤熔融拉锥连接。

[0019] 根据本发明第一方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺，所述第二保偏光纤耦合器的输入端和输出端的耦合比为50:50。

[0020] 本发明第二方面实施例提供一种基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，包括如下步骤：

[0021] S10、基于模分复用原理，调控模式选择耦合器中的少模光纤和单模光纤的熔融度以及直径参数，以调整模式选择耦合器的工作带宽和高阶模式耦合效率；

[0022] S20、调控第二保偏光纤耦合器中的两根光纤的熔融度，以实现第二保偏光纤耦合器的输入端和输入端的耦合比为50:50；

[0023] S30、采用少模光纤或多模光纤制备第二光纤环圈；

[0024] S40、对光纤陀螺进行温度性能测试，建立二维传感矩阵，并消除外界温度变化对光纤陀螺精度的影响。

[0025] 根据本发明第二方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，还包括如下步骤：

[0026] S11、通过模式选择耦合器利用相位匹配方法对部分基模光进行耦合，并输出基模光和高阶模光。

[0027] 根据本发明第二方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，所述S40步骤中，建立二维传感矩阵具体包括：

[0028] 基于模分复用原理，建立基模光和高阶模光的有效折射率和角速率随温度变化的二维矩阵，对二维矩阵解调，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线。

[0029] 本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

[0030] 本发明提供的基于模分复用的光纤陀螺，通过光源发生单元耦合输出高阶模光至第二光纤环圈，将基模光输出至第一光纤环圈中，第一光纤环圈和第二光纤环圈同步测量
外界温度和转速变化，建立传感解调矩阵，从而抑制温度等噪声因素对陀螺输出的影响，以
解决复杂温度环境下光纤陀螺的精度受限问题，满足高精度长航时惯性导航系统应用需
求。

[0031] 进一步地，本发明提供的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，通过建立基模光与高阶模光的有效折射率与速率误差随温度变化的二维传感矩阵，对二维矩阵解调，
精确地量化温度对光纤陀螺输出的影响，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线，从而有力地克服
复杂物理环境下环境温度参数变化对光纤陀螺精度的影响，满足光纤陀螺系统应用需求。

[0032] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0034] 图1是本发明实施例提供的基于模分复用的光纤陀螺的示意性结构图；

[0035] 图2是本发明实施例提供的模式选择耦合器的示意性结构图；

[0036] 图3是本发明实施例提供的模式选择耦合器的耦合效率以及输出端基模光与高阶模光的能量比与波长的变化关系的示意图；

[0037] 图4是本发明实施例提供的第二保偏光纤耦合器的示意性结构图；

[0038] 图5是现有技术中光纤陀螺的原始输出曲线与温度变化关系示意图；

[0039] 图6是本发明实施例提供的基于模分复用的光纤陀螺的原始输出曲线与二维传感解调矩阵优化后的输出曲线的对比示意图。

[0040] 附图标记：

[0041] 100、宽谱光源；110、基模光；120、高阶模光；200、模式选择耦合器；210、单模光纤；220、少模光纤；230、第一耦合区；300、第一保偏光纤耦合器；400、第一Y波导；500、第一光纤环圈；600、第二保偏光纤耦合器；610、第一多模光纤；620、第二多模光纤；630、第二耦合区；
700、第二Y波导；800、第二光纤环圈；900、探测器。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

[0043] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0044] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领
域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

[0045] 在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第
一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”
可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特
征。

[0046] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性
表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可
以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领
域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征
进行结合和组合。

[0047] 如图1至图6所示，本发明第一方面实施例提供一种基于模分复用的光纤陀螺，包括：

[0048] 光源发生单元，光源发生单元用以输出基模光110和高阶模光120；

[0049] 第一传感单元，包括第一耦合子单元和第一光纤环圈500，第一耦合子单元与光源发生单元的第一输出端连接，用以接收基模光110，并对基模光110进行耦合处理，第一光纤
环圈500与第一耦合子单元连接；

[0050] 第二传感单元，包括第二耦合子单元和第二光纤环圈800，第二耦合子单元与光源发生单元的第二输出端连接，用以接收高阶模光120，并对高阶模光120进行耦合处理，第二
光纤环圈800与第二耦合子单元连接；

[0051] 其中，第一光纤环圈500和第二光纤环圈800用以同步测量温度和角速率。可以理解的是，如图1所示，其中，光源发生单元用以输出两种模式的光源，包括基模光110和高阶
模光120。

[0052] 进一步地，基模光110由光源发生单元传输至第一耦合子单元，经第一耦合子单元耦合处理，传输至第一光纤环圈500，进而通过第一光纤环圈500，实现对温度和角速率的测
量。

[0053] 其中，高阶模光120由光源发生单元传输至第二耦合子单元，经第二耦合子单元耦合处理，传输至第二光纤环圈800，进而通过第二光纤环圈800，实现对温度和角速率的测
量。

[0054] 需要说明的是，第一传感单元和第二传感单元为两个相互独立的传感单元，互不发生干扰，且第一光纤环圈500和第二光纤环圈800对温度和角速率进行同步测量，建立基
模光与高阶模光的有效折射率与速率误差随温度变化的二维传感矩阵，对二维矩阵解调，
精确地量化温度对光纤陀螺输出的影响，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线，从而有力地克服
复杂物理环境下环境温度参数变化对光纤陀螺精度的影响，进而提高光纤陀螺精度。

[0055] 在一些实施例中，光源发生单元包括宽谱光源100和模式选择耦合器200，宽谱光源100的输出端与模式选择耦合器200的输入端连接，用以向模式选择耦合器200输出基模
光110，模式选择耦合器200用以将部分基模光110耦合转化为高阶模光120。可以理解的是，
宽谱光源100可输出基模光110，并将基模光110传输至模式选择耦合器200中，模式选择耦
合器200具有选择耦合和分离作用。

[0056] 其中，基模光110在模式选择耦合器200的第一耦合区230发生折射率匹配耦合效应，使得部分基模光110转化为高阶模光120，进而模式选择耦合器200输出未被转化的部分
基模光110和转化成的高阶模光120。

[0057] 在一些实施例中，模式选择耦合器200包括少模光纤220和单模光纤210，单模光纤210与少模光纤220熔融拉锥连接，单模光纤210的输入端与宽谱光源100连接，单模光纤210
的输出端与第一耦合子单元连接，少模光纤220的输出端与第二耦合子单元连接。可以理解
的是，如图2所示，利用相位匹配原理，模式选择耦合器200由少模光纤220和单模光纤210通
过熔融拉锥制备而成。具体的，单模光纤210的输入端与宽谱光源100连接，实现宽谱光源
100输出的基模光110传输至单模光纤210，少模光纤220的输入端封闭。少模光纤220和单模
光纤210的中部为熔融拉锥连接位置，即形成第一耦合区230。

[0058] 其中，由第一耦合区230转化形成的高阶模光120传输至少模光纤220，并由少模光纤220的输出端传输至第二耦合子单元；剩余部分的基模光110传输至单模光纤210，并由单
模光纤210的输出端传输至第一耦合子单元。

[0059] 也就是说，模式选择耦合器200具有一个输入端和两个输出端，实现基模光110的输入以及高阶模光120的输出和部分基模光110的输出。

[0060] 在一些实施例中，第一耦合子单元包括第一保偏光纤耦合器300和第一Y波导400，第一保偏光纤耦合器300的输入端与光源发生单元连接，用以耦合基模光110，第一Y波导
400的输入端与第一保偏光纤耦合器300的输出端连接，用以传输和调制基模光110，第一Y
波导400与第一光纤环圈500连接。可以理解的是，如图1所示，第一保偏光纤耦合器300为传
统的保偏光纤耦合器，第一Y波导400为传统的Y波导，第一光纤环圈500为传统保偏光纤环
圈。其中，基模光110由单模光纤210传输至第一保偏光纤耦合器300，经第一保偏光纤耦合
器300耦合作用后传输至第一Y波导400，第一Y波导400对基模光110进行传输和调制，之后
将基模光110传输至第一光纤环圈500，进而实现第一光纤环圈500对温度和角速率的测量。

[0061] 在一些实施例中，第二耦合子单元包括第二保偏光纤耦合器600和第二Y波导700，第二保偏光纤耦合器600的输入端与光源发生单元连接，用以耦合高阶模光120，第二Y波导
700的输入端与第二保偏光纤耦合器600的输出端连接，用以传输和调制高阶模光120，第二
Y波导700与第二光纤环圈800连接。可以理解的是，如图1所示，第二保偏光纤耦合器600的
输入端与少模光纤220的输出端连接，实现高阶模光120传输至第二保偏光纤耦合器600内，
经过第二保偏光纤耦合器600的耦合作用，高阶模光120传输至第二Y波导700，经第二Y波导
700高阶模式的传输和调制，高阶模光120传输至第二光纤环圈800，进而实现第二光纤环圈
800与第一光纤环圈500同步测量温度和角速率。

[0062] 在一些实施例中，第二保偏光纤耦合器600包括第一少模光纤和第二少模光纤，第一少模光纤和第二少模光纤熔融拉锥连接；

[0063] 或，第二保偏光纤耦合器600包括第一多模光纤610和第二多模光纤620，第一多模光纤610与第二多模光纤620熔融拉锥连接。可以理解的是，第二保偏光纤耦合器600由两根
相同的光纤进行熔融拉锥连接制备。具体的，可选用少模光纤或多模光纤。

[0064] 在一个实施例中，第二保偏光纤耦合器600由第一少模光纤和第二少模光纤熔融拉锥连接制备，其中，第一少模光纤的中部和第二少模光纤的中部熔融拉锥形成耦合区。

[0065] 在一个实施例中，如图4所示，第二保偏光纤耦合器600由第一多模光纤610与第二多模光纤620熔融拉锥连接制备，其中，第一多模光纤610的中部与第二多模光纤620的中部
熔融拉锥形成第二耦合区630。

[0066] 在一些实施例中，第二保偏光纤耦合器600的输入端和输出端的耦合比为50:50。

[0067] 在一个实施例中，第二光纤环圈800基于少模光纤或多模光纤进行绕制、固化、老化制备而成。

[0068] 在一些实施例中，如图1所示，还包括探测器900，探测器900的探测端与光源发生单元的输出端连接，具体的，探测器900的探测端分别与单模光纤210的输出端和少模光纤
220的输出端连接，用以接收干扰信号，进而解算角速率。

[0069] 本发明第二方面实施例提供一种基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，包括如下步骤：

[0070] S10、基于模分复用原理，调控模式选择耦合器200中的少模光纤220和单模光纤210的熔融度以及直径参数，以调整模式选择耦合器200的工作带宽和高阶模式耦合效率；

[0071] S20、调控第二保偏光纤耦合器600中的两根光纤的熔融度，以实现第二保偏光纤耦合器600的输入端和输入端的耦合比为50:50；

[0072] S30、采用少模光纤或多模光纤制备第二光纤环圈800；

[0073] S40、对光纤陀螺进行温度性能测试，建立二维传感矩阵，并消除外界温度变化对光纤陀螺精度的影响。

[0074] 根据本发明第二方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，还包括如下步骤：

[0075] S11、通过模式选择耦合器200利用相位匹配方法对部分基模光110进行耦合，并输出基模光110和高阶模光120。

[0076] 根据本发明第二方面实施例的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法， S40步骤中，建立二维传感矩阵具体包括：

[0077] 基于模分复用原理，建立基模光110和高阶模光120的有效折射率和角速率随温度变化的二维矩阵，对二维矩阵解调，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线。

[0078] 本发明实施例提供的一种基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，具体包括如下步骤：

[0079] S10、依据模分复用原理，对模式选择耦合器200进行优化设计，通过对单模光纤和少模光纤之间熔融度、单模光纤和少模光纤各自的直径的精确控制，调整模式选择耦合器
200的工作带宽和高阶模式的耦合效率；

[0080] S11、通过模式选择耦合器200利用相位匹配方法对部分基模光110进行耦合，并输出基模光110和高阶模光120；

[0081] 具体的，光从宽谱光源100中发出以后以基模形式即基模光110，进入模式选择耦合器200，在第一耦合区230利用相位匹配耦合原理：

[0082]

[0083] 式中， 为基模光的能量分布；

[0084] 为高阶模光的能量分布；

[0085] 为基模光的自耦合系数；

[0086] 为高阶模光的自耦合系数；

[0087] 为基模光的互耦合系数；

[0088] 为高阶模光的互耦合系数；

[0089] 为基模光的传播常数；

[0090] 为高阶模光的传播常数；

[0091] 为少模光纤和单模光纤的耦合长度。

[0092] 通过第一耦合区230将部分基模光110转化为高阶模光120，为模分复用技术在光纤陀螺中的拓展创造基本条件。

[0093] 其中，自耦合系数 和 可以忽略，互耦合系数 ，互耦合系数可以表示为：

[0094]

[0095] 式中， 为基模光的光场分布；

[0096] 是高阶模光的光场分布；

[0097] 为微扰系数；

[0098] 是光频率。

[0099] 在部分基模光110转化为高阶模光120后，剩余的基模光110将在由传统保偏光纤构建的第一光纤环圈500中敏感测量温度和角速率；高阶模光120将在由少模光纤或多模光
纤构建的第二光纤环圈800中敏感测量温度和角速率。

[0100] 具体的，通过精确控制单模光纤210的直径X和少模光纤220的直径Y以及单模光纤210与少模光纤220之间的熔融度，实现基模光110到高阶模光120的转换, 且使模式选择耦
合器200能够在光纤陀螺工作范围内具备很好的转换性能；

[0101] 其中，单模光纤210与少模光纤220之间的熔融度为：

[0102]

[0103] 式中，Z为第一耦合区230端面结构的宽度；

[0104] 当熔融度为1时, 代表单模光纤210与少模光纤220间完全熔融; 熔融度为2, 代表单模光纤210与少模光纤220间没有熔融。本实施例中，单模光纤210采用的是标准光纤，
型号为SMF‑28e；选用的少模光纤220的参数为18/125 μm， 。经过充分的理论计算
和实际拉制流程，当单模光纤210与少模光纤220的纤径分别为4.0μm和6.15μm时，能够实现
基模光110向高阶模光120的转换。

[0105] 在实际操作过程中，首先剥去单模光纤210与少模光纤220的涂覆层并用酒精擦拭干净；然后将单模光纤210预拉至83μm，再将少模光纤220和预拉好的单模光纤210平行放置
到一起，扭转一圈后平稳放置到氢氧拉锥机位移平台上，利用火焰加热的方式对单模光纤
210与少模光纤220进行弱熔融拉锥；

[0106] 其中，单模光纤210的输入端连接可调谐激光器，输出端连接功率计；少模光纤220的输出端连接电荷耦合器件观察输出模场，当观测到纯净的高阶模光120且分光比达到要
求后停止拉锥并进行封装。

[0107] 如图3所示模式选择耦合器200的耦合效率以及输出端基模光110与高阶模光120的能量比随波长的变化关系，图3中，指向左侧的箭头对应的曲线为模式选择耦合器200的
耦合效率随波长的变化曲线，指向右侧箭头对应的曲线为基模光110与高阶模光120的能量
比随波长的变化曲线。当熔融度为1.78时，此时第一耦合区230端面结构的宽度为18.2μm，
在光纤陀螺工作波段范围1520nm‑1560nm内，模式选择耦合器200的耦合效率接近0.5，同
时，基模光110与高阶模光120的能量比接近0.9，能够满足模分复用的光纤陀螺应用需求。

[0108] S20、调控第二保偏光纤耦合器600中的两根光纤的熔融度，以实现第二保偏光纤耦合器600的输入端和输入端的耦合比为50:50；

[0109] 具体的，采用少模光纤或者多模光纤拉熔融拉锥制备第二保偏光纤耦合器600，以保证高阶模光120的低损耗传输，拉制流程与传统光纤耦合器一致，当耦合分光比为1:1时
即可满足应用需求。

[0110] S30、采用少模光纤或多模光纤进行绕制、固化、老化制备第二光纤环圈800。需要说明的是，第一光纤环圈500和第二光纤环圈800的直径和长度均相同。

[0111] S40、将宽谱光源100、模式选择耦合器200、第一保偏光纤耦合器300、第一Y波导400、第一光纤环圈500、第二保偏光纤耦合器600、第二Y波导700、第二光纤环圈800和探测
器900装配成光纤陀螺，并对光纤陀螺开展温度性能测试，建立二维传感矩阵消除外界温度
变化对陀螺精度的影响，提高光纤陀螺使用精度；

[0112] 具体的，如图5和图6所示，图5示意为原始光纤陀螺的零偏曲线与温度的变化关系，图6示意为基于模分复用建立模式有效折射率、角速率二维矩阵解调以后的光纤陀螺零
偏稳定性曲线与现有技术中光纤陀螺的原始输出曲线的对比。其中，横轴为时间，单位为
100s；左竖轴为角速率，单位为°/h；右竖轴为温度，单位为摄氏度。

[0113] 通过建立热瞬变过程引起的旋转速率误差矩阵：

[0114]

[0115] 式中， 为基模光的输出角速率；

[0116] 为高阶模光的输出角速率；

[0117] 为光纤环圈的直径与长度的乘积；

[0118] 为基模光的有效折射率；

[0119] 为高阶模光的有效折射率；

[0120] 为基模光的有效折射率随温度的变化系数；

[0121] 为高阶模光的有效折射率随温度的变化系数；

[0122] 为环圈的温度变化导数；

[0123] 需要解释说明的是，由于第一光纤环圈和第二光纤环圈的直径和长度均相同，因此， 为测量定值，且D为光纤环圈的直径；L为光纤环圈的长度。

[0124] 利用基模光110与高阶模光120的有效折射率随温度的变化以及速率误差随温度导数的变化关系，精确解调出温度对光纤陀螺输出的影响，从而提升光纤陀螺的零偏稳定
性，本实施例中，光纤陀螺精度由现有的0.02°/h提升至0.003°/h。

[0125] 本发明提供的基于模分复用的光纤陀螺，通过光源发生单元耦合输出高阶模光至第二光纤环圈，将基模光输出至第一光纤环圈中，第一光纤环圈和第二光纤环圈同步测量
外界温度和转速变化，建立传感解调矩阵，从而抑制温度等噪声因素对陀螺输出的影响，以
解决复杂温度环境下光纤陀螺的精度受限问题，满足高精度长航时惯性导航系统应用需
求。

[0126] 进一步地，本发明提供的基于模分复用的光纤陀螺的精度提升方法，通过建立基模光与高阶模光的有效折射率与速率误差随温度变化的二维传感矩阵，对二维矩阵解调，
精确地量化温度对光纤陀螺输出的影响，获得光纤陀螺零偏稳定性曲线，从而有力地克服
复杂物理环境下环境温度参数变化对光纤陀螺精度的影响，满足光纤陀螺系统应用需求。

[0127] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单
元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其
中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性
的劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0128] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。