CN114526719A - 一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺及其控制方法 - Google Patents
一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺及其控制方法，半导体激光器产生激光，通过放大器抑制相对强度噪声，自发参量下转换生成的纠缠光子对经过铌酸锂相位调制晶体的相位调制之后，通过偏振分/合束器进入光纤环，当光纤环相对惯性空间发生旋转时，由于环中顺逆时针光束走过的光程不同，二者的干涉条纹将发生相位移动，这个相位变化被光电探测器记录后进入现场可编程逻辑门阵列芯片，在现场可编程逻辑门阵列芯片中经过数据处理后得到陀螺的角速度信息，另外，现场可编程逻辑门阵列芯片还将根据角速度的变化给出相应的射频调制信号，该信号被输入到相位调制器中，实现对光路的闭环控制。
Description
技术领域
本发明涉及干涉型光纤陀螺技术领域，具体地，涉及一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺及其控制方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速度敏感装置，被广泛应用于海陆空天各个领域，比如飞行器的姿态控制、船舶的导航定位以及弹道导弹的精确制导等，在国防和民用领域均扮演着重要角色。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态仪表；与激光陀螺相比，光纤陀螺无需提供数千伏的点火电压，也不需要采用机械抖动来避免闭锁现象，不需要超高精度的光学加工和严格的气体密封，具有易于装配、低成本、高可靠性的优势。
干涉型光纤陀螺是目前发展最成熟的光纤陀螺，已经实现产业化。它的工作原理如下：当陀螺旋转时，它通过检测光纤环中顺逆时针方向的相位差Φ来感知旋转角速度Ω，Φ与光纤环的半径和光纤长度成正比。因此，在其他条件不变时，增加光纤环半径和光纤长度成为提高光纤陀螺精度的最常用手段。然而这并不是无限制的：当所用光纤达到一定长度时，继续增加长度将会损害陀螺的性能，提高光纤陀螺的生产难度和制作成本。其困难主要体现在两个方面：第一，当光纤长度增加时，为保证光电探测器的响应，光源功率必须得到相应的增加，这会激发光纤中的非线性效应，严重影响陀螺的测量精度。第二，光纤环尺寸的增加会导致不同位置处的光纤所处环境温度不均匀，在光纤环中引入非互易性误差。另外，为了抑制光纤中的偏振误差，干涉型光纤陀螺的光纤环一般采用价格较高的保偏光纤绕制而成，因此陀螺的成本随着光纤长度的增加而不断增加，这也限制了陀螺中的光纤长度。目前通过将纠缠光子对应用于陀螺当中，利用纠缠光子更小的德布罗意波长突破了电磁场本身的量子化所决定的经典散粒噪声极限，让陀螺的精度能够超越经典光学系统极限，这就使得干涉型光纤陀螺可以使用更短的光纤达到相同的精度。
然而由于纠缠光子对是自发参量下转换过程产生的，该过程需要严格满足相位匹配条件，而光源的相对强度噪声会导致光功率波动，输出光子的能量和动量发生改变，破坏相位匹配条件，因此转换效率很低，大约每1012个入射光子才能产生一个光子对，这严重影响了光量子纠缠陀螺的信噪比。因此需要寻找一种能够提高自发参量下转换过程转换效率的方法，以改善光量子纠缠陀螺的信噪比，增加干涉条纹可见度。
发明内容
本发明针对目前光量子纠缠陀螺中纠缠光子对产生效率低下，陀螺信噪比较低的问题，提出了一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺及其控制方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺：
所述光纤陀螺具体包括：相对低相对强度噪声的纠缠光子源11、2×1光纤耦合器5、相位调制器6、偏振分/合束器7、光纤环8、光电探测器9、现场可编程逻辑门阵列芯片10和相对低相对强度噪声的纠缠光子源11；
所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源11与2×1光纤耦合器5的第一入射端连接；
2×1光纤耦合器5的出射端与相位调制器6的光学入射端连接；相位调制器6的光学出射端与偏振分/合束器7的第一入射端连接；
偏振分/合束器7的第一出射端与光纤环8的第一入射端连接；偏振分/合束器7的第二出射端与光纤环8的第二入射端连接；
光电探测器9的入射端与2×1光纤耦合器5的第二入射端连接；光电探测器9的出射端与现场可编程逻辑门阵列芯片10的输入端连接；
现场可编程逻辑门阵列芯片10的数据输出端与相位调制器6的电信号入射端连接。
进一步地，所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源11由半导体激光器1、半导体光放大器2、偏硼酸钡晶体3和聚焦透镜4组成；
所述半导体激光器1的出射端与半导体光放大器2的入射端连接；半导体光放大器2的出射端与偏硼酸钡晶体3的入射端连接；
偏硼酸钡晶体3的出射端与聚焦透镜4的入射端连接。
进一步地，当光纤环8发生旋转时，在2×1光纤耦合器5中汇合时将发生相位移动，生成干涉条纹，从而发生光强的改变；
所述光强的改变被光电探测器9记录，输入到现场可编程逻辑门阵列芯片10当中，经过数据处理后将调制信号反馈到相位调制器6的电信号入射端，从而完成对纠缠光子的调制。
进一步地，所述现场可编程逻辑门阵列芯片10记录干涉条纹的变化和对干涉信号的实时解调。
一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺的控制方法：
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先半导体激光器1产生连续光信号，向半导体光放大器2中发射光子；
步骤二：半导体光放大器2抑制相对强度噪声，减小光源出射光子的能量和动量不确定度；
步骤三：经过半导体光放大器2稳定的光子进一步入射到偏硼酸钡晶体3中，发生自发参量下转换过程；
步骤四：纠缠光子对经过相位调制器6进行相位调制；
步骤五：相位调制后的纠缠光子经过偏振分/合束器7入射光纤环8；
步骤六：顺逆时针方向的光束在2×1光纤耦合器5处发生干涉，干涉条纹体现为光束强度的变化；
步骤七：光电探测器9采集光束强度的变化；
步骤八：步骤七采集的信息输入到现场可编程逻辑门阵列芯片10中进行数据处理，从而得到光纤陀螺的角速度信息，根据角速度信息给出相应的射频调制信号，所述射频调制信号被输入到相位调制器6中，实现对光路的闭环控制。
进一步地，在步骤二中，
当调节半导体光放大器2的工作点至非线性区、即增益饱和区时，入射光功率的波动被压缩，进而减小半导体激光器1的相对强度噪声，计算公式为：
式中，n为半导体器件的折射率，t为时间，R(n)为载流子浓度，I表示泵浦电流，ηI表示电流注入效率，e为电子带电量，V表示半导体光放大器中材料有源区的体积，Γ表示模场限制因子，νg表示有源区中光束的群速度，Si表示第i束光的光子密度。
进一步地，在步骤三中，
由于空间中存在量子涨落，当满足相位匹配条件时，偏硼酸钡晶体3会将每个入射的光子随机分裂成一个光子对，在这个过程中，入射光子称为泵浦光子，生成的纠缠光子对中的两个光子可以分别称为“信号光子”和“空闲光子”；则有如下计算公式：
式中，ωp、ωs、ωi分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的角频率；kp、ks、ki分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的波数向量。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明有益效果
本发明提出的抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺则采用半导体光放大器压缩激光器功率波动，减小了进入非线性晶体光子的动量不确定度，进而放宽了相位匹配条件施加的温度限制条件，而现有纠缠增强干涉型光纤陀螺所用的激光源未采用功率稳定设计，为了满足自发参量下转换过程中严格的相位匹配条件，需要将所用磷酸钛钾晶体所处环境的温度稳定在0.01℃甚至0.001℃，这对于系统的实际应用增加了非常严格的限制条件；
本发明提出的抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺采用现场可编程逻辑门阵列芯片采集相位变化，现场可编程逻辑门阵列芯片能够对数据进行实时、高速地处理，通过将其处理得到的调制信号加载至铌酸锂相位调制晶体中，能够实现对光路的闭环控制，增加陀螺动态范围；而现有的纠缠增强干涉型光纤陀螺采用时间标记模块记录Sagnac效应产生的相位变化信号，而时间标记模块无法实现对数据的实时处理，难以实现对光路的闭环控制，需要配合上位机对数据进行后处理，这增加了系统的成本，并且无法实现实时感知角速度的功能。
附图说明
图1为本发明抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺实现方法的流程图；
图2为半导体光放大器抑制相对强度噪声的原理图；
图3为本发明抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺实现装置示意图；其中，1-半导体激光器、2-半导体光放大器、3-偏硼酸钡晶体、4-聚焦透镜、5-2×1光纤耦合器、6-相位调制器、7-偏振分/合束器、8-光纤环、9-光电探测器、10-现场可编程逻辑门阵列芯片；11-相对低相对强度噪声的纠缠光子源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图3。
一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺：
如图3，所述光纤陀螺具体包括：相对低相对强度噪声的纠缠光子源11、2×1光纤耦合器5、相位调制器6、偏振分/合束器7、光纤环8、光电探测器9、现场可编程逻辑门阵列芯片10和相对低相对强度噪声的纠缠光子源11；
所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源11与2×1光纤耦合器5的第一入射端连接；
2×1光纤耦合器5的出射端与相位调制器6的光学入射端连接；相位调制器6的光学出射端与偏振分/合束器7的第一入射端连接；
偏振分/合束器7的第一出射端与光纤环8的第一入射端连接；偏振分/合束器7的第二出射端与光纤环8的第二入射端连接；
光电探测器9的入射端与2×1光纤耦合器5的第二入射端连接；光电探测器9的出射端与现场可编程逻辑门阵列芯片10的输入端连接；
现场可编程逻辑门阵列芯片10的数据输出端与相位调制器6的电信号入射端连接。
所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源11由半导体激光器1、半导体光放大器2、偏硼酸钡晶体3和聚焦透镜4组成；
所述半导体激光器1的出射端与半导体光放大器2的入射端连接；半导体光放大器2的出射端与偏硼酸钡晶体3的入射端连接；
偏硼酸钡晶体3的出射端与聚焦透镜4的入射端连接。
当光纤环8发生旋转时，在2×1光纤耦合器5中汇合时将发生相位移动，生成干涉条纹，从而发生光强的改变；
所述光强的改变被光电探测器9记录，输入到现场可编程逻辑门阵列芯片10当中，经过数据处理后将调制信号反馈到相位调制器6的电信号入射端，从而完成对纠缠光子的调制。
所述现场可编程逻辑门阵列芯片10记录干涉条纹的变化和对干涉信号的实时解调。
一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺的控制方法：
所述控制方法具体包括以下步骤：如图1所示；
步骤一：首先半导体激光器1产生连续光信号，向半导体光放大器2中发射光子；
步骤二：半导体光放大器2抑制相对强度噪声，减小光源出射光子的能量和动量不确定度；
步骤三：经过半导体光放大器2稳定的光子进一步入射到偏硼酸钡晶体3中，发生自发参量下转换过程；
步骤四：纠缠光子对经过相位调制器6进行相位调制；
步骤五：相位调制后的纠缠光子经过偏振分/合束器7入射光纤环8；
步骤六：顺逆时针方向的光束在2×1光纤耦合器5处发生干涉，干涉条纹体现为光束强度的变化；
步骤七：光电探测器9采集光束强度的变化；
步骤八：步骤七采集的信息输入到现场可编程逻辑门阵列芯片10中进行数据处理，从而得到光纤陀螺的角速度信息，根据角速度信息给出相应的射频调制信号，所述射频调制信号被输入到相位调制器6中，实现对光路的闭环控制。
在步骤二中，
当调节半导体光放大器2的工作点至非线性区、即增益饱和区时，入射光功率的波动被压缩，进而减小半导体激光器1的相对强度噪声，半导体光放大器1中的上述过程可以用Agrawal在1989年提出的受激辐射复合引起载流子消耗导致增益饱和的速率方程来描述，计算公式为：
式中，n为半导体器件的折射率，t为时间，R(n)为载流子浓度，I表示泵浦电流，ηI表示电流注入效率，e为电子带电量，V表示半导体光放大器中材料有源区的体积，Γ表示模场限制因子，νg表示有源区中光束的群速度，Si表示第i束光的光子密度。
由上式描述的半导体光放大器工作曲线如图2所示，当输入功率较小时，半导体光放大器工作在线性区间，此时输入功率的波动会被放大，无法起到抑制噪声的效果；而当输入功率增大，达到半导体光放大器的非线性区(即增益饱和区)时，半导体光放大器2增益饱和造成的非线性区压缩光源功率的波动，从而减小光源出射光子的能量和动量不确定度，更好的满足相位匹配条件，提高自发参量下转换过程的光子对生成效率。
从图2可以直观的看出输入半导体光放大器的光功率波动被压缩，起到了降低噪声指数的作用。
在步骤三中，
由于空间中存在量子涨落，当满足相位匹配条件时，偏硼酸钡晶体3会将每个入射的光子随机分裂成一个光子对，在这个过程中，入射光子称为泵浦光子，生成的纠缠光子对中的两个光子可以分别称为“信号光子”和“空闲光子”；
在此过程中，根据能量守恒和动量守恒原理可以得出如下关系：
式中，ωp、ωs、ωi分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的角频率；kp、ks、ki分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的波数向量。
该过程生成的信号光子和空闲光子之间存在能量和动量关联，在光学系统中，我们利用非线性晶体的双折射特性将二者分配到不同的偏振方向中，这就将难以利用的动量和频率纠缠转变为了在光学系统中很容易区分和利用的偏振态纠缠，需要指出的是，自发参量下转换过程产生的光束为宽带光，所以能够产生很窄的干涉条纹，有利于提高干涉型光纤陀螺的灵敏度。
当光纤环发生旋转时，由于环中顺逆时针光束走过的光程不同，根据Sagnac原理，在耦合器5中汇合时将发生相位移动，生成干涉条纹，从而发生光强的改变，这个改变被光电探测器8记录，进一步输入到现场可编程逻辑门阵列芯片10当中，在其中经过数据处理后将调制信号反馈到相位调制器6的电信号入射端，从而完成对纠缠光子的调制。另外，现场可编程逻辑门阵列芯片10还起到记录干涉条纹变化和对干涉信号实时解调的作用。
上述过程的原理如图2所示。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
具体实施时，所述半导体激光器1的中心波长为405nm；所述2×1光纤耦合器5的耦合比为50：50；所述相位调制器6为铌酸锂晶体电光调制器；所述光纤环8所用光纤为保偏光纤。通过光源光功率和选择调节半导体光放大器2的工作点，使其工作在增益饱和造成的非线性区，可以实现对入射光功率波动的压缩；调节偏硼酸钡晶体所处环境的温度可以改变该晶体的长度，从而稳定自发参量下转换过程中的能量守恒和动量守恒关系。
以上对本发明所提出的一种基于对比学习和多头自注意力机制的多模态情感分析方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺，其特征在于：
所述光纤陀螺具体包括：相对低相对强度噪声的纠缠光子源(11)、2×1光纤耦合器(5)、相位调制器(6)、偏振分/合束器(7)、光纤环(8)、光电探测器(9)、现场可编程逻辑门阵列芯片(10)和相对低相对强度噪声的纠缠光子源(11)；
所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源(11)与2×1光纤耦合器(5)的第一入射端连接；
2×1光纤耦合器(5)的出射端与相位调制器(6)的光学入射端连接；相位调制器(6)的光学出射端与偏振分/合束器(7)的第一入射端连接；
偏振分/合束器(7)的第一出射端与光纤环(8)的第一入射端连接；偏振分/合束器(7)的第二出射端与光纤环(8)的第二入射端连接；
光电探测器(9)的入射端与2×1光纤耦合器(5)的第二入射端连接；光电探测器(9)的出射端与现场可编程逻辑门阵列芯片(10)的输入端连接；
现场可编程逻辑门阵列芯片(10)的数据输出端与相位调制器(6)的电信号入射端连接。
2.根据权利要求1所述光纤陀螺，其特征在于：
所述相对低相对强度噪声的纠缠光子源(11)由半导体激光器(1)、半导体光放大器(2)、偏硼酸钡晶体(3)和聚焦透镜(4)组成；
所述半导体激光器(1)的出射端与半导体光放大器(2)的入射端连接；半导体光放大器(2)的出射端与偏硼酸钡晶体(3)的入射端连接；
偏硼酸钡晶体(3)的出射端与聚焦透镜(4)的入射端连接。
3.根据权利要求2所述光纤陀螺，其特征在于：
当光纤环(8)发生旋转时，在2×1光纤耦合器(5)中汇合时将发生相位移动，生成干涉条纹，从而发生光强的改变；
所述光强的改变被光电探测器(9)记录，输入到现场可编程逻辑门阵列芯片(10)当中，经过数据处理后将调制信号反馈到相位调制器(6)的电信号入射端，从而完成对纠缠光子的调制。
4.根据权利要求3所述光纤陀螺，其特征在于：
所述现场可编程逻辑门阵列芯片(10)记录干涉条纹的变化和对干涉信号的实时解调。
5.一种抑制相对强度噪声的纠缠增强干涉型光纤陀螺的控制方法，其特征在于：
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先半导体激光器(1)产生连续光信号，向半导体光放大器(2)中发射光子；
步骤二：半导体光放大器(2)抑制相对强度噪声，减小光源出射光子的能量和动量不确定度；
步骤三：经过半导体光放大器(2)稳定的光子进一步入射到偏硼酸钡晶体(3)中，发生自发参量下转换过程；
步骤四：纠缠光子对经过相位调制器(6)进行相位调制；
步骤五：相位调制后的纠缠光子经过偏振分/合束器(7)入射光纤环(8)；
步骤六：顺逆时针方向的光束在2×1光纤耦合器(5)处发生干涉，干涉条纹体现为光束强度的变化；
步骤七：光电探测器(9)采集光束强度的变化；
步骤八：步骤七采集的信息输入到现场可编程逻辑门阵列芯片(10)中进行数据处理，从而得到光纤陀螺的角速度信息，根据角速度信息给出相应的射频调制信号，所述射频调制信号被输入到相位调制器(6)中，实现对光路的闭环控制。
6.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于：在步骤二中，
当调节半导体光放大器(2)的工作点至非线性区、即增益饱和区时，入射光功率的波动被压缩，进而减小半导体激光器(1)的相对强度噪声，计算公式为：
式中，n为半导体器件的折射率，t为时间，R(n)为载流子浓度，I表示泵浦电流，ηI表示电流注入效率，e为电子带电量，V表示半导体光放大器中材料有源区的体积，Γ表示模场限制因子，νg表示有源区中光束的群速度，Si表示第i束光的光子密度。
7.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于：在步骤三中，
由于空间中存在量子涨落，当满足相位匹配条件时，偏硼酸钡晶体(3)会将每个入射的光子随机分裂成一个光子对，在这个过程中，入射光子称为泵浦光子，生成的纠缠光子对中的两个光子可以分别称为“信号光子”和“空闲光子”；则有如下计算公式：
式中，ωp、ωs、ωi分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的角频率；kp、ks、ki分别为泵浦光子、信号光子和空闲光子的波数向量。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至7中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求5至7中任一项所述方法的步骤。
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2022
- 2022-02-15 CN CN202210137180.2A patent/CN114526719A/zh active Pending
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