了了解光纤干涉陀螺仪的基本结构，首先要了解光纤耦合器。光纤耦合器是一种光纤式的光能的分配元件。它是由两根平行的光纤将它们的内侧面磨平贴合在一起所形成的。不过现在制造光纤耦合器的方法已经不是这样的了。现代的方法是利用一种对光纤具有腐蚀作用的酸，在容器中将酸液的平面升高，在这个高度上正好可以将两根光纤的外层全部腐蚀掉。然后将这两根经过腐蚀的光纤加压贴紧，在相对较高的温度下对光纤进行拉伸。在拉伸的同时，利用仪器来测量输出的光能的分配情况，当光能分配满足耦合器的设计要求时，保持和固定耦合器的这一状况，这样一个合格的光纤耦合器就制成了。通过这种结构，当在一根光纤中一个入口有光通过时，它会经过耦合器的分配，将光在两根光纤出口中同时输出，同时两根光纤出口中的能量分配具有恒定的比例。和光线在介质表面的反射和透射一样，这样在输出的光中，在同一根光纤出口中的光是经过连接面的反射来实现的，而在另一根光纤出口中的光是经过连接面的折射来实现的，这两个光纤出口的光之间具有９０度的相位差。如果我们用数字来表示光纤的进出口，１和２表示是进口，３和４表示是出口，其中１和３是同一根光纤，而２和４是同一根光纤，这将对后面的讨论比较方便一些。关于光纤耦合器两个输出的光之间的相位差的问题可以很简单地用一个闭合的环形干涉仪来说明：假设一束光射到一个５０％比５０％的分光片上，它的透射光经过三个反射镜回到分光片后，经过反射到达光源所在的方向；而从分光片反射的光，经过相同的三个反射镜后，回到分光片，经过透射同样到达光源所在的方向。这两束光的强度均应该是入射光强度的１／４，因为光学的可逆性的原理，它们相干以后的光强应该等于入射光的强度。从这里看，它们之间的相位差应该等于零。如果考察与入射方向成直角的另一个出口的情况，根据光学的可逆性，在这个出口上，光的总能量应该等于零。也就是说，在这个出口上，两束光之间的相位差为１８０度。这两束光一束是经过两次分光片的反射，另一束是经过分光片的两次透射。所以如果仅仅考察一次反射和一次透射的两束光，它们的相位差一定是９０度。

和光纤耦合器具有相同作用的是光学的Ｙ形波导管，这也是一种光能分配的元件。不过它的体积更小，更具有集成性。它是这样制成的：首先在铌酸锂 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}的晶块上利用照相制版使钛金属在晶体的表面上画出一个Ｙ形状的线条，然后利用高温使钛分子渗入铌酸锂的晶粒中，从而形成一个折射率高的Ｙ形状的光学波导管。和光纤耦合器不同，光学波导管只有一个入口，从中输出的两束光和光纤耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光学波导管和光纤的连接是一个很难解决的实际问题，光学波导管的截面和光纤截面的形状大不相同，因此在接口处的因为间隙，不匹配和中心偏移会引起的能量损失都相当的高。 

由于光纤耦合器的出射光的相位差问题，所以仅仅使用一个光纤耦合器的光纤干涉式陀螺仪存在自身相位漂移的现象。这种光纤干涉陀螺仪的原理图是这样的：一个发光二极管连接到一个光纤耦合器的结口１上，然后将耦合器的接口３和４连接到一个光纤圆环的两端，最后在接口２上接上一个光电探测器，这样应该就是一个简单的光纤陀螺仪了。因为光纤耦合器将光分解为两束，其中一束光在光纤环中沿顺时针方向传输，另一束沿逆时针方向传输。如果光纤环是静止的，那么两束光的光程完全相同，如果光纤环有各个角速度，则会产生一个光程差，从而在接收器形成光强的明暗的变化。但是应该指出在这种结构的安排中，沿顺时针方向的光在整个行程中，它经过了耦合器两次的反射，而沿逆时针方向的光在耦合器中确经过了两次的透射，所以在仪器中引进了自身存在的相位漂移现象。

因此在实际上光纤干涉陀螺仪的最基本的结构应该包含有两个光纤耦合器。也就是说在仪器中的在第一个光纤耦合器的后面还要再加上一个光纤耦合器。这样的安排保证了从不同方向前进的光将具有完全相同的光程和相位。为了保证两束光具有相同的极化方向，一般在两个耦合器之间还要加上一个极化偏振片，以保证在光纤中传输的仅仅是在一个方向上的极化的光束。在这种光纤干涉陀螺仪中相位的变化和光纤环转动的角速度之间的关系是：

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(1.5)

在实际的光纤陀螺仪中，光纤环路常常是由很多很多的圈的光纤构成的，因此上式中的面积应该是各圈面积的总和。而由此引起的在接收器中光强的变化应该由下列的公式来确定：

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(1.6)

在这个公式中当陀螺仪的角速度为零时，接收器中的光强为最大值。但是在这种状态下光强和相位差的曲线的斜率值为零，因此当角速度比较小的时候，这种仪器的灵敏度很低。同时它也不能从光强的变化中识别陀螺仪的角速度的方向。为了解决这两个问题，可以在仪器中利用闭环系统引进一个预设的相位误差。这个相位误差是这样引进的：当逆时针方向的光刚刚进入环路的时候，利用一个压电式的触动器使一部分光纤的长度产生变化，而当顺时针方向的光束进入这个触动器时，则将这个信号除去，使光纤的长度保持不变。由于引进了这个附加的预定的相位差，这样可以使光纤干涉陀螺仪的相位零点偏置在９０度的位置上，在这个位置上，光强和相位差的曲线具有最大的斜率，这样不但可以极大地提高陀螺仪的灵敏度，而且可以从光强的变化中辨别光纤环的旋转方向。由于余弦函数在这个区间的斜率几乎是一个常数，所以在一个小的区间，光强的变化和陀螺仪的转速具有成正比的关系。这一点对于仪器的使用是一个极大的优点。

讲到这里我们还要提一下光线在光纤中传播时的极化的问题。要了解光纤首先要了解光纤的数学孔径 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->}。光纤的数学孔径是这样定义的：它是由真空中向光纤入射并使光线在光纤中实现全反射的最大入射角的正弦值。这个值就是：

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(1.7)

式中 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}和 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}分别是光纤内芯和光纤外层的折射率。有了光纤的数学孔径，就可以定义光纤的归一后的频率 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->}，这个频率的表达式为：

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(1.8)

式中 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}是光纤内芯的半径。当光纤的归一后的频率在０和２。４０５之间时，我们就称这样的光纤是单模光纤。单模光纤就是我们光纤陀螺仪中所使用的光纤。单模光纤中传播的光的截止频率为：

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(1.9)

在理论上讲单模光纤是完全轴对称的，它不应该存在任何极化的问题。但是由于光纤形状的原因或者是由于应力的原因也会使得单模光纤也有着所谓的双折射的现象。这种光纤形状的原因是指光纤的内芯不是正园形，呈一定的椭圆形，所以光线在一个方向传播时具有较短的光程，而在另一个方向上则具有较长的光程；而外在应力的原因是由于不对称的附加应力在光纤中产生了同样不对称的弹性光学效应，导致了光纤在不同方向上的不同的密度分布，同样引起了光程的变化。这种外来的应力可以来自光纤的弯曲，可以来自光纤中的温度的变化，也可以来自外界的声音的机械振动。总之这种双折射的现象使得在光纤内两个互相垂直的方向上传播的光束具有不同的传播速度。由于这个原因，光束经过光纤以后虽然所经过的光纤线圈是相同的，但是由于它们的方向不同，它们会有不同的极化问题而会影响它们相干性。也就是说在前面的公式１。６中的余弦项的前面应该加上一个关于相干度的系数，这个系数的值在０和１之间。高的相干度是光纤陀螺仪高灵敏度的重要条件。因此在光纤仪器中要特别注意光纤的极化问题。

在前面我们已经讨论了利用相位调制使陀螺仪的相位实现９０度的偏置以增加仪器的灵敏度的问题。这样在公式1.6中相位差的表达式中就包括了两个部分，这两个部分中一个是因为光纤环的转动所引起的相位差 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}，另一个则是引进的附加相位差 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}。实际上，一般在光纤陀螺仪中引进的相位的调制量是一个交变量，它可以是一个方波，也可以是其它的波形。这里调制量的调制频率为 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}，它和陀螺仪的光纤总长度有关。调制频率有时也称为光纤的特征频率 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}，这个频率的值和光纤长度值的积大约等于 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}。当光纤长度为 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}时，调制频率应该为 _{<!--[if !vml]--><!--[endif]-->}。光纤长度短，所需要的调制频率要更高才能使仪器能够达到最大的灵敏度。当调制波形是方波时，这时输出光强的表达式为：

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(1.10)

当陀螺仪处于静止状态，它的输出量是一个恒定的量：

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(1.11)

当陀螺仪有一个转动角时，则它的输出量会变成：

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(1.12)

在探测中在探测器上也要对信号值进行反调制，以探测出因为光纤环转动所引起的光强信息的变化。这个变化就是正负调制时光强之间的差值为：

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->    <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

(1.13)