CN103941343A - 高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔，特别是一种腔内同时集成偏振轴旋转熔接和运用光子晶体光纤(PhotonicCrystalFibers，PCF)的谐振腔，谐振腔结构包括反射式和透射式两种不同形式；光纤谐振腔腔内熔接方式为偏振轴旋转90度2次熔接。在谐振式光纤陀螺应用中，要求光纤环形谐振腔具有低损耗、高清晰度、以及高偏振消光比特性。本发明减小了Kerr噪声的影响，两次90度熔接与光子晶体光纤能共同作用并抑制了偏振波动随温度的变化产生的噪声，在谐振式光纤陀螺或者其他的传感领域，具有重要的科学意义与应用价值。

Description

高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔

技术领域

本发明涉及一种光纤谐振腔，特别是具有抑制Kerr噪声与偏振噪声漂移功能与应用特种光子晶体光纤获的光学谐振腔，谐振腔结构包括反射式和透射式两种不同形式；光纤谐振腔腔内熔接方式为偏振轴旋转90度2次熔接。 

背景技术

光纤环形谐振腔作为谐振式光纤陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro，RFOG）的核心敏感部件，最简单的谐振腔可以由一个2′2光纤耦合器的两根尾纤简单熔接而成。透射式谐振腔结构则由两个2′2光纤耦合器构成。由于光纤制造工艺的问题，光在光纤谐振腔传输中会产生多种噪声，主要包括瑞背散射噪声，光学Kerr效应噪声与偏振波动噪声。为了克服背散射噪声，双频相位调制的方法被应用到陀螺系统中，但是光学Kerr噪声与偏振噪声难以得到有效的抑制。光学Kerr效应是一种和功率有关的非线性有效应。当光波导直径很小时，波导新区的光功率密度很大，光的折射率将发生变化，引起光的非线性传播。如果谐振腔顺时针（Clockwise，CW）和逆时针（Counterclockwise，CCW）方向光波功率不平衡，就会产生一个小的非互易相位差，从而使系统出现伪旋转产生噪声。偏振噪声是由于在保偏光纤中，存在两个本征偏振态（Eigenstates of polarization，ESOPs），两个ESOPs之间存在折射率差，其值随着温度波动发生变化，这会导致光纤谐振腔的两个ESOPs各自所对应的谐振光波发生叠加与干涉效应，引起谐振曲线的不对称性和ESOPs之间的干涉，进而引起谐振频率点的检测误差与陀螺的输出误差。目前偏振波动噪声与光学Kerr效应噪声依旧是谐振式光纤陀螺系统中最重要的光学噪声源之一。 

为了克服光纤谐振腔的偏振波动噪声，研究者们提出了多种方案。 

专利申请US20100128277提出了基于起偏器与单次90o熔接的谐振腔结构。然而单次90o熔接技术与起偏器结构不能共存在一个谐振腔中（该专利申请实际上是提出了两个方案，一次90o熔接方案与谐振腔加起偏器方案）。如果两个方案合并在一个谐振腔中会导致所有的偏振态都被明显衰减，使得谐振腔失去谐振功能。如果只使用一次90o熔接方案则不能有效抑制次偏振态的强度噪声，只使用起偏器方案，则不能抑制两个偏振态的干涉噪声。 

专利申请CN 201210103664.1高偏振消光比的光学谐振与专利申请CN 201210103665.6提出利用2次90o旋转熔接技术，成功的将光纤起偏结构与偏振轴旋转技术相结合，对上述两种偏振噪声（次偏振态强度噪声和主次偏振态干涉噪声）进行了很好地抑制。然而起偏器的起偏效果有限，限制了陀螺输出精度的提高。受限于目前器件的工艺水平，难以实现全温度范围抑制偏振噪声到极限灵敏度以下（要求的消光比远大于目前起偏器能提供的水平）。同时谐振腔中分立元件的加入，极大地增加了光纤谐振腔的绕制困难，不利于RFOG性能的改善和提高。 

而且以上各个方案对于光学Kerr噪声没有有效地抑制作用。为了克服光学Kerr噪声，功率反馈控制技术被提出，通过反馈减小谐振腔CW和CCW方向入腔光波功率差，最终减小和光波功率差相关的Kerr效应。但由于功率反馈方案不能有效抑制谐振腔内光的非线性传播问题，谐振腔CW和CCW方向光波调制频率差异所引起的光学Kerr噪声仍然无法得到有效抑制，此外，功率反馈技术使得RFOG系统更加复杂和庞大。 

近年来，有人尝试利用特种光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）来解决偏振噪声与光学Kerr噪声的影响，但是效果并不理想。例如发表在JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY （VOL. 30, NO. 7, APRIL 1, 2012）上的Resonant Fiber Optic Gyroscope Using an Air-Core Fiber一文，其性能还未达到上述专利申请CN 201210103665.6的水平。由于缺少可以商用的光子晶体光纤耦合器，直接使用光子晶体光纤构成谐振腔到目前为止尚无有突破的迹象。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种运用光子晶体光纤的高偏振消光比光学谐振腔，谐振腔结构包括反射式和透射式两种不同形式，腔内熔接方式为旋转2次90度熔接结构，目标在全温度范围内抑制谐振式光纤陀螺的偏振噪声。 

由于缺少光子晶体光纤耦合器，为进一步抑制保偏光纤耦合器的尾纤带来的偏振波动噪声，改善温度稳定性，腔内采用偏振轴旋转90度熔接的措施，特别是一种偏振轴旋转2次熔接的透射式谐振腔结构，在应用光子晶体光纤后，能够大大改善温度稳定性抑制光的非线性折射现象。 

一种高偏振消光比的反射式光子晶体光纤谐振腔，包括第一PM光纤耦合器、第一90度熔接点、第二90度熔接点、第一光子晶体光纤；第一光纤耦合器包括第一PM光纤尾纤、第二PM光纤尾纤、第三PM光纤尾纤、第四PM光纤尾纤；第三PM光纤尾纤、第二90度熔接点、第一光子晶体光纤、第一90度熔接点、第四PM光纤尾纤组成光纤环路。 

所述的第三尾纤、第四尾纤的长度相等。 

一种高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，包括第二光纤耦合器、第三90度熔接点、第二光子晶体光纤、第三光纤耦合器、第三光子晶体光纤、第四90度熔接点；第二光纤耦合器包括第五PM光纤尾纤、第六光纤PM尾纤、第七光纤PM尾纤、第八光纤PM尾纤；第三光纤耦合器包括第九PM光纤尾纤、第十光纤PM尾纤、第十一光纤PM尾纤、第十二光纤PM尾纤；第七光纤PM尾纤、第三90度熔接点、第二光子晶体光纤、第九PM光纤尾纤、第十光纤PM尾纤、第三光子晶体光纤、第四90度熔接点、第八光纤PM尾纤组成光纤环路。 

所述的第七尾纤、第八尾纤的长度之和与第九尾纤、第十尾纤的长度之和相等；或者第七尾纤、第八尾纤、第九尾纤、第十尾纤的长度相等。 

一种高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，包括第四光纤耦合器、第五90度熔接点、第四光子晶体光纤、第五光纤耦合器、第六90度熔接点；第四光纤耦合器包括第十三PM光纤尾纤、第十四光纤PM尾纤、第十五光纤PM尾纤、第十六光纤PM尾纤；第五光纤耦合器包括第十七PM光纤尾纤、第十八光纤PM尾纤、第十九光纤PM尾纤、第二十光纤PM尾纤；第十五光纤PM尾纤、第五90度熔接点、第四光子晶体光纤、第二十PM光纤尾纤、第十九光纤PM尾纤、第六90度熔接点、第十六光纤PM尾纤组成光纤环路。 

所述的第十五尾纤、第十六尾纤的长度之和与第九尾纤、第十尾纤的长度之和相等；或者第十五尾纤、第十六尾纤、第十九尾纤、第二十尾纤的长度相等。 

本发明与现有技术相比具有的有益效果： 

1）光子晶体光纤相对于普通光纤，以空气作为传光介质，这就意味着超低的传输损耗、超低非线性以及超低色散传输，这在传统光纤中是难以实现的。在PCF光纤中，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的，从根本上减小光学Kerr噪声，提高RFOG的稳定性；

2）在光纤谐振腔中运用光子晶体光纤，光纤本身就有优异的温度稳定性。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫型保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。由于两个ESOP之间的折射率差，不会随着温度波动发生剧烈变化，使得将全温度范围有效抑制偏振噪声到极限灵敏度以下成为可能；

3）进一步，在光学谐振腔内采用两次90度熔接技术，减弱了保偏光纤尾纤对于谐振相位的影响度，提高了谐振腔的温度稳定性；

4）全光纤的结构，相对于分立器件，可以采用互易性谐振腔绕法提高系统精度。

附图说明

图１是高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的反射式的结构示意图； 

图2是高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的透射式的一种实施方式的结构示意图；

图3是高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的透射式的另一种实施方式的结构示意图；

图中：第一PM光纤耦合器１、第一PM光纤尾纤２、第二PM光纤尾纤３、第三PM光纤尾纤4、第四PM光纤尾纤5、第一90度熔接点6、第二90度熔接点7、第一光子晶体光纤8、第二光纤耦合器9、第五PM光纤尾纤10、第六光纤PM尾纤11、第七光纤PM尾纤12、第八光纤PM尾纤13、第三90度熔接点14、第四90度熔接点15、第二光子晶体光纤16、第三光子晶体光纤17、第九PM光纤尾纤18、第十光纤PM尾纤19、第三光纤耦合器20、第十一光纤PM尾纤21、第十二光纤PM尾纤22、第四光纤耦合器23、第十三PM光纤尾纤24、第十四光纤PM尾纤25、第十五光纤PM尾纤26、第十六光纤PM尾纤27、第六90度熔接点28、第五90度熔接点29、第四光子晶体光纤30、第五光纤耦合器31、第十七PM光纤尾纤32、第十八光纤PM尾纤33、第十九光纤PM尾纤34、第二十光纤PM尾纤35。

具体实施方式

如图1所示，一种高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的反射式（集成腔内偏振轴2次旋转90度熔接的反射式光子晶体光纤谐振腔）的结构示意图，包括第一PM光纤耦合器１、第一90度熔接点6、第二90度熔接点7、第一光子晶体光纤8；第一光纤耦合器1包括第一PM光纤尾纤２、第二PM光纤尾纤３、第三PM光纤尾纤4、第四PM光纤尾纤5；第三PM光纤尾纤4、第二90度熔接点7、第一光子晶体光纤8、第一90度熔接点6、第四PM光纤尾纤5组成光纤环路。 

所述的第三尾纤4、第四尾纤5的长度相等，误差在2cm内。熔接点两侧的光纤长度误差控制在1cm之内能有效地补偿保偏光纤引入的双折射，降低了光纤谐振腔对温度的敏感性。 

如图2所示，高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的透射式的一种实施方式的结构示意图，包括第二光纤耦合器9、第三90度熔接点14、第二光子晶体光纤16、第三光纤耦合器20、第四90度熔接点15、第三光子晶体光纤17、第四90度熔接点15；第二光纤耦合器9包括第五PM光纤尾纤10、第六光纤PM尾纤11、第七光纤PM尾纤12、第八光纤PM尾纤13；第三光纤耦合器20包括第九PM光纤尾纤18、第十光纤PM尾纤19、第十一光纤PM尾纤21、第十二光纤PM尾纤22；第七光纤PM尾纤12、第三90度熔接点14、第二光子晶体光纤16、第九PM光纤尾纤18、第十光纤PM尾纤19、第三光子晶体光纤17、第四90度熔接点15、第八光纤PM尾纤13组成光纤环路。 

所述的第七尾纤12、第八尾纤13的长度之和与第九尾纤18、第十尾纤19的长度之和相等；或者第七尾纤12、第八尾纤13、第九尾纤18、第十尾纤19的长度相等，误差控制在2cm内。熔接点两侧的光纤长度误差控制在1cm之内 能有效地补偿保偏光纤引入的双折射，降低了光纤谐振腔对温度的敏感性。 

如图3所示，高偏振消光比的光子晶体光纤谐振腔的透射式的另一种实施方式的结构示意图，包括第四光纤耦合器23、第五90度熔接点29、第四光子晶体光纤30、第五光纤耦合器31、第六90度熔接点28；第四光纤耦合器23包括第十三PM光纤尾纤24、第十四光纤PM尾纤25、第十五光纤PM尾纤26、第十六光纤PM尾纤27；第五光纤耦合器31包括第十七PM光纤尾纤32、第十八光纤PM尾纤33、第十九光纤PM尾纤34、第二十光纤PM尾纤35；第十五光纤PM尾纤26、第五90度熔接点29、第四光子晶体光纤30、第二十PM光纤尾纤35、第十九光纤PM尾纤34、第六90度熔接点28、第十六光纤PM尾纤27组成光纤环路。 

所述的第十五尾纤26、第十六尾纤27的长度之和与第九尾纤34、第十尾纤35的长度之和相等；或者第十五尾纤26、第十六尾纤27、第十九尾纤34、第二十尾纤35的长度相等，误差控制在2cm内。熔接点两侧的光纤长度误差控制在1cm之内 能有效地补偿保偏光纤引入的双折射，降低了光纤谐振腔对温度的敏感性。 

Claims (6)

1.一种高偏振消光比的反射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于包括第一PM光纤耦合器（１）、第一90度熔接点（6）、第二90度熔接点（7）、第一光子晶体光纤（8）；第一光纤耦合器（1）包括第一PM光纤尾纤（２）、第二PM光纤尾纤（３）、第三PM光纤尾纤（4）、第四PM光纤尾纤（5）；第三PM光纤尾纤（4）、第二90度熔接点（7）、第一光子晶体光纤（8）、第一90度熔接点（6）、第四PM光纤尾纤（5）组成光纤环路。

2.根据权利要求1所述的高偏振消光比的反射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于所述的第三尾纤（4）、第四尾纤（5）的长度相等。

3. 一种高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于包括第二光纤耦合器（9）、第三90度熔接点（14）、第二光子晶体光纤（16）、第三光纤耦合器（20）、第三光子晶体光纤（17）、第四90度熔接点（15）；第二光纤耦合器（9）包括第五PM光纤尾纤（10）、第六光纤PM尾纤（11）、第七光纤PM尾纤（12）、第八光纤PM尾纤（13）；第三光纤耦合器（20）包括第九PM光纤尾纤（18）、第十光纤PM尾纤（19）、第十一光纤PM尾纤（21）、第十二光纤PM尾纤（22）；第七光纤PM尾纤（12）、第三90度熔接点（14）、第二光子晶体光纤（16）、第九PM光纤尾纤（18）、第十光纤PM尾纤（19）、第三光子晶体光纤（17）、第四90度熔接点（15）、第八光纤PM尾纤（13）组成光纤环路。

4. 根据权利要求3所述的高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于所述的第七尾纤（12）、第八尾纤（13）的长度之和与第九尾纤（18）、第十尾纤（19）的长度之和相等；或者第七尾纤（12）、第八尾纤（13）、第九尾纤（18）、第十尾纤（19）的长度相等。

5. 一种高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于包括第四光纤耦合器（23）、第五90度熔接点（29）、第四光子晶体光纤（30）、第五光纤耦合器（31）、第六90度熔接点（28）；第四光纤耦合器（23）包括第十三PM光纤尾纤（24）、第十四光纤PM尾纤（25）、第十五光纤PM尾纤（26）、第十六光纤PM尾纤（27）；第五光纤耦合器（31）包括第十七PM光纤尾纤（32）、第十八光纤PM尾纤（33）、第十九光纤PM尾纤（34）、第二十光纤PM尾纤（35）；第十五光纤PM尾纤（26）、第五90度熔接点（29）、第四光子晶体光纤（30）、第二十PM光纤尾纤（35）、第十九光纤PM尾纤（34）、第六90度熔接点（28）、第十六光纤PM尾纤（27）组成光纤环路。

6. 根据权利要求5所述的高偏振消光比的透射式光子晶体光纤谐振腔，其特征在于所述的第十五尾纤（26）、第十六尾纤（27）的长度之和与第九尾纤（34）、第十尾纤（35）的长度之和相等；或者第十五尾纤（26）、第十六尾纤（27）、第十九尾纤（34）、第二十尾纤（35）的长度相等。