CN101294808A - 一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺。它包括宽谱超发光二极管、PIN探测器、分束器、铌酸锂集成光学调制器、双芯光子晶体光纤环，宽谱超发光二极管发出的光线由分束器分成两束光，其中一束光进入死头被衰减，另一束光进入铌酸锂集成光学调制器再分成两束光，并进入双芯光子晶体光纤环的两端分别沿双芯纤芯缺陷通道顺时针和逆时针反向传播，经双芯PCF环单模、保偏传输后返回铌酸锂集成光学调制器产生干涉，干涉光经分束器进入PIN探测器。本发明具有光学结构互易性强，动态范围宽，抗机械振动和温度干扰能力强，光功率传输效率高，损耗小，测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺，特别涉及一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺。它采用双芯PCF绕制光纤陀螺敏感环，通过对PCF微结构优化设计实现传输光单模运转与偏振保持。
背景技术
光在旋转的媒介中传播，由于Sagnac效应，将会产生随旋转速度变化的相位积累，利用这种效应，可以制作出角速度传感器-陀螺。陀螺的发展趋势和目标是向着高精度、小型化、高集成度，超高灵敏度发展，微光学陀螺是一种较好的解决方案。应用于航空领域的光学陀螺，不但要求精度高，性能稳定，而且要求质量轻，集成度高。光纤陀螺(FOG，Fiber optical gyroscope)已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。
光子晶体光纤(PCF，photonic crystal fiber)是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。它由单一介质构成(通常为熔融硅或聚合物)、并由在二维方向(横截面方向)上周期性紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的波长量级的空气孔或介质棒构成微结构包层。以周期性规则排列中缺少介质棒的形式的缺陷区域充当波导光纤纤芯，缺陷的类型有空气缺陷和电介质缺陷。因此PCF可视为一种芯层为破坏了周期结构的缺陷的二维光子晶体。纤芯中引导光的一种机理是光以类似于传统光纤中全内反射(TIR，Total Internal Reflection)的形式传播的折射率引导型，也称作改进型折射率引导光纤(Index Guiding PCF)；另一机理是通过空气孔排列的合适设计产生光子带隙(PBG，Photonic Band Gap)效应，对应于缺陷态(局域态)的特定频率的光被限制在纤芯内传播。PCF具有独特的模式特性、损耗特性、耦合特性以及色散关系等光学特性，能极大改善原有某些传统光学器件的性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺。
它包括宽谱超发光二极管、PIN探测器、分束器、铌酸锂集成光学调制器、双芯光子晶体光纤环。宽谱超发光二极管发出的光线由分束器分成两束光，其中一束光进入死头被衰减，另一束光进入铌酸锂集成光学调制器再分成两束光，并进入双芯光子晶体光纤环的两端分别沿双芯纤芯缺陷通道顺时针和逆时针反向传播，经双芯光子晶体光纤环单模、保偏传输后返回铌酸锂集成光学调制器产生干涉，干涉光经分束器进入PIN探测器。
所述双芯光子晶体光纤环是横截面具有二维周期性结构的具二个纤芯的光子晶体光纤，所述周期性结构是由背景介质和周期性分布排列在其中的介质棒组成，横截面呈平行六边形。背景介质是玻璃、塑料、聚合物或硅材料；介质棒是折射率比背景材料低的玻璃、塑料、聚合物或空气。双芯光子晶体光纤环中的介质棒直径与介质棒间距之比小于0.2。
本发明采用双芯PCF绕制光纤陀螺敏感环，使顺时针和逆时针两路光束沿同一PCF的双芯纤芯缺陷通道反向传播，很大程度上满足“共路”原则，实现光路结构互易性，能很好地保证光纤敏感环的对称性以及内部传输光的偏振保持，使陀螺的光学互易结构得到较大保持，减少传统光纤陀螺中的偏振串扰与随机游走。通过PCF介质棒孔径与周期分布的合适设计，使PCF实现短波长段单模传输，不仅光波互易性获得满足，而且光源采用宽谱超发光二极管SLD，拓宽了系统的动态范围。通过改变PCF纤芯微结构形状可获得高双折射保偏性能。基于PCF本身的优点，本发明抗机械振动和温度干扰能力强，能较好解决保偏光纤陀螺的环境适应性问题。并且光功率传输效率高，损耗小，测量精度高。
附图说明
图1是基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺的结构示意图；
图2是基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺的电路工作原理图；
图3是本发明的具有单模传输性能的双芯光子晶体光纤截面图；
图4是本发明的双芯光子晶体光纤内的偏振光场分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的双芯光子晶体光纤陀螺的具体实施方式加以说明。
如图1所示，基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺包括宽谱超发光二极管1、PIN探测器2、分束器3、铌酸锂集成光学调制器4、双芯光子晶体光纤环5，宽谱超辐射发光二极管1发出的光线由分束器3分成两束光，其中一束光进入死头被衰减，另一束光进入铌酸锂集成光学调制器4再分成两束光，并进入双芯光子晶体光纤环的两端分别沿双芯纤芯缺陷通道顺时针和逆时针反向传播，经双芯光子晶体光纤环5单模、保偏传输后返回铌酸锂集成光学调制器4产生干涉，干涉光经分束器3进入PIN探测器2。基于双芯PCF的光纤陀螺的工作原理和普通的光纤陀螺原理类似，其物理基础为光子晶体光纤陀螺系统在旋转时产生的Sagnac效应。当环形光路转动，顺时针和逆时针相向传播的光在完成环形光路传播后，产生一与转动角速度成正比的相位差，即Sagnac相移。由于采用双芯PCF绕制光纤陀螺敏感环，顺时针和逆时针两路光束沿同一PCF的双芯纤芯缺陷通道相向传播，很大程度上满足“共路”原则，可以大大减少光学结构的非互易效应，保持光路结构的互易性，使光纤环的光学结构的对称性大为提高，偏振串扰与偏振损耗大大降低，消光比可以达到25dB以上。
如图2所示，基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺的电路工作原理采用全数字闭环信号处理方案，将光纤陀螺信号的采集及反馈控制用探测器-前置放大器-AD-DSP-DA-后置放大器及驱动的硬件结构，利用DSP数字处理能力和控制功能，完成绝大部分的信号处理和系统的时序控制。
如图3所示，双芯光子晶体光纤环5是横截面具有二维周期性结构的具二个纤芯的光子晶体光纤，所述周期性结构是由背景介质和周期性分布排列在其中的介质棒组成，横截面呈平行六边形。背景介质是玻璃、塑料、聚合物或硅材料；介质棒是折射率比背景材料低的玻璃、塑料、聚合物或空气。双芯光子晶体光纤环5中的介质棒直径d与介质棒间距A之比小于0.2，实现在蓝光到2μm的短波长光波段单模传输，使光波互易性自动获得满足，不仅对整个光纤陀螺光路结构互易性有益，而且采用宽谱超发光二极管光源，拓宽了系统的动态范围。
如图4所示，通过设计优化PCF微结构尺寸参数，使微结构形状为类椭圆可获得高双折射，从而使光场得到很高的的偏振保持，减少光纤陀螺中的偏振串扰。PBG-PCF的弯曲损耗可以达到0.01dB/km。该结果比最好传统光纤要低4～5倍，同时由于该结构是利用空气孔+Si结构复合传光，能够达到很好的偏振保持效果。改变PCF的层数会对模场的双折射产生影响，将优化后的光子晶体光纤结构与传统光纤结构相比较可知，圈数的改变对椭圆微结构形状的PCF双折射影响不大，可以归于包层的强烈的非对称性。
由于PCF受机械振动和温度变化的影响很小，这就克服了一直困扰保偏FOG难以解决的环境性能较差的弱点。绕制方法采用四极对称绕法，能很好地抵消外界因素对光纤线圈的影响，对光路互易起到补偿作用。
Claims (4)
1、一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于包括宽谱超发光二极管1、PIN探测器2、分束器3、铌酸锂集成光学调制器4、双芯光子晶体光纤环5，宽谱超辐射发光二极管1发出的光线由分束器3分成两束光，其中一束光进入死头被衰减，另一束光进入铌酸锂集成光学调制器4再分成两束光，并进入双芯光子晶体光纤环的两端分别沿双芯纤芯缺陷通道顺时针和逆时针反向传播，经双芯光子晶体光纤环5单模、保偏传输后返回铌酸锂集成光学调制器4产生干涉，干涉光经分束器3进入PIN探测器2。
2、根据权利要求1所述的一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述双芯光子晶体光纤环5是横截面具有二维周期性结构的具二个纤芯的光子晶体光纤，所述周期性结构是由背景介质和周期性分布排列在其中的介质棒组成，横截面呈平行六边形。
3、根据权利要求2所述的一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述背景介质是玻璃、塑料、聚合物或硅材料；介质棒是折射率比背景材料低的玻璃、塑料、聚合物或空气。
4、根据权利要求1所述的一种基于双芯光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的双芯光子晶体光纤环5中的介质棒直径与介质棒间距之比小于0.2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20081029 |