CN102645703B

CN102645703B - 高偏振消光比的光学谐振腔

Info

Publication number: CN102645703B
Application number: CN201210103664.1A
Authority: CN
Inventors: 马慧莲; 严昱超; 俞旭辉; 金仲和
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN102645703A

Abstract

本发明公开了一种高偏振消光比的光学谐振腔。它包括第一PM光纤耦合器、第一90度熔接点；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；第一倾斜式光刻光栅刻蚀在第一PM光纤尾纤上；由第一PM光纤尾纤、第一90度熔接点、第二PM光纤尾纤组成光纤环路。本发明克服了单偏振光纤等偏振器件本身损耗大、与光纤谐振腔的熔接损耗以及模式直径不匹配等的缺陷，抑制了偏振波动的噪声，而且清晰度高，能够应用谐振式光纤与光波导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

高偏振消光比的光学谐振腔

技术领域

本发明涉及光学谐振腔，尤其涉及一种高偏振消光比的光学谐振腔。

背景技术

光纤环形谐振腔是谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，RFOG)的核心敏感部件，将一个2×2光纤耦合器的其中一个输出端，反馈连接到其中一个输入端，就构成了一个最基本的反射式谐振腔结构；透射式谐振腔结构则由2个2×2光纤耦合器构成。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。在光纤谐振腔中，除了特殊情况外，存在两个本征偏振态(Eigenstate of polarization，ESOP)。通常情况下，一个ESOP与另一个ESOP是正交的。由于环境因素的影响，ESOP的形态是变化的，并且彼此独立运动，这样就在陀螺的输出中产生噪声。偏振波动噪声是谐振式光纤陀螺系统中重要的光学噪声源之一。为克服偏振波动噪声影响，研究谐振式光学陀螺的学者，多采用保偏光纤技术研制谐振腔，克服单模光纤的偏振不稳定性。然而采用保偏光纤研制谐振腔，其双折射率差受温度影响更严重，导致其本征偏振态随环境波动也比较严重。

保偏光纤的双折射率随温度变化时，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，导致谐振频率点的检测误差，进而引起陀螺的输出误差，这就是偏振波动噪声的主要因素。为了克服光纤谐振腔的偏振波动噪声，学者们提出腔内偏振轴旋转90度一次熔接、偏振轴旋转90度2次熔接的反射式/透射式谐振腔结构。

光纤谐振腔内采用一次偏振轴旋转90度熔接技术，通过控制熔接点位置，理论上当熔接点位置位于光纤谐振腔内正中间位置时候，谐振腔内两个偏振态完全相同，能够保持两个ESOP是的相对稳定，然而，任何熔接点位置偏差都会引起两个偏振态的幅度波动，特别是可能引入较大的次生Kerr效应。光纤谐振腔中的两次偏振轴旋转90度熔接技术，和0度熔接光纤谐振腔技术相比，温度稳定性可以提高L/(ΔL)倍。L是光纤谐振腔总长，一般在10米量级，ΔL是熔接点前后位置差，一般熔接技术可以控制在厘米量级，因此，温度稳定性至少可以提高2-3个数量级。但是无法在全温范围内抑制偏振噪声。限制了光纤陀螺的实际应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高偏振消光比的光学谐振腔。

高偏振消光比的光学谐振腔包括第一PM光纤耦合器、第一90度熔接点；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；第一倾斜式光刻光栅刻蚀在第一PM光纤尾纤上；由第一PM光纤尾纤、第一90度熔接点、第二PM光纤尾纤组成光纤环路。

高偏振消光比的光学谐振腔包括第二光纤耦合器、第二90度熔接点、PM保偏光纤、第三90度熔接点；第二光纤耦合器包括了第五PM光纤尾纤为、第六PM光纤尾纤、第七PM光纤尾纤、第八PM光纤尾纤；第二倾斜式光刻光栅刻蚀在第一PM保偏光纤上，第三倾斜式光刻光栅刻蚀在第八PM光纤尾纤上；由第七PM光纤尾纤、第二90度熔接点、PM保偏光纤、第三90度熔接点、第八PM光纤尾纤组成光纤环路。

高偏振消光比的光学谐振腔包括第三光纤耦合器、第四90度熔接点、第四光纤耦合器、第五90度熔接点；第三光纤耦合器包括第九PM光纤尾纤、第十PM光纤尾纤、第十一PM光纤尾纤、第十二PM光纤尾纤；第四光纤耦合器包括第十三PM光纤尾纤、第十四PM光纤尾纤、第十五光纤尾纤、第十六光纤尾纤；第四倾斜式光刻光栅刻蚀在第十三PM光纤尾纤上；由第五倾斜式光刻光栅刻蚀在第十四PM光纤尾纤；由第十一PM光纤尾纤、第四90度熔接点、第四光纤耦合器、第四90度熔接点组成光纤环路。

高偏振消光比的光学谐振腔包括第六光纤耦合器、第六90度熔接点、第七光纤耦合器、第一0度熔接点；第六光纤耦合器包括第十七光纤尾纤、第十八光纤尾纤、第十九光纤尾纤，第二十光纤尾纤；第七光纤耦合器包括第二十一光纤尾纤、第二十二光纤尾纤、第二十三光纤尾纤、第二十四光纤尾纤；第六倾斜式光刻光栅刻蚀在第二十一光纤尾纤上；第七倾斜式光刻光栅刻蚀在第二十二光纤尾纤；由第十九光纤尾纤、第六90度熔接点、第七光纤耦合器、第一0度熔接点组成光纤环路。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)在光纤谐振腔中写入倾斜式光纤光刻光栅的作为起偏器，插入损耗小，光纤光刻光栅写在PM光纤上，克服了单偏振光纤等偏振器件本身损耗大、与光纤谐振腔的熔接损耗以及模式直径不匹配等的缺陷，因此基于45度倾斜角光纤光栅技术的单偏振光纤谐振腔不仅克服了偏振波动的噪声，而且清晰度高，能够应用RFOG或者其他的传感领域；

2)在光学谐振腔内采用单点90度熔接技术，使得由温度变化引起的两个偏振态的谐振谷间距变化变小，降低了偏振引起的谐振频点的检测误差。在全温度范围内，较好的抑制了偏振噪声。

3)在光学谐振腔内采用两次90度熔接技术，改变了腔长对于谐振相位的影响度，提高了谐振腔的温度稳定性。

4)采用透射腔结构，降低了直通端光波分量，降低偏振波动损耗，又利用了光刻光栅与90度熔接的方法吗，克服了偏振噪声，温度引起的影响，获得了高清晰度的光学谐振腔。

附图说明

图1是基于光纤光栅技术并结合一次90度熔接技术的高偏振消光比反射型光纤谐振腔结构示意图；

图2是基于光纤光栅技术并结合两次90度熔接技术的高偏振消光比反射式光纤谐振腔结构示意图；

图3是基于光纤光栅技术并结合两次90度熔接技术的高偏振消光比透射式光纤谐振腔结构示意图；

图4是基于光纤光栅技术并结合一次90度熔接技术的高偏振消光比透射式光纤谐振腔结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，高偏振消光比的光学谐振腔包括第一PM光纤耦合器1、第一90度熔接点5；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6、第四PM光纤尾纤7；第一倾斜式光刻光栅4刻蚀在第一PM光纤尾纤2上；由第一PM光纤尾纤2、第一90度熔接点5、第二PM光纤尾纤3组成光纤环路。

如图2所示，高偏振消光比的光学谐振腔包括第二光纤耦合器10、第二90度熔接点12、PM保偏光纤13、第三90度熔接点15；第二光纤耦合器10包括了第五PM光纤尾纤为8、第六PM光纤尾纤9、第七PM光纤尾纤11、第八PM光纤尾纤17；第二倾斜式光刻光栅14刻蚀在第一PM保偏光纤13上，第三倾斜式光刻光栅16刻蚀在第八PM光纤尾纤17上；由第七PM光纤尾纤11、第二90度熔接点12、PM保偏光纤13、第三90度熔接点15、第八PM光纤尾纤17组成光纤环路。

如图3所示，高偏振消光比的光学谐振腔包括第三光纤耦合器20、第四90度熔接点23、第四光纤耦合器29、第五90度熔接点24；第三光纤耦合器20包括第九PM光纤尾纤18、第十PM光纤尾纤19、第十一PM光纤尾纤21、第十二PM光纤尾纤22；第四光纤耦合器29包括第十三PM光纤尾纤25、第十四PM光纤尾纤26、第十五光纤尾纤30、第十六光纤尾纤31；第四倾斜式光刻光栅27刻蚀在第十三PM光纤尾纤25上；由第五倾斜式光刻光栅28刻蚀在第十四PM光纤尾纤26；由第十一PM光纤尾纤21、第四90度熔接点23、第四光纤耦合器29、第四90度熔接点23组成光纤环路。

如图4所示，高偏振消光比的光学谐振腔包括第六光纤耦合器34、第六90度熔接点37、第七光纤耦合器41、第一0度熔接点38；第六光纤耦合器34包括第十七光纤尾纤32、第十八光纤尾纤33、第十九光纤尾纤35，第二十光纤尾纤36；第七光纤耦合器41包括第二十一光纤尾纤39、第二十二光纤尾纤40、第二十三光纤尾纤44、第二十四光纤尾纤45；第六倾斜式光刻光栅42刻蚀在第二十一光纤尾纤39上；第七倾斜式光刻光栅43刻蚀在第二十二光纤尾纤40；由第十九光纤尾纤35、第六90度熔接点37、第七光纤耦合器41、第一0度熔接点38组成光纤环路。

腔内集成起偏器结构的高偏振消光比谐振腔，谐振腔结构包括反射式和透射式两种不同形式，腔内熔接方式包括偏振轴旋转一次90度熔接、旋转2次90度熔接结构，以抑制谐振式光纤陀螺的偏振噪声。

光纤谐振腔局部光纤上集成起偏器结构，可以采用倾斜角为Brewster角大小的倾斜光栅，也可以采用金属覆盖光纤技术，前者利用倾斜波导光栅对s偏振和p偏振光波具有不同的透射特性来获取高偏振消光比，后者主要利用金属覆盖波导对两个偏振光波不同传输损耗特性来获得高偏振消光比。谐振腔内起偏器可以是连续一段光纤，也可以采用分离多个方式构成。

在保偏光纤谐振腔中，为进一步改善温度稳定性，抑制谐振式光纤陀螺中的偏振波动噪声，在谐振腔局部光纤上集成起偏器结构后，尚需要在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，在集成起偏器结构后，能够大大改善谐振腔偏振特性及温度稳定性。

Claims

1.一种高偏振消光比的光学谐振腔，其特征在于包括第三光纤耦合器（20）、第四90度熔接点（23）、第四光纤耦合器（29）、第五90度熔接点（24）；第三光纤耦合器（20）包括第九PM光纤尾纤（18）、第十PM光纤尾纤（19）、第十一PM光纤尾纤（21）、第十二PM光纤尾纤（22）；第四光纤耦合器（29）包括第十三PM光纤尾纤（25）、第十四PM光纤尾纤（26）、第十五光纤尾纤（30）、第十六光纤尾纤（31）；第四倾斜式光刻光栅（27）刻蚀在第十三PM光纤尾纤（25）上；由第五倾斜式光刻光栅（28）刻蚀在第十四PM光纤尾纤（26）；由第十一PM光纤尾纤（21）、第四90度熔接点（23）、第四光纤耦合器（29）、第五90度熔接点（24）组成光纤环路。