CN102914299A

CN102914299A - 一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺

Info

Publication number: CN102914299A
Application number: CN2012103590995A
Authority: CN
Inventors: 张春熹; 马攀; 金靖; 徐小斌; 李彦; 姜漫
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明公开了一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，宽带光纤光源发出偏振光，通过保偏光纤进入保偏光纤耦合器，将光分为两束，一束进入空头被衰减，另一束通过保偏光纤进入光学相位调制器，光学相位调制器将光分为两束，两束光通过光学相位调制器内单模单偏振光子晶体尾纤分别输出至光纤敏感环的两端，光纤敏感环采用单模单偏振光子晶体光纤绕制，两束光在光纤敏感环内分别顺时针、逆时针进行传播，输出的光返回光学相位调制器，产生干涉，干涉光进入保偏光纤耦合器，得到干涉信号，光探测器探测通过干涉信号，得到测量系统的旋转速率。本发明能有效减少光纤陀螺偏振误差，减小光纤陀螺零漂，提高光纤陀螺的机械性能和温度性能。

Description

一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺是测量物体转动角速度的一种高精度传感器，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束光波之间产生一个与旋转角速率Ω成正比的相位差φ_s，理想情况下，通过测量该相位差φ_s并进行实时信号处理，可以精确得到物体旋转角速度。光纤陀螺是一种结构简单、成本低、潜在精度高的新型全固态惯性器件，将成为惯性导航和战略应用领域的主要仪表。

现在主要的干涉型光纤陀螺由单模或保偏光纤绕制而成。由于普通单模光纤制作的不完善以及使用状态和使用环境的变化，破坏了理想光纤的对称性并引起模式耦合，导致偏振串扰、偏振模色散等不利影响。在萨格奈克环形光纤干涉仪中给定一个位置，由于双折射，两束反向传播光波经历的折射率并不相同，偏振态也会发生变化，因而在输出端产生一个寄生相位差。尽管本地或局部感生双折射的绝对值很小，但其效应沿光纤是累积的，总的光纤双折射累积效应无疑会限制光纤陀螺的精度和实用性能。这一效应会导致光纤陀螺的零位漂移和信号衰落。

为降低这种影响，研究开发了保偏光纤，光纤陀螺中常用的大多数保偏光纤通过引入应力结构引起线性双折射，外部扰动引起的双折射通常被这种内部高双折射“淹没”。当一束线偏振光在光纤输入端沿其中一个双折射主轴耦合进光纤时，能在光纤中保持这种偏振态。但是对偏振稳定度要求较高的系统，保偏光纤仍不能满足要求。尤其是在温度作用下，传统保偏光纤应力区的引入是获得高双折射的基础，但当温度升高时，应力区的应力逐渐释放，双折射值逐渐减小乃至消失，致使传统保偏光纤偏振特性的温度稳定性很差。因此，在光纤陀螺整个工作温度范围内，传统保偏光纤双折射的变化会引起传输光保偏能力的变化、偏振耦合及串扰，从而使光纤陀螺产生较大的偏置误差，影响其精度。

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），是一种包层由空气孔-石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。PCF具有独特的模式特性、损耗特性、耦合特性以及色散光纤等光学特性。同时，PCF灵活多样的堆积拉丝工艺以及石英—空气间较大的折射率差异，为高性能单偏振单模光纤的设计提供了宽广的空间。因此，通过改变包层空气孔的形状、大小、排布方式等可以控制其结构参数，从而设计出同时满足陀螺多种要求，并与其他器件匹配的光纤。为此，人们提出了更为理想的单偏振单模光子晶体光纤的概念，只保留单一偏振模式在光纤中传输，这样可以从根本上解决偏振串扰、偏振模色散等问题，减小光纤陀螺的零位漂移和信号衰落，提高其精度。

发明内容

本发明的目的是为了突破保偏光纤对光纤陀螺性能提高的限制，提供一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，本发明采用单模单偏振光子晶体光纤绕制光纤陀螺敏感环，通过对光子晶体光纤微结构优化设计实现传输光单模单偏振运转，从根本上解决光纤偏振串扰、偏振模色散等问题，减小光纤陀螺的零位漂移和信号衰落，提高光纤陀螺精度及温度性能。

一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，包括宽带光纤光源、保偏光纤耦合器、光探测器、光学相位调制器和光纤敏感环；

宽带光纤光源发出偏振光，偏振光通过保偏光纤进入保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器将光分为两束，一束进入空头被衰减，另一束通过保偏光纤进入光学相位调制器，光学相位调制器将光分为两束，两束光通过光学相位调制器内单模单偏振光子晶体尾纤分别输出至光纤敏感环的两端，光纤敏感环采用单模单偏振光子晶体光纤绕制，两束光在光纤敏感环内分别顺时针、逆时针进行传播，通过一端输入，经过光纤敏感环保持一个偏振态传输后，由另一端输出，返回光学相位调制器，产生干涉，干涉光进入保偏光纤耦合器，得到干涉信号，该干涉信号由光探测器探测接收，通过干涉信号，得到测量系统的旋转速率。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用单模单偏振PCF绕制光纤陀螺敏感环，仅基模的一个偏振分量在其中传输，因而可以消除偏振串扰、偏振依赖损耗等不利影响，减小偏振耦合所引起的偏置误差，减小光纤陀螺零位漂移；

（2）本发明的PCF双折射是基于几何形状，因此，温度变化对其双折射的影响很小，PCF 折射、保偏能力及偏振态的温度敏感性小，具有较好的温度稳定性。可以显著提高光纤陀螺温度性能；

（3）通过改变PCF纤芯微结构可获得单模单偏振传输特性。基于PCF本身的优点，本发明抗机械振动和温度干扰能力强，能较好解决光纤陀螺的环境适应性，并且减小光纤陀螺的零位漂移，提高光纤陀螺精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的Y波导尾纤及光纤敏感环采用的单模单偏振光子晶体光纤；

图3是本发明的图2中光纤的偏振模场分布；

图4是本发明的Y波导尾纤及光纤敏感环采用的单模单偏振光子晶体光纤；

图5是本发明的图4中光纤的偏振模场分布；

图6是本发明的Y波导尾纤及光纤敏感环采用的单模单偏振光子晶体光纤

图7是本发明的图6中光纤的偏振模场分布；

图中：

1—宽带光纤光源 2—保偏光纤耦合器 3—光探测器

4—光学相位调制器 5—光纤敏感环

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，如图1所示，包括宽带光纤光源1、保偏光纤耦合器2、光探测器3、光学相位调制器4和光纤敏感环5。

宽带光纤光源1发出偏振光，偏振光通过保偏光纤进入保偏光纤耦合器2（保偏光纤的尾纤熔接进入保偏光纤耦合器2），保偏光纤耦合器2将光分为两束，一束进入空头被衰减，另一束通过保偏光纤进入光学相位调制器4，光学相位调制器4将光分为两束，两束光通过光学相位调制器4内单模单偏振光子晶体尾纤分别输出至光纤敏感环5的两端，光纤敏感环5由经过设计并符合性能测试要求的单模单偏振光子晶体光纤绕制。两束光在光纤敏感环5内分别顺时针、逆时针进行传播，通过一端输入，经过光纤敏感环5保持一个偏振态传输后，由另一端输出，返回光学相位调制器4，产生干涉，干涉光进入保偏光纤耦合器2，得到干涉信号，该干涉信号由光探测器3探测接收，通过干涉信号，得到测量系统的旋转速率。

所述的集成光学相位调制器4与单模单偏振光子晶体光纤敏感环5之间采用直接耦合方式连接。

所述的光学相位调制器4为铌酸锂集成光学调制器（基于铌酸锂晶体的光学调制器）；集成光学相位调制器4是具有相位调制功能的集成光学Y分支，其尾纤为基于折射率匹配耦合机制的空心或实心单模单偏振光子晶体光纤，横截面分别如图2、4所示。

所述的宽带光纤光源1可采用谐振式光纤激光器、超荧光光纤光源、波长扫描光纤激光器或SLD-EDFA串联光纤。光谱谱宽范围为10nm~1000nm，中心波长范围为700nm~2000nm。采用宽带光纤光源1，其光谱对温度变化的敏感性比超发光二极管低1~2个数量级，提供更稳定的波长稳定性，改善光纤陀螺标度因数稳定性。

所述的光子晶体光纤敏感环5由单模单偏振光子晶体光纤（PCF）绕制而成，具有二维周期性结构的，只保留单一偏振模式传输的单模单偏振光子晶体光纤，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。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。

图2、4、6所示为本发明可采用的三种基于折射率匹配耦合机制的单模单偏振光子晶体光纤横截面几何结构图。浅色孔洞所示为构成该光子晶体光纤微结构的空气孔，用以形成势阱，将光波约束在光纤中心传播，并维持偏振保持特性。深色结构为均匀分布的SiO₂材料。通过优化设计PCF微结构尺寸参数，使得在单模单偏振PCF中，两个正交的偏振基模有不同的截止波长，在这两个截止波长之间，只有高折射率模式（慢轴）可以在纤芯内传播。将基模的一个偏振分量利用模式之间的能量耦合使其处在高泄漏或高损耗区而被衰耗掉，而将其正交方向上的另一偏振分量束缚在低损耗区进行有效传输，利用这种模式之间的能量交换，实现光纤的单偏振单模传输，其偏振模场分布仿真分别如图3、5、7所示，图3为图2所示光纤的模场分布示意图。3-b中央亮斑表示Y偏振模为低损耗模式，被约束在纤芯中稳定传输。3-a中X偏振模式在中央传输和上下两个小孔周围均有模场能量分布，使中央传导的能量随传输距离延长迅速衰减；图5-a将X偏振模泄露在上下两侧，使Y偏振模式5-b集中在芯区中央传导；同理，图7-a的X偏振为传导模式，7-b的Y偏振为泄露模式。

这样，采用单模单偏振PCF绕制光纤陀螺敏感环，传播光束仅有一个偏振态，可以消除光纤中的偏振耦合串扰，大大减小光纤陀螺偏振误差，减小光纤陀螺零漂。

由于PCF受机械振动和温度变化的影响很小，克服了一直困扰保偏光纤陀螺环境性能差的弱点，提高了光纤陀螺的机械性能和温度性能。绕制方法采用四级对称绕法，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

1.一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，包括宽带光纤光源、保偏光纤耦合器、光探测器、光学相位调制器和光纤敏感环；

2.根据权利要求1所述的一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的集成光学相位调制器与光纤敏感环之间采用直接耦合方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的光学相位调制器为铌酸锂集成光学调制器，具有相位调制功能的集成光学Y分支，其尾纤为基于折射率匹配耦合机制的空心或实心单模单偏振光子晶体光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的宽带光纤光源采用谐振式光纤激光器、超荧光光纤光源、波长扫描光纤激光器或SLD-EDFA串联光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的光子晶体光纤敏感环由单模单偏振光子晶体光纤绕制而成，单模单偏振光子晶体光纤为具有二维周期性结构，保留单一偏振模式传输的单模单偏振光子晶体光纤，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，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。

6.根据权利要求1所述的一种基于单模单偏振光子晶体光纤的光纤陀螺，其特征在于，所述的光纤敏感环采用四级对称绕法。