CN103674007A - 一种光纤陀螺消偏光路设计方法及其设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学设计技术，涉及一种高精度光纤陀螺的消偏光路设计方法及其设计系统。本发明光纤陀螺消偏光路设计系统包括宽谱光源光谱的在线测量模块、光源相干函数的计算模块、相干函数次相干峰和去相干长度的检测模块、消偏方案设计四个模块。本发明首先通过在线测量每一只光源的光谱数据，并采用相应算法判断光源的次相干峰位置和解算光源去相干长度；给出消偏方案光路的设计参数，包括对消偏器中各段保偏光纤的长度要求、对Y波导尾纤的长度要求、消偏器中保偏光纤的熔接对轴角度要求。本发明为消偏光路的结构设计提供准确的参数，设计出能够有效消除陀螺零偏振荡现象的消偏光路，提升产品质量和生产效率，具有较佳的实际应用价值。

Description

一种光纤陀螺消偏光路设计方法及其设计系统

技术领域

本发明属于光学设计技术，涉及一种高精度光纤陀螺的消偏光路设计方法及其设计系统。 

背景技术

光纤陀螺光路的偏振误差抑制是光纤陀螺研制中的关键技术之一。由于陀螺光路中（尤其是光纤环）在制作过程中不可避免的引入了弯曲、扭转以及绕制应力，造成输入光波的偏振态在光路中无法保持，偏振态的变化引起干涉仪的输出信号涨落，给陀螺性能造成影响。目前解决该问题的一个重要手段是采用保偏光纤环，并对输入到光纤线圈内的光波进行消偏或退偏。其中消偏方案使得光波的线偏振分量在光纤横截面的各方向上统计性均匀分布，从而保证返回到环形干涉仪输入端的两束光波都有一半功率通过，达到避免信号涨落的目的。目前常采用的消偏方案是基于Loyt消偏器结构实现的。 

另一方面，在光纤陀螺中，为了尽量避免光源光谱宽度引入的噪声影响，目前通常采用的是宽谱光源，主要是SLD和SFS光源两种。尤其对于高精度光纤陀螺而言，SFS光源具有更高的功率和功率稳定性，因此使用在绝大多数的高精度光纤陀螺中。 

但目前基于SFS光源的高精度光纤陀螺消偏光路设计仍存在一定的问题，主要是消偏光路的参数设计，具体表现为：（1）消偏结构的设计是以光信号的相干长度为基础的，而对于SFS光源，由于光源结构设计的问题，其输出光谱形状通常为高斯形或者矩形，同时各只光源的光谱形状之间也存在差异，因此如何准确确定每只光源的相干长度时存在一定困难；（2）如果已知光源的相干长度，如何其根据相干长度选择消偏方案并且设计相应的消偏结构，是值得关注的问题。因此，基于上述因素，按照每一个光源的相干性来在线设计相应消偏方案是非常有意义的。 

发明内容

本发明的目的是：提出一种能实现光纤陀螺消偏光路参数定量设计的设计系统。 

另外，本发明还提供一种光纤陀螺消偏光路的设计方法。 

本发明的技术方案是：一种光纤陀螺消偏光路设计系统，其包括光源光谱的测量模块（1）、光源相干函数的计算模块（2）、相干函数次相干峰和去相干长度的检测模块（3）、消偏辅助设计模块（4），其中，所述消偏辅助设计模块包括次相干峰位置模块、去相干长度模块、消偏光路结构模块以及消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块，所述相干峰位置模块和去相干长度模块连接与消偏光路结构模块，而消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块相互并列连接在消偏光路结构模块上。 

所述消偏光纤长度计算模块是根据光源的去相干长度和次相干峰位置进行计算的模块，Y波导输入端尾纤计算模块是根据光源的去相干长度和次相干峰位置以及相应的消偏光纤长度进行计算的模块，所述熔接角度计算模块根据消偏光路光纤熔接点对光束消偏性能的要求来确定光纤熔接角度的模块。 

所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L小于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，则消偏结构中保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，熔点（2）的熔接角度为45°+0.5。 

所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L大于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，各消偏光路的设计参数如下： 

保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，后端熔点（432）的熔接角度为45°或者所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L大于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，后端熔点（432）的熔接角度为45°。 

所述消偏结构为辅助光源后消偏结构或光源后加波导前共同消偏结构。 

一种光纤陀螺消偏光路设计方法，其具体步骤如下： 

步骤1：测量光谱 

测量光源光谱曲线，并数字化存储； 

步骤2：计算相干函数 

对于采集到的光谱信息，计算光源的相干函数，得到光源的相干函数曲线； 

步骤3：获取次相干峰位置和去相干长度对应的保偏光纤长度 

根据步骤1和步骤2得到光源的相干函数曲线，确定次相干峰的位置，得到次相干峰对应的相干长度m_s，通过保偏光纤的传播常数△n得到次相干峰对应的保偏光纤长度m=m_s/△n；同时，根据去相干的定义，得到光源的去相干长度△L_s，通过保偏光纤的双折射率得到光源的去相干保偏光纤长度△L=△L_s/△n； 

步骤4：量化消偏光路的设计参数 

根据输入光偏振态矩阵依次乘以保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤的琼斯矩阵得到输出光的偏振态分布，通过调节保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤各琼斯矩阵，使消偏光路后的输出光中各偏振态之间的光程差大于去相干长度。 

本发明的技术效果是：本发明根据次相干峰位置和去相干长度，配合消偏光路结构，由消偏辅助设计模块给出消偏光路的消偏光纤长度、Y波导输入端尾纤长度以及熔接角度，实现对消偏光路设计参数的量化，从而为消偏光路的结构设计提供准确的参数，设计出能够有效消除陀螺零偏振荡现象的消偏光路，提升产品质量和生产效率，具有较佳的实际应用价值。 

附图说明

图1是现有技术偏振态造成的变温条件下陀螺输出零偏的振荡； 

图2本发明光纤陀螺消偏光路的设计系统的消偏辅助设计模块的原理框图； 

图3A是本发明光纤陀螺消偏光路设计方法的流程图； 

图3B是本发明光纤陀螺消偏光路设计方法较佳实施方式的光路图； 

图4A是矩形光谱的SFS光源的光谱曲线； 

图4B是高斯型光谱的SFS光源的光谱曲线； 

图5A是图4Ａ中SFS光源的相干函数曲线、次相干峰、去相干长度的示意图； 

图5Ｂ是图4Ｂ中SFS光源的相干函数曲线、次相干峰、去相干长度的示意图； 

图6是光源相干函数的算法流程； 

图7是偏振态造成的变温条件下陀螺输出零偏的振荡； 

图8是本发明光纤陀螺消偏光路设计方法所得到陀螺的输出零偏曲线示意图， 

图中：        1.宽谱光源在线测量模块        2.光源相干函数计算模块 

3.次相干峰和去相干长度检测模块              4.消偏/退偏方案设计模块 

41.光源         42.2×2单模耦合器        43.消偏/退偏光路        44.Y波导 

45.光纤环       46.1×3单模耦合器        431.熔接点1             432.熔接点2 

433.保偏光纤1    1441.Y波导尾纤 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。 

本发明光纤陀螺消偏光路的设计系统包括宽谱光源光谱的在线测量模块1、光源相干函数的计算模块2、相干函数次相干峰和去相干长度的检测模块3、消偏辅助设计模块4。其中，所述在线测量模块1是通过光谱仪测量光源光谱数据，并进行数字化存储。所述光源相干函数计算模块2采用相干函数计算算法计算光源的相干函数，并获取相干函数曲线。检测模块3通过分析相干函数曲线，判断光源的次相干峰位置和解算光源的去相干长度。 

请参阅图1，其是消偏辅助设计模块的原理框图。该消偏辅助设计模块包括次相干峰位置模块、去相干长度模块、消偏光路结构模块以及消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块。其中，相干峰位置模块和去相干长度模块连接与消偏光路结构模块，而消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块相互并列连接在消偏光路结构模块上。所述消偏光纤长度计算模块根据光源的去相干长度和次相干峰位置进行计算，Y波导输入端尾纤计算模块是根据光源的去相干长度和次相干峰位置以及相应的消偏光纤长度进行计算，所述熔接角度计算模块根据消偏光路光纤熔接点对光束消 偏性能的要求来计算确定光纤熔接角度。 

请参阅图2，其是本发明光纤陀螺消偏光路设计方法的流程图，其具体步骤如下： 

步骤1：在线测量光谱 

首先采用光谱仪测量光源SFS的光谱曲线，该光源为矩形光谱，利用数据采集卡将光谱曲线的数字化信息进行采集，并传送回计算机； 

步骤2：计算相干函数 

对于采集到的光谱信息，采用如图6所示的算法流程，计算光源的相干函数，相干函数具体流程如下：首先对采集来的数字化光谱进行时——频域转换，将以波长——强度为单位的光谱曲线转换为以频率——强度为单位的光谱曲线；由于波长——强度为单位的光谱曲线中横坐标波长是等间隔分布的，因此转换为频率——强度的光谱曲线横轴必然不再是等间隔采样的，需要采用差值的方法，将频率——强度光谱曲线在横轴上（频率轴）进行等间隔采样；对差值变换后的频率——强度光谱曲线进行傅里叶逆变换，变换后得到光源的相干函数曲线，该曲线的横轴是相干时间，纵轴是相干强度；对该曲线进行坐标变换，横坐标数值乘以光速就将横坐标变为相干长度，纵坐标进行归一化处理，得到归一化的相干强度，进而得到光源的相干函数曲线； 

步骤3：获取次相干峰位置和去相干长度对应的保偏光纤长度 

根据步骤1和步骤2得到光源的相干函数曲线，确定次相干峰的位置，并且可以得到次相干峰对应的相干长度m_s，通过保偏光纤的传播常数△n可以得到次相干峰对应的保偏光纤长度m=m_s/△n；同时，根据去相干的定义（归一化相干度小于-35dB），得到光源的去相干长度△L_s，通过保偏光纤的双折射率可以得到光源的去相干保偏光纤长度△L=△L_s/△n； 

步骤4：量化消偏光路的设计参数 

根据输入光偏振态矩阵依次乘以保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤的琼斯矩阵得到输出光的偏振态分布，通过调节保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤各琼斯矩阵，使得消偏光路后的输 出光中各偏振态之间的光程差大于去相干长度。 

请参阅图3，其是本发明光纤陀螺消偏光路设计方法较佳实施方式的光路图。该实施方式中，该光纤陀螺光路采用Y波导前消偏结构，其包括光源41、2×2单模耦合器42、消偏光路43、Y波导44和光纤环45。其中，所述消偏光路43中包括相连的保偏光纤433和Y波导尾纤441，以及保偏光纤433与2×2单模耦合器尾纤的前端熔接点431，保偏光纤433与Y波导尾纤441的后端熔接点432。所述后端熔接点432处的保偏光纤433与Y波导尾纤441之间的熔接角度为45度+0.5度，以保证较佳的消偏效果。 

本实施方式中，所述光纤陀螺消偏光路设计方法，其工作流程如下： 

首先采用光谱仪测量光源SFS的光谱曲线，如图4（a）所示，该光源为矩形光谱，利用数据采集卡将光谱曲线的数字化信息进行采集，并传送回计算机；然后对于采集到的光谱信息，采用如图6所示的算法流程，计算图4(a)中的光谱，得到该光源的相干函数曲线；如图5(a)所示，可以清晰的看到存在次相干峰，并且可以得到次相干峰对应的相干长度m_s，通过保偏光纤的传播常数△n可以得到次相干峰对应的保偏光纤长度m=m_s/△n。同时，根据去相干的定义（归一化相干度小于-35dB），从图5(a)中也可以得到光源的去相干长度△L_s，通过保偏光纤的传播常数△n可以得到光源的去相干保偏光纤长度△L=△L_s/△n。 

对于图5(a)中的情况，结合图2中的消偏结构，光源的去相干保偏光纤长度△L小于次相干峰对应的保偏光纤长度m，则消偏结构中各段保偏光纤的长度设计算法：保偏光纤1（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L。熔点2的熔接角度为45°。由于熔点1是单模光纤与保偏光纤的熔接，因此熔接角度不做精确要求。 

在实际情况中，SFS光源还存在高斯光谱的情况，如图4(b)所示，由于光谱调制的影响，在中心光谱附近存在一定的纹波影响（Ripple），采用同样的相干函数计算方法，也可以得到光源的去相干保偏光纤长度△L和次相干峰对应的保偏光纤长度m，如图5(b)所示。此时光源的去相干保偏光纤长度△L大于次相干峰对应的保偏光纤长度m，则消偏结构中各段保偏 光纤的长度设计算法有四种： 

①保偏光纤433长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤441长度b=2△L，后端熔点432的熔接角度为45°。 

②保偏光纤433长度a=(△L+m)/2，Y波导入射端保偏尾纤441长度b=△L+m，后端熔点432的熔接角度为45°。 

③保偏光纤433长度a=(△L+m)/2，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=(3△L+m)/2，后端熔点432的熔接角度为45°。 

④保偏光纤433长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=(3△L+m)/2，后端熔点432的熔接角度为45°。 

同样，由于前端熔接点431是单模光纤与保偏光纤的熔接，因此熔接角度不做精确要求。 

图7给出了现有技术消偏不理想时，造成的陀螺变温过程中零偏振荡的现象。图8是本发明得到的同一只陀螺的变温零偏，可以看出零偏振荡现象已经完全消除。 

另外，本发明也能够应用于辅助光源后消偏结构和光源后加波导前共同消偏结构的设计。其中辅助光源后消偏结构中Y波导尾纤与单模耦合器尾纤直接熔接，而且消偏结构位于光源尾纤和单模耦合器之间。光源后加波导前共同消偏结构中，消偏结构位于光源尾纤和单模耦合器之间，以及单模耦合器和Y波导之间。 

Claims (6)

1.一种光纤陀螺消偏光路设计系统，其特征在于：包括光源光谱的测量模块（1）、光源相干函数的计算模块（2）、相干函数次相干峰和去相干长度的检测模块（3）、消偏辅助设计模块（4），其中，所述消偏辅助设计模块包括次相干峰位置模块、去相干长度模块、消偏光路结构模块以及消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块，所述相干峰位置模块和去相干长度模块连接与消偏光路结构模块，而消偏光纤长度计算模块、Y波导输入端尾纤计算模块、熔接角度计算模块相互并列连接在消偏光路结构模块上。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺消偏光路设计系统，其特征在于：所述消偏光纤长度计算模块是根据光源的去相干长度和次相干峰位置进行计算的模块，Y波导输入端尾纤计算模块是根据光源的去相干长度和次相干峰位置以及相应的消偏光纤长度进行计算的模块，所述熔接角度计算模块根据消偏光路光纤熔接点对光束消偏性能的要求来确定光纤熔接角度的模块。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺消偏光路设计系统，其特征在于：所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L小于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，则消偏结构中保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，熔点（2）的熔接角度为45°+0.5。

4.根据权利要求1所述的光纤陀螺消偏光路设计系统，其特征在于：所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L大于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，各消偏光路的设计参数如下：

保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，后端熔点（432）的熔接角度为45°或者所述消偏结构为Y波导前消偏结构，当光源的去相干保偏光纤长度△L大于次相干峰对应的保偏光纤长度m时，保偏光纤（433）长度a=△L，Y波导入射端保偏尾纤（441）长度b=2△L，后端熔点（432）的熔接角度为45°。

5.根据权利要求1所述的光纤陀螺消偏光路设计系统，其特征在于：所述消偏结构为辅助光源后消偏结构或光源后加波导前共同消偏结构。

6.一种光纤陀螺消偏光路设计方法，其具体步骤如下：

步骤1：测量光谱

测量光源光谱曲线，并数字化存储；

步骤2：计算相干函数

对于采集到的光谱信息，计算光源的相干函数，得到光源的相干函数曲线；

步骤3：获取次相干峰位置和去相干长度对应的保偏光纤长度

根据步骤1和步骤2得到光源的相干函数曲线，确定次相干峰的位置，得到次相干峰对应的相干长度m_s，通过保偏光纤的传播常数△n得到次相干峰对应的保偏光纤长度m=m_s/△n；同时，根据去相干的定义，得到光源的去相干长度△L_s，通过保偏光纤的双折射率得到光源的去相干保偏光纤长度△L=△L_s/△n；

步骤4：量化消偏光路的设计参数

根据输入光偏振态矩阵依次乘以保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤的琼斯矩阵得到输出光的偏振态分布，通过调节保偏光纤、熔接点、Y波导尾纤各琼斯矩阵，使消偏光路后的输出光中各偏振态之间的光程差大于去相干长度。

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