CN104359471A - 一种混偏光纤陀螺光路及消偏器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混偏光纤陀螺光路及其消偏器的制备方法，混偏光纤陀螺光路包括单模光纤耦合器、与单模光纤耦合器的第一端熔接且尾纤为单模光纤的宽谱光源、输入端与单模光纤耦合器第二端熔接的消偏器、与消偏器输出端对轴耦合的Y波导、与Y波导熔接的保偏光纤环、以及与单模光纤耦合器的第三端熔接且尾纤为单模光纤的探测器；消偏器由长度比为1：2的2段保偏光纤构成，长度分别为L₁和L₂，要求L₁≥(L_D+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3。其中消偏器采用Y波导的保偏输入尾纤制作。消偏器设计从器件级消偏和避免在后续光路中产生波列间光程延迟补偿两个角度考虑；该消偏器降低了混合偏振光路对光源偏振度的要求，减小了陀螺光路中的偏振误差。

Description

一种混偏光纤陀螺光路及消偏器的制备方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，更具体地，涉及一种混偏光纤陀螺光路及消偏器的制备方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的惯性仪表。因其具有体积小、重量轻、精度范围广，无运动部件等优点，在陆、海、空、天等各领域获得了广泛的应用。陀螺光路作为Sagnac效应的敏感和检测部分，是光纤陀螺的核心部件。混偏型光路是光纤陀螺的一种光路形式。在混偏型光路中部分光学器件采用保偏器件，如保偏光纤环，部分器件采用单模器件，如光纤耦合器。

2006年中国航天时代电子公司王巍，杨清生等人提出了一种采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺(CN200610171588.2)，该光纤陀螺的Y波导输入端尾纤及光源尾纤、光纤耦合器采用单模光纤，Y波导输出端尾纤和光纤环采用保偏光纤。该混偏陀螺光路方案降低了光路偏振串扰的影响，简化了装配工艺，提高了生产效率和装配一致性，易于批量生产。但是采用该光路结构的陀螺易受光源性能波动的影响，且只适用于低偏振光源。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种混偏光纤陀螺光路，目的在于降低混偏陀螺光路对光源偏振度的要求，不但适用于低偏振宽谱光源，对于高偏振光源也能够通过消偏器保证Y波导起偏信号的功率稳定性和波长稳定性。

本发明提供了一种混偏光纤陀螺光路，包括单模光纤耦合器、与所述单模光纤耦合器的第一端熔接的且尾纤为单模光纤的宽谱光源、输入端与所述单模光纤耦合器的第二端熔接的消偏器、与所述消偏器的输出端对轴耦合的Y波导、与所述Y波导熔接的保偏光纤环、以及与所述单模光纤耦合器的第三端熔接且尾纤为单模光纤的探测器；所述消偏器是由长度比为1：2的2段保偏光纤构成，长度分别为L₁和L₂,L₁≥L_D，L₂≥L_D，L₂-L₁≥L_D,L_D为消偏长度。

更进一步地，消偏器中两段光纤之间为45°对轴保偏光纤熔接点。

更进一步地，消偏器输出端和波导输出尾纤与波导采用耦合对轴方式，三段波导尾纤的快轴与波导的传输轴0°对轴。

更进一步地，Y波导尾纤与光纤环之间的两个熔接点S₄和S₅均为保偏光纤熔接点，且0°对轴。

更进一步地，所述宽谱光源与单模光纤耦合器之间的熔点S₁、所述探测器与单模光纤耦合器之间的熔点S₂、所述单模光纤耦合器与所述消偏器之间的熔点S₃均为单模光纤熔接点。

更进一步地，所述消偏器中两段光纤的长度满足：L₁≥(L_D+L₃)×1.3＝(Δl/Δn+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3；其中L_D为光源输出光信号的消偏长度，L₃为Y波导输出尾纤长度，Δn为Y波导输入尾纤的双折射率差，Δl为光源的去相干长度。

更进一步地，选用Y波导的输入尾纤长度L>3×[(L_D+L₃)×1.3]。

本发明还提供了一种制备上述的混偏光纤陀螺光路中消偏器的方法，包括下述步骤：

(1)采用非平衡迈克尔逊干涉仪或非平衡马赫曾德干涉仪测试宽谱光源的自相干特性，获得光源的去相干长度Δl；

(2)根据Y波导输入尾纤的双折射率差Δn获得光源输出光信号的消偏长度L_D＝Δl/Δn；

(3)计算消偏器两段光纤的长度，要求L₁≥(L_D+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3，则满足要求的最短消偏器光纤长度为：L₁＝(L_D+L₃)×1.3，L₂＝2×(L_D+L₃)×1.3；L_D为光源输出光信号的消偏长度，L₃为光路中Y波导输出尾纤长度；

(4)选用输入尾纤长度L>3×[(L_D+L₃)×1.3]的Y波导；从Y波导输入尾纤根部量取长度为L₂＝2×[(L_D+L₃)×1.3]的光纤，从此处将输入尾纤打断，然后将两段打断的尾纤以45°对轴角度熔接；并从熔接点处向外再量取长度为L₁＝(L_D+L₃)×1.3的光纤，剩余尾纤去除；

(5)单模光纤耦合器的输出端直通臂尾纤与消偏器尾纤熔接，使得光源经耦合器输出的光信号从消偏器短光纤一端输入，从长光纤一端输出，并耦合进入Y波导。

本发明的有益效果在于：

(1)采用非平衡干涉仪测量宽谱光源的去相干特性，避免采用谱宽计算去相干长度时因为谱形不理想带来的误差，提高了去相干长度的准确性。

(2)采用Y波导的输入尾纤制作消偏器，消偏器两段光纤的特性相同，在45°对轴熔接时有利于减小熔接角度误差，提高消偏效果。消偏器输出信号直接进入Y波导芯片进行起偏，保证了起偏后信号的功率稳定性和波长稳定性。有利于提高光纤陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性。

(3)光源输出经耦合器后的宽谱光信号从消偏器较短的一段光纤输入，从较长的一段光纤输出，保证Y波导输出的TE模有用信号全部位于抑制轴TM模信号的前面。大幅降低误差信号在后续光路中与有用信号光程补偿重建对比度的可能性。有利于降低陀螺的偏振误差。

(4)消偏器的长度设计考虑了波导尾纤前后两个耦合点可能引起的消偏器输出波列间的光程延时补偿，进一步保证了在整体光路中消偏器的消偏效果。

(5)Y波导前消偏器的使用降低了陀螺光路系统对光源偏振度的要求，不仅适用于低偏振光源，也适用于高偏振度光源。

附图说明

图1本发明实施例提供的混偏光纤陀螺光路的结构示意图；

图2某型号宽谱光源的自相干函数；

图3光信号从长光纤输入时消偏器消偏效果示意图；

图4光信号从短光纤输入时消偏器消偏效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的混偏陀螺光路，Y波导输入尾纤采用保偏光纤，Y波导前加消偏器，且消偏器采用Y波导的输入尾纤制作。降低了混偏陀螺光路对光源偏振度的要求，不但适用于低偏振宽谱光源，对于高偏振光源也能够通过消偏器保证Y波导起偏信号的功率稳定性和波长稳定性。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用非平衡迈克尔逊干涉仪或非平衡马赫曾德干涉仪测试宽谱光源的自相干特性，获得光源的去相干长度Δl；

(2)根据Y波导输入尾纤的双折射率差Δn计算光源输出光信号的消偏长度L_D＝Δl/Δn。消偏器是由长度比为1：2的2段保偏光纤构成，长度分别为L₁和L₂。为实现消偏，要求L₁≥L_D，L₂≥L_D，L₂-L₁≥L_D；其中消偏器采用Y波导的保偏输入尾纤制作。

(3)从整体光路的角度考虑消偏器的消偏长度，避免消偏器输出波列在后续光路中产生光程延迟补偿。光源经耦合器输出的光信号从消偏器的短光纤输入，长光纤输出。设光路中Y波导输出尾纤长度为L₃，要求L₁≥(L_D+L₃)，L₂≥(L_D+L₃)，L₂-L₁≥(L_D+L₃)；

(4)为保证光纤陀螺的全温精度，分析变温环境对消偏器消偏效果的影响。考虑制作消偏器的Y波导输入尾纤双折射率差Δn受温度的影响，光源去相干长度受温度的影响，单模光纤耦合器和Y波导的光谱传递函数对光信号去相干长度的影响，并考虑陀螺生产过程中Y波导输出尾纤的不确定度，为消偏器光纤长度留出适当余量。以某混偏光纤陀螺光路系统为例，温度的影响上限是常温状态的30％，则消偏器光纤长度要求L₁≥(L_D+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3。满足要求的最短消偏器光纤长度为：L₁＝(L_D+L₃)×1.3，L₂＝2×(L_D+L₃)×1.3。

(5)要求Y波导输入尾纤长度L>3×[(L_D+L₃)×1.3]；

(6)从Y波导输入尾纤根部量取长度为L₂＝2×[(L_D+L₃)×1.3]的光纤，从此处将输入尾纤打断，然后将两段打断的尾纤以45°对轴角度熔接。从熔接点处向外再量取长度为L₁＝(Δl/Δn+L₃)×1.3的光纤，剩余尾纤去除；完成了利用Y波导的输入尾纤制作消偏器的步骤。

(7)宽谱光源的单模尾纤与单模光纤耦合器的一个输入端熔接，单模光纤耦合器相对于输入端的直通臂尾纤与消偏器尾纤熔接，消偏器输出信号直接耦合进Y波导芯片，消偏器的长段光纤快轴与Y波导芯片快轴0°对轴耦合。Y波导输出TE模信号进入波导输出尾纤的快轴，Y波导的两条输出保偏尾纤分别与光纤环的两根尾纤0°熔接，单模光纤耦合器与光源同侧的第三端与探测器单模尾纤熔接。形成了混偏光纤陀螺光路。

本发明采用非平衡干涉仪测量宽谱光源的去相干特性，避免采用谱宽计算去相干长度时因为谱形不理想带来的误差，提高了去相干长度的准确性。采用Y波导的输入尾纤制作消偏器，消偏器两段光纤的特性相同，在45°对轴熔接时有利于减小熔接角度误差，提高消偏效果。消偏器输出信号直接进入Y波导芯片进行起偏，保证了起偏后信号的功率稳定性和波长稳定性。有利于提高光纤陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性。光源输出经耦合器后的宽谱光信号从消偏器较短的一段光纤输入，从较长的一段光纤输出，保证Y波导输出的TE模有用信号全部位于抑制轴TM模信号的前面。大幅降低误差信号在后续光路中与有用信号光程补偿重建对比度的可能性。有利于降低陀螺的偏振误差。消偏器的长度设计考虑了波导输出尾纤前后两个耦合点可能引起的消偏器输出波列间的光程延时补偿，进一步保证了在整体光路中消偏器的消偏效果。Y波导前消偏器的使用降低了陀螺光路系统对光源偏振度的要求，不仅适用于低偏振光源，也适用于高偏振度光源。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参照图1，本发明提出了一种混偏光纤陀螺光路；混偏光纤陀螺光路包括尾纤为单模光纤的宽谱光源、单模光纤耦合器、消偏器、尾纤为保偏光纤的Y波导、保偏光纤环、单模尾纤探测器。各器件间通过熔接连成陀螺光路。其中宽谱光源与单模光纤耦合器间的熔点S₁、探测器与单模光纤耦合器间的熔点S₂、单模光纤耦合器与消偏器间的熔点S₃为单模光纤熔接点。Y波导尾纤与光纤环之间的两个熔接点S₄和S₅为保偏光纤熔接点，0°对轴。消偏器两段光纤之间为45°对轴保偏光纤熔接点。消偏器输出端和波导输出尾纤与波导芯片采用耦合对轴方式，三段波导尾纤的快轴与波导的传输轴0°对轴。

光源的去相干长度采用迈克尔逊干涉仪或马赫曾德干涉仪进行测试，通过调整干涉仪一个臂的臂长来调整干涉仪两臂间的光程差，获得光源的自相干特性。图2给出了5只某型号宽谱光源的自相干函数，可以看出5只光源的自相干特性具有较高的一致性。因此，可以选取几只特定型号的宽谱光源，对光源的自相干特性进行分析，获得该型光源的去相干长度，作为消偏器设计的依据。从图2中可以看出，当干涉仪两臂的光程差Δl＞＞0.15mm时，光源自身已失去对比度。

根据Y波导输入尾纤的双折射率差Δn计算光源输出光信号的消偏长度L_D＝Δl/Δn。消偏器是由长度比为1：2的2段保偏光纤构成，长度分别为L₁和L₂。为实现消偏，要求L₁≥L_D，L₂≥L_D，L₂-L₁≥L_D。

从器件角度来讲，消偏器具有互易性，无论从长光纤一端入光还是从短光纤一端入光，都能够达到好的消偏效果，如图3和图4所示，各输出波列间实现去相关且两正交偏振主轴上光功率相等。但从整体光路的角度考虑，光信号从长光纤端输入和从短光纤输入产生的效果是不同的。从图3中可以看出，光信号从长光纤输入时，四个输出波列在快慢轴上交替分布，其中有用信号为U_xy'(L₁+L₂)和U_yy'(L₁+L₂)。在后续光路中各耦合点对轴精度的不理想必然引起偏振模式间的交叉耦合，可能导致波列间光程延迟的补偿。例如，Y波导快慢轴传播速度差能够补偿U_yx'(L₁+L₂)和U_xy'(L₁+L₂)之间的光程差，U_yx'(L₁+L₂)在C2点与U_xy'(L₁+L₂)产生部分干涉对比度重建，引起光路偏振误差。而如果光信号从短光纤输入，如图4所示，有用信号U_yy'(L₁+L₂)和U_xy'(L₁+L₂)在消偏器输出端都位于慢轴波列的前面，且在后续光路中也在快轴传输，与慢轴无用波列间的光程差越来越大，不可能产生延迟补偿。因此，采用光信号从短光纤一段进入消偏器的方法，能够降低输出波列在后续光路中产生延迟的可能，有利于提高光纤陀螺的零偏稳定性。因此，光路中耦合器输出端需与消偏器的短光纤熔接，采用先短后长的消偏方式。

消偏器采用先短后长，光信号从短光纤输入的消偏方式后，输出波列中只有U_yy'(L₁+L₂)和U_xy'(L₁+L₂)可能产生对比度重建。在波导与尾纤的耦合点，快轴波列U_yy'(L₁+L₂)耦合到慢轴的部分在波导尾纤与光纤环的熔接点处可再次耦合回快轴与波列U_xy'(L₁+L₂)产生延迟补偿重建干涉对比度。因此，需要消偏器长度L₁≥(L_D+L₃)，L₂≥(L_D+L₃)，L₂-L₁≥(L_D+L₃)，其中L₃为Y波导输出尾纤长度。

为保证光纤陀螺的全温精度，需考虑变温环境对消偏器消偏效果的影响。首先，制作消偏器的Y波导输入尾纤双折射率差Δn受温度的影响；其次，光源去相干长度受温度的影响；第三，单模光纤耦合器和Y波导的光谱传递函数影响光信号去相干长度。此外，光纤陀螺在生产中还存在一定的误差因素，如Y波导输出尾纤长度的不确定度等。因此，需要为消偏器光纤长度留出适当余量。以某混偏光纤陀螺光路系统为例，温度的影响上限是常温状态的30％，则消偏器光纤长度要求L₁≥(L_D+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3，满足要求的最短消偏器光纤长度为：L₁＝(L_D+L₃)×1.3，L₂＝2×(L_D+L₃)×1.3。因此，Y波导的输入尾纤长度需满足L>3×[(L_D+L₃)×1.3]。

消偏器的制作过程为：选用输入尾纤长度L>3×[(L_D+L₃)×1.3]的Y波导，从Y波导输入尾纤根部量取长度为L₂＝2×[(L_D+L₃)×1.3]的光纤，从此处将输入尾纤打断，然后将两段打断的尾纤以45°对轴角度熔接。从熔接点处向外再量取长度为L₁＝(L_D+L₃)×1.3的光纤，剩余尾纤去除；完成了利用Y波导的输入尾纤制作消偏器的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混偏光纤陀螺光路，其特征在于，包括单模光纤耦合器、与所述单模光纤耦合器的第一端熔接的且尾纤为单模光纤的宽谱光源、输入端与所述单模光纤耦合器的第二端熔接的消偏器、与所述消偏器的输出端对轴耦合的Y波导、与所述Y波导熔接的保偏光纤环、以及与所述单模光纤耦合器的第三端熔接且尾纤为单模光纤的探测器；

所述消偏器是由长度比为1：2的2段保偏光纤构成，长度分别为L₁和L₂,L₁≥L_D，L₂≥L_D，L₂-L₁≥L_D,L_D为消偏长度。

2.如权利要求1所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，消偏器中两段光纤之间为45°对轴保偏光纤熔接点。

3.如权利要求1所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，消偏器输出端和波导输出尾纤与波导采用耦合对轴方式，三段波导尾纤的快轴与波导的传输轴0°对轴。

4.如权利要求1所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，Y波导尾纤与光纤环之间的两个熔接点S₄和S₅均为保偏光纤熔接点，且0°对轴。

5.如权利要求1所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，所述宽谱光源与单模光纤耦合器之间的熔点S₁、所述探测器与单模光纤耦合器之间的熔点S₂、所述单模光纤耦合器与所述消偏器之间的熔点S₃均为单模光纤熔接点。

6.如权利要求1所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，所述消偏器中两段光纤的长度满足：L₁≥(L_D+L₃)×1.3＝(Δl/Δn+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3；其中L_D为光源输出光信号的消偏长度，L₃为Y波导输出尾纤长度，Δn为Y波导输入尾纤的双折射率差，Δl为光源的去相干长度。

7.如权利要求6所述的混偏光纤陀螺光路，其特征在于，选用Y波导的输入尾纤长度 $L>3\×[(L_D+L_3)\×1.3].$

8.一种制备权利要求1-7任一项所述的混偏光纤陀螺光路中消偏器的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采用非平衡迈克尔逊干涉仪或非平衡马赫曾德干涉仪测试宽谱光源的自相干特性，获得光源的去相干长度Δl；

(2)根据Y波导输入尾纤的双折射率差Δn获得光源输出光信号的消偏长度L_D＝Δl/Δn；

(3)计算消偏器两段光纤的长度，要求L₁≥(L_D+L₃)×1.3，L₂≥(L_D+L₃)×1.3，L₂-L₁≥(L_D+L₃)×1.3，则满足要求的最短消偏器光纤长度为：L₁＝(L_D+L₃)×1.3，L₂＝2×(L_D+L₃)×1.3；L_D为光源输出光信号的消偏长度，L₃为光路中Y波导输出尾纤长度；

(4)选用输入尾纤长度L>3×[(L_D+L₃)×1.3]的Y波导；从Y波导输入尾纤根部量取长度为L₂＝2×[(L_D+L₃)×1.3]的光纤，从此处将输入尾纤打断，然后将两段打断的尾纤以45°对轴角度熔接；并从熔接点处向外再量取长度为L₁＝(L_D+L₃)×1.3的光纤，剩余尾纤去除；

(5)单模光纤耦合器的输出端直通臂尾纤与消偏器尾纤熔接，使得光源经耦合器输出的光信号从消偏器短光纤一端输入，从长光纤一端输出，并耦合进入Y波导。