CN104374410A - 一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置及方法，测量装置包括激光光源、耦合器、Y波导、光子带隙光纤环、探测器、信号发生器、示波器；激光光源的输出尾纤与耦合器的O₁尾纤采用法兰盘对接，耦合器的O₂端与探测器尾纤熔接，耦合器的O₃端与Y波导输入尾纤熔接，Y波导输出尾纤设有端面A和端面B，根据测量需要，选择端面A或者端面B与光子带隙光纤环尾纤熔接，熔点分别为A或者B，信号发生器为Y波导提供调制信号，利用示波器检测探测器信号。本发明提出了采用锯齿波调制的光子带隙光纤陀螺熔点反射的测量方法；本发明能实时测量熔接过程中光纤环熔点的反射，实现对熔点质量在线检测。

Description

一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置及方法，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。

光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型光纤，通过在二氧化硅和空气孔周期性排列构成对光波产生限制的二维光子晶体材料，然后在周期性材料中引入缺陷，使光波在缺陷中传播，这是一种基于低折射率材料(空气)在高折射率背景材料(二氧化硅)中的二维周期性排列而形成的微结构光纤。这种原理与结构上的独特性使得光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感，具备无限单模传输能力等。因此，光子带隙光纤是解决光纤陀螺环境适应性问题的理想选择，是光纤陀螺的发展趋势。

在普通光纤陀螺中，光纤环与器件尾纤均为二氧化硅纤芯的普通保偏光纤，熔点反射可忽略不计；在光子带隙光纤陀螺中，光纤环与Y波导尾纤的熔点是二氧化硅纤芯的普通光纤与空气纤芯的带隙光纤的熔点，纤芯折射率在熔点处存在阶跃，因此存在反射。这种在熔点处的反射光会和主波进行干涉，进而会影响光纤陀螺的精度，背向反射误差是影响带隙光纤陀螺精度的主要误差源之一，抑制反射误差的前提是需要精确测量光子带隙光纤环与Y波导尾纤熔点的反射强度。目前针对熔点反射的测试方法是利用OTDR测试熔点的反射光强。由于OTDR空间分辨率有限，此种测试方法不够精确，同时，当光纤环两端均与Y波导尾纤熔接上后，光路闭合，无法利用OTDR对熔点反射进行测试。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种采用锯齿波调制的带隙光纤陀螺光纤环与Y波导尾纤熔点反射强度的测量装置及方法。

一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置，包括激光光源、耦合器、Y波导、光子带隙光纤环、探测器、信号发生器、示波器；

激光光源的输出尾纤与耦合器的O₁尾纤采用法兰盘对接，耦合器的O₂端与探测器尾纤熔接，耦合器的O₃端与Y波导输入尾纤熔接，Y波导输出尾纤设有端面A和端面B，根据测量需要，选择端面A或者端面B与光子带隙光纤环尾纤熔接，熔点分别为A或者B，信号发生器为Y波导提供调制信号，利用示波器检测探测器信号。

基于上述装置的一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量方法，当对光纤环熔接进行在线测量时，具体为：

激光光源输出的光经过耦合器输入到Y波导，信号发生器通过Y波导对光进行锯齿波调制，在熔接熔点A之前，测量反射光I_C强度；在熔接熔点A点时，熔点产生的反射光I_A再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，通过示波器观测探测器输出，此时信号峰-峰值为V₁；熔点A反射光强I_A计算公式如下：

I_A＝(V₁/4)²/I_C

在熔接熔点B时，掐断耦合器C端反射，反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后发生干涉，通过示波器观测两束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₂；熔点B反射光强I_B计算公式如下：

I_B＝(V₂/4)²/I_A

当测量已装配完成的光子带隙光纤陀螺中熔点反射强度，具体为：

激光光源输出的光经过耦合器输入到Y波导，信号发生器通过Y波导对光进行锯齿波调制，在熔点A、熔点B产生的两束反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，通过示波器观测三束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₃；将耦合器C端反射点掐断，抑制耦合器C端点反射光，测量此时信号峰-峰值为V₄；熔点A、熔点B反射光满足如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}2\sqrt{I_A\·I_C}+2\sqrt{I_B\·I_C}=V_3/2\\ 2\sqrt{I_A\·I_B}=V_4/2\end{array}\right.$

根据以上方程，得到熔点A、熔点B的反射光强如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=\frac{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}{32I_C}\\ I_B=\frac{2I_C\·{V_4}^2}{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}\end{array}\right.$

本发明的优点在于：

(1)提出了采用锯齿波调制的光子带隙光纤陀螺熔点反射的测量方法；

(2)能实时测量熔接过程中光纤环熔点的反射，实现对熔点质量在线检测；

(3)能对光路完整的光子带隙光纤陀螺中的光纤环熔点反射进行测试，为光纤陀螺性能估算提供依据；

(4)测量方法简单，精度高，无须破坏光纤陀螺本身光路。

附图说明

图1是熔接过程中实时测量熔点反射方法的示意图；

图2是测量光子带隙光纤陀螺中熔点反射方法的示意图；

图3是Y波导锯齿波调制示意图。

图中：

1-激光光源        2-探测器  3-耦合器

4-示波器          5-Y波导   6-信号发生器

7-光子带隙光纤环

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。

本发明是一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置，如图1所示，包括激光光源1、耦合器3、Y波导5、光子带隙光纤环7、探测器2、信号发生器6、示波器4；

激光光源1的输出尾纤与耦合器3的O₁尾纤采用法兰盘对接，耦合器3的O₂端与探测器2尾纤熔接，耦合器的O₃端与Y波导5输入尾纤熔接，Y波导5输出尾纤设有端面A和端面B，根据测量需要，选择端面A或者端面B与光子带隙光纤环7尾纤熔接，熔点分别为A或者B，信号发生器6为Y波导5提供调制信号，利用示波器4检测探测器2信号。

基于上述装置的一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量方法，当对光纤环熔接进行在线测量时，具体为：

激光光源1输出的光经过耦合器3输入到Y波导5，信号发生器6通过Y波导5对光进行锯齿波调制，在熔接熔点A之前，测量反射光I_C强度；在熔接熔点A点时，熔点产生的反射光I_A再次经过Y波导5调制后与耦合器3C端反射光I_C发生干涉，通过示波器4观测探测器2输出，此时信号峰-峰值为V₁。熔点A反射光强I_A计算公式如下：

I_A＝(V₁/4)²/I_C

在熔接熔点B时，掐断耦合器3C端反射，反射光I_A、I_B再次经过Y波导5调制后发生干涉，通过示波器4观测两束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₂。熔点B反射光强I_B计算公式如下：

I_B＝(V₂/4)²/I_A

当测量已装配完成的光子带隙光纤陀螺中熔点反射强度，具体为：

激光光源1输出的光经过耦合器3输入到Y波导5，信号发生器6通过Y波导5对光进行锯齿波调制，在熔点A、熔点B产生的两束反射光I_A、I_B再次经过Y波导5调制后与耦合器3C端反射光I_C发生干涉，通过示波器4观测三束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₃。将耦合器3C端反射点掐断，抑制耦合器3C端点反射光，测量此时信号峰-峰值为V₄。熔点A、熔点B反射光满足如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}2\sqrt{I_A\·I_C}+2\sqrt{I_B\·I_C}=V_3/2\\ 2\sqrt{I_A\·I_B}=V_{4/2}\end{array}\right.$

根据以上方程，可以计算出熔点A、熔点B的反射光强如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=\frac{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}{32I_C}\\ I_B=\frac{2I_C\·{V_4}^2}{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}\end{array}\right.$

本发明是一种采用锯齿波调制的带隙光纤陀螺光纤环与Y波导尾纤熔点反射强度的测量方法，其熔接过程中实时测量熔点反射方法的示意图如图1所示，包括光源1、探测器2、耦合器3、示波器4、Y波导5、信号发生器6、光子带隙光纤环7；测量光子带隙光纤陀螺中熔点反射方法的示意图如图2所示，包括光源1、探测器2、耦合器3、示波器4、Y波导5、信号发生器6、光子带隙光纤环7；

激光光源1的输出尾纤与耦合器3的O₁尾纤采用法兰盘对接，耦合器3的O₂端与探测器2尾纤熔接，探测器2输出耦合器的O₃端与Y波导5的输入尾纤熔接，Y波导5的输出尾纤与光子带隙光纤环尾纤熔接，信号发生器6为Y波导5提供调制信号，利用示波器4检测探测器信号。

在本发明中，光源1选用dBm OPTICS生产的Model4200激光光源；信号发生器选用泰克公司的AFG3102；探测器为武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器。

激光光源1与耦合器3的尾纤O₁采用法兰盘对接，输出的光经过耦合器3输入到Y波导5，分别在Y波导5的输出尾纤A、B两端及耦合器尾纤C端监测光功率，调整法兰盘对接角度使A、B、C端的输出光功率最大。

信号发生器6通过Y波导5对光进行锯齿波调制，调制信号波形如图3所示，干涉光波相位差在一个调制周期内连续变化。由于光波的干涉回路不同，在反射光I_A、I_B、I_C干涉时存在周期为毫秒量级的光功率扰动，因此锯齿波调制的频率应高于100kHz。为保证干涉波形在单个调制周期内存在完整的正弦波形，锯齿波调制电压应大于波导的2π电压。

在熔接第一个点(熔点A)之前，A、B两段尾纤均无反射光，用光纤切割刀将C点尾纤垂直切断，此时到达探测器的光为C点反射光I_C。在熔接A点时，熔点产生的反射光I_A再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，此时的干涉光强为：

式中，I_AC为干涉光总光强，I_A为A点反射光强，I_C为C点反射光强，ω为干涉波角频率，为干涉光的初始相位。

干涉波角频率ω的表达式如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{2\·\mathrm{\π}\·V_{2\mathrm{\π}}}{V\·T}---\left(2\right)$

式中，V_2π为波导的2π电压，V为调制信号的峰-峰值，T为调制信号的周期。

通过示波器观测探测器输出，此时信号峰-峰值为V₁，即干涉信号中交流项的峰-峰值为V₁。用公式表达为：

$2*2\sqrt{I_A\·I_C}=V_1---\left(3\right)$

A点反射光强I_A计算公式如下

I_A＝(V₁/4)²/I_C         (4)

在熔接第二个点(熔点B)时，破坏C点端面，消除耦合器C端反射，反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后发生干涉，此时的干涉光强为：

其中，I_AB为干涉光总光强，I_A为A点反射光强，I_B为B点反射光强，ω为干涉波角频率，为干涉光的初始相位。

因此可以得到B点反射光强I_B计算公式如下：

I_B＝(V₂/4)²/I_A          (6)

除对光纤环熔接在线测量外，本方法还可用于测量已熔接、装配完成的光子带隙光纤陀螺中熔点反射强度。在光子带隙光纤陀螺中，信号发生器通过Y波导对光进行锯齿波调制。在熔点A、B产生的两束反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，通过示波器观测三束光波的干涉信号，此时的干涉光强为：

其中，I_ABC为干涉光总光强，I_A为A点反射光强，I_B为B点反射光强，I_C为C点反射光强，ω为干涉波角频率，为干涉光的初始相位。

由于一项的频率为 的两倍，故不影响前两项的峰-峰值。当干涉光强I_ABC取最大值时的电压与π/ω时刻后的电压差V₃为：

$2*(2\sqrt{I_A\·I_C}+2\sqrt{I_B\·I_C})=V_3---\left(8\right)$

其中，ω为干涉波角频率。

破坏C点端面，消除耦合器C端反射，测量此时信号峰-峰值为V₄。熔点反射光满足如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}2\sqrt{I_A\·I_C}+2\sqrt{I_B\·I_C}=V_3/2\\ 2\sqrt{I_A\·I_B}=V_4/2\end{array}\right.---\left(9\right)$

根据以上方程，可以计算出两熔点的反射光强，表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=\frac{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}{32I_C}\\ I_B=\frac{2I_C\·{V_4}^2}{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

通过这种方式，可以精确测量光子带隙光纤陀螺中熔点反射，从而为提高光纤陀螺的精度奠定基础。

Claims (2)

1.一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量装置，包括激光光源、耦合器、Y波导、光子带隙光纤环、探测器、信号发生器、示波器；

激光光源的输出尾纤与耦合器的O₁尾纤采用法兰盘对接，耦合器的O₂端与探测器尾纤熔接，耦合器的O₃端与Y波导输入尾纤熔接，Y波导输出尾纤设有端面A和端面B，根据测量需要，选择端面A或者端面B与光子带隙光纤环尾纤熔接，熔点分别为A或者B，信号发生器为Y波导提供调制信号，利用示波器检测探测器信号。

2.基于权利要求1所述装置的一种光子带隙光纤陀螺中光纤环熔接点反射的测量方法，当对光纤环熔接进行在线测量时，具体为：

激光光源输出的光经过耦合器输入到Y波导，信号发生器通过Y波导对光进行锯齿波调制，在熔接熔点A之前，测量反射光I_C强度；在熔接熔点A点时，熔点产生的反射光I_A再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，通过示波器观测探测器输出，此时信号峰-峰值为V₁；熔点A反射光强I_A计算公式如下：

I_A＝(V₁/4)²/I_C

在熔接熔点B时，掐断耦合器C端反射，反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后发生干涉，通过示波器观测两束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₂；熔点B反射光强I_B计算公式如下：

I_B＝(V₂/4)²/I_A

当测量已装配完成的光子带隙光纤陀螺中熔点反射强度，具体为：

激光光源输出的光经过耦合器输入到Y波导，信号发生器通过Y波导对光进行锯齿波调制，在熔点A、熔点B产生的两束反射光I_A、I_B再次经过Y波导调制后与耦合器C端反射光I_C发生干涉，通过示波器观测三束光波的干涉信号，此时的最大峰-峰值为V₃；将耦合器C端反射点掐断，抑制耦合器C端点反射光，测量此时信号峰-峰值为V₄；熔点A、熔点B反射光满足如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}2\sqrt{I_A\·I_C}+2\sqrt{I_B\·I_C}=V_3/2\\ 2\sqrt{I_A\·I_B}=V_4/2\end{array}\right.$

根据以上方程，得到熔点A、熔点B的反射光强如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=\frac{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}{32I_C}\\ I_B=\frac{2I_C\·{V_4}^2}{{V_3}^2-8I_C{V}_4+V_3\sqrt{{V_3}^2-16I_C{V}_4}}\end{array}\right..$