CN104931035B - 一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔及应用。所述的反射式环形谐振腔包括：空芯光子晶体光纤环和光纤耦合器，空芯光子晶体光纤环配合前后两端的光纤耦合器形成环形谐振腔，入射光在其中形成谐振。空芯光子晶体光纤环由空芯光子晶体光纤绕制而成，纤芯为空气或真空，依靠光子带隙效应将光约束在其中传播。所述的光纤耦合器为空间型耦合器或全光纤型耦合器。所述的反射式环形谐振腔在惯性测量、传感与导航领域的应用。本发明利用空芯光子晶体光纤在空气或真空中导光的特点，大大削弱了环境因素对环形谐振腔的影响；另外本发明还具备高Q值，低非线性效应，工作波段可调等优点。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔，涉及光子晶体光纤，光纤陀螺仪表，尤其是谐振型光纤陀螺领域。
背景技术
光纤陀螺是一种全固态陀螺仪表，具有可靠性高、寿命长、动态范围大、振动不敏感、体积小、重量轻、适合大批量生产的特点，且可达到很高的精度。其中干涉式光纤陀螺由于需要采用较长的光纤绕制光纤环，因此存在着环境敏感性过大等缺点，尤其是在外部存在温度变化时，光纤陀螺的性能指标往往要下降一个数量级。通过结构优化和改进光纤环的绕制方法，以及完善信号检测方案和采取外部屏蔽部件，可以在一定程度上解决环境适应性，但同时也带来了成本高、体积大、质量重、功耗高、启动时间长、可靠性低等一系列附加问题。谐振型光纤陀螺可以用较短的光纤构成陀螺光路，在同等精度的情况下，其光纤长度仅为干涉式的1/10～1/100，尺寸也可以比激光陀螺更小。然而谐振型光纤陀螺目前依然没有实现量产化，阻碍其向高精度和实用化发展的主要原因包括由光纤分束器构成的光纤谐振腔中非线性效应，温度所致的应力变化导致的漂移以及随机偏振耦合引起的偏振非互易性等。
空芯光子晶体光纤是一种较新的光纤，不同于传统光纤的全内反射导光原理，空芯光子晶体光纤是利用光子带隙效应使光能被约束在空气中传输。导光纤芯变成空气，而不是传统的掺杂高浓度硅纤芯，优点在于传输性能不再受到纤芯的材料因素限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等现象都与纤芯材料有关，而空芯光子晶体光纤通过合理的结构设计，可以实现将超过99％的光约束在空气中传播，不仅大大降低了波导材料对光传输特性的影响，而且传输损耗极低。因此在很多领域内，空芯光子晶体光纤比传统光纤更具优势。
限制空芯光子晶体光纤应用的最大问题是缺乏一个通用且有效的耦合方法，让空芯光子晶体光纤可以与其他光纤进行对接。传统光纤最为有效的耦合方式是熔接，但这种方式无法照搬到空芯光子晶体光纤上，因为两种光纤内部构造与导光机理的不同，无论是放电熔接还是加热熔接，都难以保证空芯光子晶体内部的空气孔结构不发生坍缩而保持较好，又能获得较高的连接强度。
另一种较常见的空芯光子晶体光纤耦合方式便是采用分立光学器件进行空间光耦合。这种耦合方式的缺点在于装置繁冗，对光路操作环境极为严苛，需配合光学实验平台使用等，无法满足便携使用的需求。
发明内容
为了突破现有谐振型光纤陀螺在工程应用和实用化上的瓶颈，本发明的目的是为谐振型光纤陀螺及其他光学谐振系统提供一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔及应用。
本发明的技术方案如下：
一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔，它包括：空芯光子晶体光纤环和光纤耦合器，空芯光子晶体光纤环配合前后两端的光纤耦合器形成环形谐振腔，入射光在其中形成谐振。
所述的空芯光子晶体光纤环由空芯光子晶体光纤绕制而成，纤芯为空气或真空，依靠光子带隙效应将光约束在其中传播。
所述的光纤耦合器为空间型耦合器或全光纤型耦合器；所述的空间型耦合器包括金属底座、搭扣装置和耦合镜片，金属底座上刻有凹槽，配合搭扣装置在不损伤光纤的情况下将光纤牢牢固定，耦合镜片上镀有增透反射膜，膜厚可根据具体工作波长进行调整；所述的全光纤型耦合器包括光纤连接头和法兰盘，在光纤连接头的单模光纤端采用端面镀膜或光栅刻蚀的方式构成反射端。
所述的搭扣装置包括黏连的磁性搭扣、塑性软垫，塑性软垫固定光纤。
一种根据所述的反射式环形谐振腔获得旋转角速度的方法，
根据Sagnac效应，谐振环频差与旋转角速度的关系为：
式中Δν为谐振频率差值，Ω为旋转角速度，λ为真空中的波长，A为谐振光路所围成的面积，L为环形光路实际长度。
一种根据所述的反射式环形谐振腔在惯性测量、传感与导航领域的应用。
本发明的有益效果在于：本发明利用空芯光子晶体光纤在空气或真空中导光的特点，大大削弱了环境因素对环形谐振腔的影响；另外本发明还具备高Q值，低非线性效应，工作波段可调等优点。
附图说明
图1是基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔的结构示意图；
图2是实施例中的空间型光纤耦合器立体结构示意图；
图3是实施例中的全光纤型光纤耦合器的立体结构示意图；
图中，1是空芯光子晶体光纤环，2是光纤耦合器；201是金属底座，202是磁性搭扣，203是塑性软垫，204是耦合镜片，205是光纤连接头，206是法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
空芯光子晶体光纤的出现为谐振型光纤陀螺提供了一种技术方案。这种光纤不同于传统光纤，光束在空芯光子晶体光纤中并不是依靠全反射原理进行传输，而是光子带隙效应。换言之，空芯光子晶体光纤可以将光束束缚在空气中，而非介质中。这样的好处在于，光在空气中传播，作为材料本征属性的吸收、色散以及非线性效应将不复存在，可以大大降低光纤本身的环境敏感性所引起的测量误差，为光纤陀螺的高精度输出提供了保障。
本发明的工作原理是：空芯光子晶体光纤环配合前后两端的光纤耦合器形成环形谐振腔，特定频率的光可以在其中形成谐振。根据Sagnac原理，旋转的环形光路会导致谐振腔的光程发生变化，从而改变谐振腔的谐振频率。在入射光源频率恒定的情况下，谐振频率的改变会使得输出光的峰值频率发生变化，利用该频率差值即可计算出环形光路的旋转角速度。
本发明所提出的基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔可以有效推进谐振型光纤陀螺的小型化和实用化进程。
实施例
参照图1，一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔包括：空芯光子晶体光纤环1和光纤耦合器2。两端的两个光纤耦合器2配合空芯光子晶体光纤环1构成环形谐振腔，特定频率的光可以在谐振腔内反复振荡形成谐振。
参照图2，金属底座201为铁/镍材质，其上用激光刻蚀(或相似加工精度手段)刻有凹槽，配合搭扣装置(这里为磁性搭扣202和塑性软垫203)可以在不损伤光纤的情况下将光纤牢牢固定，耦合镜片204上镀有增透反射膜，通过调整膜长可以使空芯光子晶体光纤谐振腔内的光在其中反复振荡。这种光纤耦合器的特点是，可以通过更换耦合镜片204，适配各种工作波段。
参照图3，光纤连接头205配合法兰盘206可以将两端光纤进行固定并对准。在单模光纤端采用端面镀膜或光栅刻蚀的方式构成反射端，使空芯光子晶体光纤谐振腔内的光在其中反复振荡。这种光纤耦合器的特点是，可以通过更换镀有反射膜或光栅的单模光纤，适配各种工作波段。
当环形谐振腔静止时，在其内传播的顺、逆时针两路光波的光程一致，这时两路光输出的谐振频率相同。当环形谐振腔绕着垂直于腔的敏感轴转动时，由于Sagnac效应影响，顺、逆时针传播的两路光波传播路径不再相等，形成了光程差，从而引起了谐振频率差。通过探测环形谐振腔的谐振频率差，可计算出环形谐振腔所感应到的旋转角速度。
谐振谐振频率差值与旋转角速度的关系为：
式中Δν为谐振频率差值，Ω为旋转角速度，λ为真空中的波长，A为环形光路所围成的面积，L为环形光路实际长度。测出环形光路的谐振频率差值，即可计算出环形光路的旋转角速度。
Claims (5)
1.一种基于空芯带隙光纤的反射式环形谐振腔，其特征在于，它包括：空芯光子晶体光纤环(1)和光纤耦合器(2)，空芯光子晶体光纤环(1)配合前后两端的光纤耦合器(2)形成环形谐振腔，入射光在其中形成谐振；
所述的光纤耦合器(2)为空间型耦合器或全光纤型耦合器；所述的空间型耦合器包括金属底座(201)、搭扣装置和耦合镜片(204)，金属底座(201)上刻有凹槽，配合搭扣装置在不损伤光纤的情况下将光纤固定，耦合镜片(204)上镀有增透反射膜，膜厚可根据具体工作波长进行调整；所述的全光纤型耦合器包括光纤连接头(205)和法兰盘(206)，在光纤连接头(205)的单模光纤端采用端面镀膜或光栅刻蚀的方式构成反射端。
2.根据权利要求1所述的反射式环形谐振腔，其特征在于，所述的空芯光子晶体光纤环(1)由空芯光子晶体光纤绕制而成，纤芯为空气或真空，依靠光子带隙效应将光约束在其中传播。
3.根据权利要求1所述的反射式环形谐振腔，其特征在于，所述的搭扣装置包括黏连的磁性搭扣(202)、塑性软垫(203)，塑性软垫(203)固定光纤。
4.一种根据权利要求1‐3任一项所述的反射式环形谐振腔获得旋转角速度的方法，其特征在于，
根据Sagnac效应，谐振环频差与旋转角速度的关系为：
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<mi>&Omega;</mi>
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式中Δν为谐振频率差值，Ω为旋转角速度，λ为真空中的波长，A为谐振光路所围成的面积，L为环形光路实际长度。
5.一种根据权利要求1‐3任一项所述的反射式环形谐振腔在惯性测量、传感与导航领域的应用。
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| CN102306896A (zh) * | 2011-08-18 | 2012-01-04 | 厦门大学 | 基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Resonant Fiber Optic Gyroscope Using an Air-Core Fiber;Matthew A.Terrel.et al;《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》;20120430;第30卷(第7期);第931-937页 * |
| 谐振式空芯光子带隙光纤陀螺中光克尔效应;于秀娟等;《中国激光》;20080331;第35卷(第3期);第430-435页 * |
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