CN106403923B - 一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，属于光纤陀螺领域。所述测试方法中，信号发生器为集成光学波导施加光纤环本征频率2倍的方波调制加斜波调制，通过测量锁相放大器输出的峰峰值，计算集成光学波导中次波的强度。基于所述的测试方法的测试装置包括光源、耦合器、集成光学波导、光纤环、探测器、信号处理电路及采集计算机本发明采用光纤器件，测试装置搭建比较方便；测量精度高，能达到10^‑10V数量级；无需破坏陀螺光路，可以在线检测；弥补现有技术对集成光学波导中的次波信号计算方法的缺失，提高Sagnac干涉仪的精度。

Description

一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试 方法

技术领域

本发明涉及一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，属于光纤陀螺领域。

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。

在光纤陀螺中，集成光学波导是关键的光学器件，Y型集成光学波导在光纤陀螺中起到分束/合束、起偏、相位调制的作用。在集成光学波导中，对光信号起调制作用的电极位于波导芯片的顶部，对主波(波导芯片中的导波)进行调制。如图1所示，由于输入光纤与波导芯片的耦合存在模式不匹配，入射光中90％的光被耦合到主波中，而剩余的10％的光衍射到波导芯片的衬底，在衬底反射后反射光中的一部分在波导出射端耦合到输出光纤中，这一部分出射光称为“次波”。这种次波在传播路径上没有经过电极的调制，次波的相位与主波存在与所加调制相关的相位误差。而且由于次波的光程与主波的光程相近，在波导的出射端次波会和主波进行干涉，在Sagnac干涉仪中引起附加强度调制。这种次波导致的强度调制会在光纤陀螺等利用Sagnac原理的干涉仪中引入附加误差，影响干涉仪精度。

由于集成光学波导中的次波信号小，产生的误差对低精度的Sagnac干涉仪影响不显著，现有技术中还没有测量这种附加误差的手段。

发明内容

本发明的目的是为了测量上述的次波强度，提出了一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法。

本发明首先提供一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试装置，所述测试装置包括光源、耦合器、集成光学波导、光纤环、探测器、信号处理电路及采集计算机，所述的信号处理电路包括信号发生器和锁相放大器。

光源的输出尾纤经过耦合器入射到集成光学波导，集成光学波导将入射光分为两束并分别从光纤环的两端进入光纤环，两束光分别经过光纤环后在集成光学波导处干涉，干涉光经过耦合器后到达探测器。信号发生器将制定的调制信号施加在集成光学波导上，并将该调制信号作为参考信号提供给锁相放大器。锁相放大器检测与参考信号同频率的Sagnac干涉仪输出(探测器检测的信号)并将该输出信号传输给上位机即采集计算机，采集计算机进行次波强度计算。

基于所述的测试装置，本发明还提供一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，如下所述：

信号发生器为集成光学波导施加光纤环本征频率2倍的方波调制加斜波调制，通过测量锁相放大器输出的峰峰值，利用如下公式计算集成光学波导中次波的强度A：

A＝V_p ²/[16sin(π/8)cos(2πΔL/λ)(1+cosФ_s)γ(ΔL)√I_up]²

其中，V_p为锁相放大器输出的峰峰值的1/2，ΔL为集成光学波导中主波与次波的光程差，λ为工作波长，Ф_s表示Sagnac相位，γ(ΔL)为光程差为ΔL时光源的相干函数，I_up是集成光学波导上臂的光强。

本发明的优点在于：

(1)提出了基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法；

(2)采用光纤器件，测试装置搭建比较方便；

(3)测量精度高，能达到10^-10V数量级；

(4)无需破坏陀螺光路，可以在线检测。

附图说明

图1是集成光学波导中主波与次波传播示意图；

图2是本发明中的测试装置示意图；

图3是施加两倍频调制后次波强度调制相位误差示意图；

图中：

1-光源； 2-探测器； 3-耦合器；

4-集成光学波导； 5-光纤环； 6-锁相放大器；

7-信号发生器； 8-采集计算机。

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。

本发明首先提供一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试装置，如图2所示，所述的测试装置包括光源1、探测器2、耦合器3、集成光学波导4、光纤环5、锁相放大器6、信号发生器7和采集计算机8；所述的光源1为ASE光源。所述耦合器3为四端口器件，两个输入端口分别连接光源1和探测器2，两个输出端口中，一个输出端口连接集成光学波导4，另一个输出端口的光纤空置，光纤端面斜切八度角以防止端面反射。集成光学波导4的上臂和下臂分别连接光纤环5的两端，所述的锁相放大器6连接在探测器2的输出端，所述的信号发生器7连接在所述的锁相放大器6和集成光学波导4之间，所述的采集计算机8连接在锁相放大器6的输出端。

光源1的输出尾纤经过耦合器3入射到集成光学波导4，集成光波导4将入射光分为W_up与W_down两束，如图2所示，两束光分别从光纤环5的两端进入并经过光纤环5后在集成光学波导4处干涉，干涉光经过耦合器3后到达探测器2。信号发生器7将指定调制信号施加在集成光学波导4上，并将该调制信号作为参考信号提供给锁相放大器6。锁相放大器6检测与参考信号同频率的探测器2的输出信号并将该输出信号传输给采集计算机8，完成信号采集。

通过信号发生器7将固定频率的调制信号加到集成光学波导4上，并通过采集计算机8采集输出信号，对输出信号进行计算得到次波强度。

所述的光源1为1550nm波长ASE光源，所述探测器2为20k跨阻。所述耦合器3为2×2单模耦合器，所述的集成光学波导4为Y1588-P型Y波导,所述的光纤环5为2800m，所述的锁相放大器6为SR830锁相放大器，所述的信号发生器7型号为AFG3102。

本发明的一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，所述测试方法具体如下：

第一步，光源1的输出尾纤经过耦合器3入射到集成光学波导4，集成光学波导4将入射光分为主波W_up与W_down两束，入射光在经过集成光学波导4时会在上臂和下臂产生两束次波，分别为次波W₁与次波W₂。当W_up与W_down分别经过光纤环5后，会经过集成光学波导4形成干涉，干涉后的两束光再次分别形成两束次波，分别为次波W₃与次波W₄。其中除了W_up与W_down会发生干涉外，W₁、W₂、W₃、W₄会分别与W_up、W_down干涉。同时，W₁、W₂、W₃、W₄之间也会发生干涉，但干涉波强度极小，可忽略不计。此时，到达探测器2的光强I_AC为：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄分别为次波W₁、W₂、W₃、W₄的强度，I_up和I_down为主波W_up与W_down的强度。Ф_up和Ф_down分别为主波W_up与W_down经过集成光学波导时的相位变化量，Ф_up′为次波W₁和W₃经过集成光学波导上臂时产生的相位变化量，Ф_down′为次波W₂和W₄经过集成光学波导下臂时产生的相位变化量。其中，次波W₁、W₃经过集成光学波导时经历的光程相同，对应的相位变化量也相同，W₂、W₄经过集成光学波导时经历的相位变化量相同。Ф_up-Ф_up′以及Ф_down-Ф_down′可以由光程差公式2πΔL/λ计算，ΔL为主波和次波在波导中传播的光程差，λ为工作波长。公式中γ表示光源的相干函数，Ф_s表示Sagnac相位，Ф_m1～Ф_m9分别表示了主波之间的干涉光、以及两个主波分别与相应的次波干涉的干涉光在通过集成光学波导时经历的总调制相位。

第二步，在集成光学波导4上施加幅度为±V_π/4、频率为光纤环5本征频率的方波调制时(本征频率＝1/(2τ),其中τ是光在光纤环中传输的时间，V_π是集成光学波导使光产生相位为π的相位差时所加的电压)，主波W_up与W_down分别会在集成光学波导上臂和下臂经历幅度为V_π/8和-V_π/8的调制，此时陀螺处于正常工作状态。在集成光学波导4上施加光纤环本征频率两倍的方波调制频率时，W_up与W_down两束光在集成光学波导4上经历的调制为直流，无法被锁相放大器检测，公式(1)中的第一项为零。在这个状态下，由于次波没有经历调制，与主波之间的相位差会以此时的方波调制频率周期性变换，可以被锁相放大器6解调。此时公式(1)中(Ф_m2～Ф_m9)可以表示为–Ф_m2＝-Ф_m3＝Ф_m4＝Ф_m5＝Ф_m6＝Ф_m7＝Ф_m8＝Ф_m9＝Ф_m′,Ф_m′为波导次波强度调制相位，而四个次波的强度近似相等，施加两倍频调制后次波强度调制相位Ф_m′如图3所示。因此由公式(1)可以推出由锁相放大器6得到的解调值D为：

其中，A为次波的强度，Ф₀为调制方波的直流分量。当系统稳定，Ф₀由-π变化到π，解调值D的变化为一个正弦周期。

第三步，通过解调值D的峰峰值2V_p计算出次波的强度：

A＝V_p ²/[16sin(π/8)cos(2πΔL/λ)(1+cosФ_s)γ(ΔL)√I_up]² (3)

ΔL为集成光学波导中主波与次波的光程差。

利用上述方法，测量长度为46mm，V_π为4.65V的集成光学波导，得到其次波的强度为2.38×10^-10V，对应于-91.5dB的功率耦合，测量值比集成光学波导半波电压小10个数量级，因此，此方法可以精确测量集成光学波导中极其微弱的次波信号强度，从而为衡量集成光学调制器性能提供了一个定量的手段。

Claims (4)

1.一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：光源的输出尾纤经过耦合器入射到集成光学波导，集成光学波导将入射光分为主波W_up与W_down两束，入射光在经过集成光学波导时会在上臂和下臂产生两束次波，分别为W₁与W₂；当W_up与W_down分别经过光纤环后，会经过集成光学波导形成干涉，并再次形成两束次波，分别为W₃与W₄；其中除了W_up与W_down会发生干涉外，W₁、W₂、W₃、W₄会分别与W_up、W_down干涉；同时，W₁、W₂、W₃、W₄之间也会发生干涉，干涉波强度忽略不计；干涉光经过耦合器后到达探测器的光强I_AC为：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄分别为次波W₁、W₂、W₃、W₄的强度，I_up和I_down分别为主波W_up与W_down的强度；Ф_up和Ф_down分别为主波经过集成光学波导时的相位变化量，Ф_up′为次波W₁、W₃经过集成光学波导上臂时产生的相位变化量，Ф_down′为次波W₂、W₄经过集成光学波导下臂时产生的相位变化量；公式中γ表示光源的相干函数，Ф_s表示Sagnac相位，Ф_m1～Ф_m9分别表示了主波之间的干涉光、以及两个主波分别与相应的次波干涉的干涉光在通过集成光学波导时经历的总调制相位；

步骤2：信号发生器在集成光学波导上施加光纤环本征频率两倍的方波调制频率，由锁相放大器得到的解调值D为：

其中，A为次波的强度，Ф₀为调制方波的直流分量；ΔL为集成光学波导中主波与次波的光程差，λ为工作波长；

步骤3：通过解调值D的峰峰值2V_p计算出次波的强度A：

2.一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试装置，其特征在于：包括光源、耦合器、集成光学波导、光纤环、探测器、信号处理电路及采集计算机，所述的信号处理电路包括信号发生器和锁相放大器；信号发生器将制定调制信号施加在集成光学波导上，并将该调制信号作为参考信号提供给锁相放大器；锁相放大器检测与参考信号同频率的Sagnac干涉仪输出并将输出信号传输给采集计算机，对输出值进行计算得到次波强度；集成光学波导的上臂和下臂分别连接光纤环的两端，所述的锁相放大器连接在探测器的输出端，所述的信号发生器连接在所述的锁相放大器和集成光学波导之间，所述的采集计算机连接在锁相放大器的输出端；基于所述的测试装置，基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试方法，如下所述：

信号发生器为集成光学波导施加光纤环本征频率2倍的方波调制加斜波调制，通过测量锁相放大器输出的峰峰值，利用如下公式计算集成光学波导中次波的强度A：

其中，V_p为锁相放大器输出的峰峰值的1/2，ΔL为集成光学波导中主波与次波的光程差，λ为工作波长，Ф_s表示Sagnac相位，γ(ΔL)为光程差为ΔL时光源的相干函数，I_up是集成光学波导上臂的光强。

3.权利要求2所述的一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试装置，其特征在于：所述的光源为1550nm波长ASE光源，所述探测器为20k跨阻，所述耦合器为2×2单模耦合器，所述的集成光学波导为Y1588-P型Y波导,所述的光纤环为2800m，所述的锁相放大器为SR830锁相放大器，所述的信号发生器型号为AFG3102。

4.权利要求2所述的一种基于Sagnac干涉仪的集成光学波导中次波强度的测试装置，其特征在于：耦合器为四端口器件，两个输入端口分别连接光源和探测器，两个输出端口中，一个输出端口连接集成光学波导，另一个输出端口的光纤空置，光纤端面斜切八度角。