CN106526745A - 一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，由全反射分束区、隧穿区、和光子带隙循环区构成；Y型分支贯穿整个全反射分束区；隧穿区中存在锥型过渡结构，用于引导全反射分束区中的光束进入光子带隙循环区，同时阻止光子带隙循环区中的光返回全反射分束区；介质柱阵列覆盖整个分束器结构，作用是减小光束在全反射分束区和隧穿区中的弯曲及泄漏损耗，并在光子带隙循环区3中利用光子带隙效应对光束进行分束和循环引导。相比目前Sagnac光纤干涉仪所使用的分束器件，本发明具有单向传输、低损耗、可实现光路循环传输的特点，在不增加实际光路长度的前提下增加光程，大大提高Sagnac光纤干涉仪的测量精度。
Description
技术领域
本发明提出了一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，涉及光纤传感器，尤其是Sagnac光纤传感器领域。
背景技术
Sagnac干涉仪是一种基于Sagnac效应的干涉型传感器，这是一种测量旋转角速度的环形干涉器，已被广泛应用于导航，制导等领域；若由外界物理量的变化引起Sagnac相移，也可应用于温度、位移、压力传感。其工作原理为：将同一光源发出的光束分解为两束，一束沿环路进行顺时针传输，另一束沿环路进行逆时针传输，通过检测两束光束的相位差确定环路的旋转角速度Ω，式中ω是光源角频率，A是环路区域面积，c是光束在真空中的传播速度。
Sagnac光纤干涉仪是Sagnac干涉仪的光纤形式，利用光纤环作为敏感环路，可探测到的相位差式中λ为光源波长，D为光纤环直径，L为光纤环总长。不难看出为了提升传感器的测量精度，最直接的办法有：增加光纤长度L；增加光纤环直径D；减小光源波长λ。
目前的Sagnac光纤干涉仪考虑到实际设计与工艺，在一定波长的情况下，光纤的长度、光纤环的直径会受到一定限制，所以在保持小型化又提升传感器测量精度方面，Sagnac光纤干涉仪已逐渐逼近技术瓶颈。
发明内容
为了能在不增加Sagnac光纤干涉仪体积的前提下，提高Sagnac光纤干涉仪的测量精度，本发明的目的是提供一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器。
本发明基于光的全反射原理和光子带隙原理，利用单向传输和循环的光路设计，使光纤环的光路得到复用，在不增加光纤环长度的前提下，增加光程。具体来说，光束可以从全反射分束区域耦合进入光子带隙循环区域，但在非对称结构下仅少部分光从光子带隙循环区域耦合进入全反射分束区域，因而被继续约束在光子带隙循环区传输，实现波导的单向传输及循环。
本发明的技术方案如下：
一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其由全反射分束区、隧穿区、和光子带隙循环区构成；Y型分支贯穿整个全反射分束区，作用是对光束进行引导；隧穿区中存在锥型过渡结构，用于引导全反射分束区中的光束进入光子带隙循环区，同时阻止光子带隙循环区中的大部分光返回全反射分束区；介质柱阵列覆盖整个分束器结构，作用是减小光束在全反射分束区和隧穿区中的弯曲及泄漏损耗，并在光子带隙循环区中利用光子带隙效应对光束进行分束和循环引导。
所述的光子带隙循环区由正方晶格介质柱阵列构成。
所述的Y型分支介质材料的折射率大于1.7。
所述的Y型分支介质材料为硅或砷化镓。
所述的隧穿区中介质柱阵列部分，在两个端口位置缺失的两排介质柱由锥型过渡结构及包围它的上下两层介质柱填补，锥型过渡结构与Y型分支的构成材质一致，其末端可以穿过隧穿区中的介质柱阵列，从而将Y型分支从全反射分束区延伸至光子带隙循环区，其起始端直径与Y型分支末端直径一致，末端直径小于起始端直径，并小于晶格常数与介质柱直径之差。
所述的介质柱阵列与Y型分支和锥型过渡结构的构成材质一致，排列周期及形状满足光子带隙效应出现条件。
一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器在Sagnac光纤传感器领域的应用。
本发明的有益效果在于：本发明结合了全反射和光子带隙效应两种传光机制，实现了光路的单向及循环传输，可用于Sagnac干涉仪光纤环，在不增加Sagnac干涉仪体积的情况下，通过光路复用提升了测量精度。
附图说明
图1是用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器的结构示意图；
图2是光束从全反射分束区耦合至光子带隙循环区的仿真示意图；
图3是光束从光子带隙循环区耦合至全反射分束区的仿真示意图；
图中，1是全反射分束区，2隧穿区，3是光子带隙循环区，4是Y型分支，5是锥型过渡结构，6是介质柱阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的工作原理是：当光束从全反射分束区1左端输入，此时光波依全反射原理传输，经隧穿区2后进入光子带隙循环区3后，光波依光子带隙原理传输，从上下两个端口输出光强等比例的光束，完成光波单向分束功能；
当光束从光子带隙循环区3的上端口(或下端口)输入时，光波依光子带隙原理传输，由于隧穿区2存在正方晶格介质柱，仍存在光子晶体光子带隙，因而大部分的光波无法穿过该区域被反射回来，最终仍沿着缺陷通道向前传播，从下端口(或上端口)出射。这样完成光路循环功能，使得与之相接的Sagnac光纤环的光路得以复用。仅少部分光束被耦合进入波导通道，经隧穿区2进入全反射分束区1从左端口输出，由上、下端口从左端口输出的这两部分少部分光最终形成干涉信号。
实施例
参照图1，一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器包括：全反射分束区1，隧穿区2，光子带隙循环区3，Y型分支4，锥型过渡结构5，介质柱阵列6，整个光路复用分束器共有三个输入输出端口。
全反射分束区1中，Y型分支4的结构参数为，通道宽度0.5um，弯曲半径10um，由折射率3.4(@1550nm)的GaAs材料制成，其主要作用是对从左端端口输入的光束进行分束和引导。在Y型分支4的周围排布着介质柱阵列6，这些介质柱半径r＝0.1um，同样为GaAs材料制成，其作用一方面是为了防止光束在Y型分支4弯折处发生较大的弯曲损耗，另一方面是为了减小光束在Y型分支4传播过程中的泄漏损耗。
隧穿区2中，锥型过渡结构5的结构参数为，宽头0.5um，窄头0.2um，全长3.3um，由折射率3.4(@1550nm)的GaAs材料制成。其目的是引导全反射分束区1中的光束进入光子带隙循环区3。隧穿区2中的介质柱阵列6目的是为了减小光束在锥型过渡结构5传播过程中的泄漏损耗。
光子带隙循环区3中，主体部分是圆介质柱呈正方晶格周期性排列的光子晶体介质柱阵列6，移除了连通上下端口的路径作为缺陷通道，使得波长为1550nm的光束可以沿着缺陷通道进行传输。介质柱阵列6的结构参数，介质柱半径r＝0.1um，晶格周期Λ＝0.6um。
参照图2，波长为1550nm的光束由全反射分束区1向光子带隙循环区3传输，经过隧穿区2后传输机制变更为光子带隙效应，完成分束功能，从光子带隙循环区3的上下两个端口输出光强一致的光束。
参照图3，波长为1550nm的光束由光子带隙循环区3上端口向全反射分束区1传输，在经过隧穿区2时，由于隧穿区2的末端部分排列着介质柱阵列6，意味着在末端部分仍存在着PBG效应，因而大部分光束仍被限制在光子带隙循环区3中传输，并从下端口输出，仅少部分光束能通过隧穿区2耦合回全反射分束区1，至此实现全反射分束区1向光子带隙循环区3的单向传输功能。
Claims (7)
1.一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：其由全反射分束区(1)、隧穿区(2)、和光子带隙循环区(3)构成；Y型分支(4)贯穿整个全反射分束区(1)，作用是对光束进行引导；隧穿区(2)中存在锥型过渡结构(5)，用于引导全反射分束区(1)中的光束进入光子带隙循环区(3)，同时阻止光子带隙循环区(3)中的大部分光返回全反射分束区(1)；介质柱阵列(6)覆盖整个分束器结构，作用是减小光束在全反射分束区(1)和隧穿区(2)中的弯曲及泄漏损耗，并在光子带隙循环区(3)中利用光子带隙效应对光束进行分束和循环引导。
2.根据权利要求1所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：所述的光子带隙循环区(3)由正方晶格介质柱阵列(6)构成。
3.根据权利要求1所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：所述的Y型分支介质材料的折射率大于1.7。
4.根据权利要求1所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：所述的Y型分支介质材料为硅或砷化镓。
5.根据权利要求1所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：所述的隧穿区(2)中介质柱阵列部分，在两个端口位置缺失的两排介质柱由锥型过渡结构(5)及包围它的上下两层介质柱填补，锥型过渡结构(5)与Y型分支(4)的构成材质一致，其末端可以穿过隧穿区(2)中的介质柱阵列，从而将Y型分支(4)从全反射分束区(1)延伸至光子带隙循环区(3)，其起始端直径与Y型分支末端直径一致，末端直径小于起始端直径，并小于晶格常数与介质柱直径之差。
6.根据权利要求1所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其特征在于：所述的介质柱阵列(6)与Y型分支(4)和锥型过渡结构(5)的构成材质一致，排列周期及形状满足光子带隙效应出现条件。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器在Sagnac光纤传感器领域的应用。
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