CN109724583A - 一种基于frm的光源相对强度噪声对消结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FRM的光源相对强度噪声对消结构，属于光纤陀螺技术领域。本发明结构包括ASE光源、单偏振的2×2保偏耦合器、法拉第旋转镜(FRM)、Y波导集成光学器件、保偏光纤环及探测器。ASE光源的光经过2×2保偏耦合器后变为偏振光，并分成两束，一束作为信号光，一束作为参考光，信号光通过Y波导集成光学器件分为两束进入光纤环发生干涉，参考光经过FRM使得偏振态旋转90°并反射，参考光和反射光合光之后进入探测器。本发明的参考光和干涉光有一定的时间差，且偏振态互相垂直，合光时不发生干涉，实现光功率增加，完成相对强度噪声的抑制。

Description

一种基于FRM的光源相对强度噪声对消结构

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，特别是一种基于FRM(Faraday Rotator Mirror，法拉第旋转镜)的光源相对强度噪声对消结构。

背景技术

在高精度光纤陀螺中，采用的光源为稀土掺杂的超荧光光纤光源，这种光源输出功率高，到达陀螺探测器上的光功率可达到几十微瓦，高输出功率有利于提高光纤陀螺的信噪比，但在实验中发现，随着光纤光源输出光功率的增大，光纤陀螺探测器输出信号的信噪比并没有按预期提高，这种现象源于光电流中存在相对强度噪声(RIN)，当光源输出功率达到几十微瓦量级上时，相对强度噪声占总噪声的绝大部分，再提高光功率，信噪比将很难再提高。超荧光光纤光源由光电流涨落引起的噪声可以由公式(1)表示：

<ΔI>²＝2e<I>B+<I>²B/Δv (1)

其中公式中<ΔI>²为由光电流引起的噪声，其中第二项为强度噪声项，由于宽谱光源所有不相关的频率分量之间随机拍频产生的附加噪声，因此与光强成正比，强度噪声项表示为：

其中为相对强度噪声，用方差形式表示，<I>为平均探测电流，e为电子电量(1.6×10^-19C)，B为探测器带宽，Δν为光源线宽，其定义式为：

Δν＝[∫P(v)dv]²/∫P²(v)dv (3)

其中P(v)为光源光谱宽度。

由以上公式得出光源功率越大、谱宽越窄强度噪声越大。光纤陀螺的主要噪声包括热噪声、散粒噪声和强度噪声，当<I><<2eΔv时，散粒噪声占主要地位，提高光功率有利于提高信噪比；当<I>>>2eΔv时，强度噪声占主要地位，此时信噪比与光功率无关。

ASE光源具有功率大、波长稳定性好、相干性弱等优点，当ASE功率较小时，光纤陀螺的精度主要受散粒噪声的限制，提高光源功率可提高陀螺精度，但当相对强度噪声为主要噪声时，提高光功率，陀螺的精度及信噪比受到限制，因此抑制相对强度噪声对提高陀螺的精度意义重大。

对于相对强度噪声的抑制，通常采用光路或电路两种方式进行抑制，电路的方式常需要增加元器件，结构复杂。而对于采用光路的方式进行抑制，减少了电路方式的复杂性，但需要克服保偏光纤长度匹配的困难，所以选用较少的元器件更由助于相对强度噪声对消的实现。

发明内容

针对光源相对强度噪声的问题，本发明提出一种方案合理、易于实现的基于FRM的光源相对强度噪声对消结构。

本发明提供的一种基于FRM的光源相对强度噪声对消结构，包括ASE光源、2×2保偏耦合器、法拉第旋转镜FRM、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及探测器。其中2×2保偏耦合器的四端分别和ASE光源、Y波导集成光学器件、FRM以及探测器相连接。

ASE光源的光输入到2×2保偏耦合器中形成偏振光，并分成相等的两路，一路光作为信号光输入到Y波导集成光学器件中，Y波导集成光学器件将输入其内部的光信号分成两个分支进入保偏光纤环形成干涉光。另一路光作为参考光输入到FRM中，在FRM中将参考光信号的偏振态旋转90°并反射。干涉光和反射光合光之后进入探测器。反射光和干涉光的偏振态正交，二者叠加进入探测器时仅功率叠加而不发生干涉。

所述的2×2保偏耦合器为单偏振的分光比为50：50的保偏耦合器，对输入其内部的光信号施加一偏振态，形成偏振光。

所述的2×2保偏耦合器是在膜片型2×2保偏耦合器中增加一个偏振片，使快轴光通过，慢轴光截止，将输入的光信号分成相等的两束偏振光。

所述的法拉第旋转镜FRM是单端口器件，反射率为1％～5％，FRM将入射其内部的偏振光的偏振态旋转90°并反射。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明采用单偏振的2×2保偏耦合器，在膜片型2×2保偏耦合器中增加了一个偏振片，使快轴光通过，慢轴光截止，使输入光变为偏振光，无需引入起偏器，减少了光学器件，降低损耗。

(2)本发明中法拉第旋转镜FRM的反射率为1％～5％，由光路损耗和调制深度决定。保偏法拉第旋转镜FRM的作用是使反射光与干涉后的信号光的偏振态正交，以避免两束光干涉，光路损耗小。

(3)本发明中的法拉第旋转镜FRM是单端口器件，熔点相对较少，尾纤也相对少，并且实现的保偏法拉第旋转镜FRM比较容易制作。

附图说明

图1为本发明的光源相对强度噪声对消方案的光路结构图；

图2为本发明的单偏振2×2保偏耦合器的结构图。

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。

如图1所示，为本发明基于FRM的光源相对强度噪声对消方案的光路结构，包括ASE(放大自发辐射)光源、2×2保偏耦合器、法拉第旋转镜FRM、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及探测器。2×2保偏耦合器的四个连接端分别与ASE光源、Y波导集成光学器件、法拉第旋转镜、探测器相连接。ASE光源的光信号输入到2×2保偏耦合器中形成偏振光，并分成相等的两路，一路光作为信号光输入到Y波导集成光学器件中分成两个分支，进入保偏光纤环发生干涉形成干涉光。另一路光作为参考光输入到法拉第旋转镜中，在FRM中将光信号的偏振态旋转90°，并将其反射。由于干涉光是信号光经过保偏光纤环之后形成的，所以反射光和干涉光到达2×2保偏耦合器有一定的时间差，但二者偏振方向互相垂直，合光时不发生干涉，仅进行功率的叠加。

本发明中2×2保偏耦合器为单偏振的分光比为50：50的保偏耦合器，如图2所示，对输入其内部的光信号施加一偏振态，形成偏振光。常用的膜片型2×2保偏耦合器结构包括双芯毛细管、准直透镜、半透半反片以及输入输出光纤，图2中A、B、C、D是光纤。而本发明的单偏振的2×2保偏耦合器是在膜片型保偏2×2耦合器中增加偏振片，偏振片设置在半透半反片之后，使沿光纤快轴传输的光通过，沿光纤慢轴传输的光截止，将无偏的光源信号变为带有偏振特性的光信号。

保偏光纤环中输出的干涉光经Y波导集成光学器件返回到2×2保偏耦合器中，2×2保偏耦合器使干涉光和法拉第旋转镜反射回的光叠加之后输入到探测器中，根据探测器的输出信号对光纤陀螺进行测试，来检测光源强度噪声对消的效果。

本发明所使用的法拉第旋转镜为单端口器件，反射率为1％～5％。FRM使参考光的偏振态旋转90°，使得反射光与干涉光偏振态正交，避免两束光发生干涉。

本发明采用光路结构对强度噪声进行抑制，避免了过多引入元器件，且熔点相对较少，减少了功率的损耗以及附加噪声的引入。本发明在F120HC陀螺中得到了验证，陀螺精度由1.7×10^-3°/h提高至1.2×10^-3°/h，光源的相对强度噪声得到了抑制，提升了光纤陀螺的精度。

显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于FRM的光源相对强度噪声对消结构，包括ASE光源、2×2保偏耦合器、法拉第旋转镜FRM、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及探测器；其特征在于，ASE光源的光输入到2×2保偏耦合器中形成偏振光，并分成相等的两路，一路光作为信号光输入到Y波导集成光学器件中，Y波导集成光学器件将输入的信号光分成两个分支进入保偏光纤环形成干涉光；另一路光作为参考光输入到FRM中，在FRM中将参考光的偏振态旋转90°并反射；干涉光和反射光合光之后进入探测器。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述的2×2保偏耦合器为单偏振的分光比为50：50的耦合器，是在膜片型2×2保偏耦合器中增加一个偏振片，使快轴光通过，慢轴光截止，将输入的光变为偏振光。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述的法拉第旋转镜为单端口器件，反射率为1％～5％。