CN110146993A - 一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法和装置，该方法包括：利用两个旋向相反且旋光角相同的法拉第旋光器件，分别旋转从光纤环形干涉仪光路中入射的两路偏振方向相同的线偏振光；在上述两个法拉第旋光器件中放置波片；控制从外部入射到两个法拉第旋光器件的偏振光偏振方向，此偏振方向与波片光轴形成入射偏置角；当环境温度偏离参考温度时，对于给定的旋光角和入射偏置角利用入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向与快慢轴夹角的变化来实现无源相位偏置器的相位补偿。

Description

一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种光学移相器件，尤其是涉及一种用于光纤环形干涉仪的无源相位偏置器。

背景技术

在过去数十年光纤环形干涉仪(或称光纤Sagnac干涉式)在光纤陀螺和光纤电流传感器的实际应用中已取得令人羡慕的成就，其光纤回路大多用有源偏置，即压电相位调制器(PZT)或集成光学块(Y波导器件)。尽管有源偏置光纤Sagnac干涉式陀螺在实用上成功，研究者对于在光纤陀螺干涉光路中尝试用无源偏置的努力从未中断过。这是因为，无源偏置器有其吸引人的方面，包括结构简单结实、低噪声、易于调谐(多数无需调谐，而由系统自行运行)、灵敏度高、长期工作稳定，以及低成本等。

早期旨在实现光纤陀螺无源偏置的尝试是利用3×3光纤耦合器，它是由三段常规单模光纤制成，同时起分光和Sagnac光纤回路无源偏置的作用。由此构成的传感器结构，其主要缺陷在于：单模光纤不具有保持光偏振态的功能，故使包含3×3单模光纤耦合器的光纤干涉型传感器不能稳定，以致不能实用。原理上3×3线保偏光纤具有探测并保持被测陀螺信号的功能。然而，到目前为止，制造3×3线保偏光纤耦合器在其三个主轴(通常指慢轴，由镜像对称应力区形成)调整为准确平行的工艺程序上，遇到极大困难。检索国际光电子器件的商品，实测耦合器通线偏光时其光纤臂消光比低于20分贝，因而在实际传感系统中不能符合实用要求。

另一在光纤Sagnac干涉回路中使用无源偏置技术是采用非互易法拉第旋光器。在这种应用中，首先将线偏振光转化为圆偏振光，通过法拉第旋光器后再变换回线偏光。这种偏置方式遇到的最大困难是：要得到干涉仪低的相位精度，法拉第旋光器件的角度误差就要控制的非常精确。法拉第旋光器可以由永磁体来偏置也可以用外加电流的方式来偏置。法拉第旋光器永磁偏置方式的旋光精度要受外界温度等环境因素的影响，电流偏置方式的法拉第旋光器件的精度除了要受外界环境的影响外还要受电流本身控制精度的影响。由于法拉第旋光器件很难做到极高的精度，因此这种方式的相位偏置技术将带来Sagnac干涉回路较大的相位噪声。

本发明是在上述技术背景上所产生的，其着眼点是避免目前已有两种无源偏置的缺陷和技术困难。本发明的技术细节在以下“发明内容”和“具体实施方式”中将结合附图加以说明。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供了一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法和装置。

本发明提供了一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法，该方法包括：利用两个旋向相反且旋光角相同的法拉第旋光器件，分别旋转从光纤环形干涉仪光路中入射的两路偏振方向相同的线偏振光；在上述两个法拉第旋光器件中放置波片；波片表面与其上入射线偏振光的方向垂直；在参考温度下，控制从外部入射到两个法拉第旋光器件的偏振光偏振方向，此偏振方向与波片光轴形成入射偏置角；当环境温度偏离参考温度时，对于给定的旋光角和入射偏置角利用入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向与快慢轴夹角的变化来实现无源相位偏置器的相位补偿；对于给定旋光角以及相位偏置器的相位补偿要求，根据环境温度偏离参考温度的大小以及相位调制器的相位温度特性来确定上述入射偏置角的大小。

优选地，该方法还包括：参考温度下，法拉第器件的旋光角为45°。

优选地，该方法还包括：无源相位偏置器相位补偿要求为在给定的温度范围内无源相位偏置器相位偏置点变化幅值最小。

优选地，该方法还包括：零级波片为胶合零级1/4波片。

优选地，该方法还包括：利用偏振片来控制法拉第旋光器件入口处光的偏振方向。

本发明提供了一种用于一种光纤环形干涉仪无源相位偏置的装置，该装置包括：波片为胶合零级1/4波片，用于使得入射到无源相位偏置器两端的线偏振光产生温度稳定的相位差。

优选地，法拉第旋光器件采用具有良好温度特性和波长特性的法拉第旋光器，其温度系数不高于0.06°/℃。

优选地，该装置还包括两个光纤准直器，用于连接两个旋向相反的法拉第器件与光纤环形干涉仪。

优选地，该装置还包括至少一个偏振器，用于控制法拉第旋光器件入口处光的偏振方向。

附图说明

图1为本发明所涉及的无源相位偏置器在典型的光纤环形干涉仪中的应用示意图；

图2为本发明所涉及的无源相位偏置器一个实施例。

附图标记说明

1光纤环形干涉仪光纤环光路、2光纤准直器1、3偏振片1、4法拉第旋光器1、5波片、6法拉第旋光器2、7偏振片2、8光纤准直器2。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环形干涉仪无源相位偏置的技术方案，且实现成本低。

本发明的目的是通过如下技术措施来达到：

首先利用两个旋向相反且旋光角相等的法拉第旋光器件，分别旋转从光纤环形干涉仪光路中入射的两路线偏振光。

光纤环形干涉仪光路中入射的两路线偏振光的偏振方向相同，为了确保入射到本发明所涉及的无源相位偏置器中的两路线偏振光与离开无源相位偏置器时保持同样的偏振方向，因此要求上述两个法拉第旋光器件的旋向相反且旋光角相等。

其次，在上述两个法拉第旋光器件中放置波片；波片表面与其上入射线偏振光的方向垂直；在参考温度下，控制从外部入射到两个法拉第旋光器件的偏振光偏振方向，此偏振方向与波片光轴形成入射偏置角；当环境温度偏离参考温度时，对于给定的旋光角和入射偏置角利用入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向与快慢轴夹角的变化来实现无源相位偏置器的相位补偿；对于给定旋光角以及相位偏置器的相位补偿要求，根据环境温度偏离参考温度的大小以及相位调制器的相位温度特性来确定上述入射偏置角的大小。

波片是表面相互平行、光轴与晶体表面平行的单轴晶体，主要分为多极波片和零级波片。根据相关文献，多级波片(8级)相位延迟的温度变化系数0.17°/℃，零级波片0.024°/℃，胶合零级波片0.007°/℃；如果不考虑法拉第旋光器的温度特性的影响，波片的相位延迟大小直接决定了无源相位偏置器的温度特性，选择温度特性好的零级波片有利于提高无源相位偏置器的温度特性。在不考虑法拉第旋光器的温度特性的影响时，可以假定入射到零级波片的两路偏振光的偏振方向与快慢轴的方向重合。但是，法拉第旋光器的温度特性也是一个不能忽略的因素，常见法拉第器件的温度变化系数分别为0.02°/℃、0.04°/℃、0.06°/℃及0.09°/℃。为了方便讨论，以波片的光轴为参考方向，此方向也与波片快轴的方向一致。进一步假设从无源相位偏置器外部射向两个法拉第旋光器件的光的偏置方向相同，此偏振方向与波片光轴的夹角为入射偏置角。

无源相位偏置器的温度特性由波片的温度特性、法拉第旋光器的温度特性以及法拉第器件的旋光角和偏振光的入射偏置角等多种因素来决定。

不失一般的，假设参考温度为0℃，工作范围为-40℃到40℃。如果在参考温度下，当入射偏置角为45°，法拉第旋光角的也是45°，此时经过旋光器入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向分别与波片的快轴和慢轴重合。当环境温度偏离参考温度时，根据法拉第器件的温度特性，与快慢轴方向重合的两路线偏振光的偏振方向分别以一定的偏离角偏离快慢轴的方向。偏离快慢轴通过波片的两路偏振光的光程或相位差将发生变化，也就是说本发明所涉及的无源相位偏置器在接入环形干涉仪后环形干涉仪的相位偏置点将发生变化，具体计算可以依据波片的折射率椭圆和偏离角来确定。为了讨论方便我们定义无源相位偏置器的相位偏置为上述两路偏振光通过波片后的相位差。

同时考虑波片的温度特性以及法拉第旋光器件的温度特性，对于参考温度来说，不让入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向与快慢轴重合，而是偏离一个角度，此偏离的角度我们定义为温度补偿偏置角。

在参考温度下，如果还是假设法拉第旋光器件的旋光角为45°，另外假定入射偏置角度改为32.4°，此时入射到波片上的两路偏振光的偏振方向不再与波片的快慢轴重合，而是偏离了12.6°。此时温度补偿偏置角为12.6°。

如上述，在参考温度下我们有了两种无源相位偏置器的方案：方案一是入射到波片上的两路偏振光的偏振方向与波片的快慢轴重合的方案，此时温度补偿偏置角为0°；方案二是温度补偿偏置角为12.6°的方案。如果假定对这两个方案来说波片的温度系数和法拉第旋光片的温度系数相同，分别为0.007°/℃和0.02°/℃。理论计算表明，当温度偏离了参考温度在-40℃到40℃变化时，对于无源相位偏置器来说，方案二的相位偏置点的幅值变化要远小于方案一的，也就是说方案二有更高的温度稳定性。

上述两个方案表明，对于给定的环境温度范围以及相位调制器的相位温度特性，我们可以计算温度补偿偏置角的大小，使得无源相位偏置器的偏置相位在给定的温度范围内幅值变化最小。

优选地，该方法还包括：无源相位偏置器相位补偿要求为在给定的温度范围内无源相位偏置器相位偏置点变化幅值最小。

无源相位偏置器的相位补偿的要求可以有多种标准，比如幅值最小或幅值的方差最小等，这里优选幅值最小为补偿要求。实际应用中可能还会考虑相位偏置点的允许偏离范围等约束条件。

优选地，该方法还包括：波片为胶合零级1/4波片。

采用胶合零级1/4波片，胶合零级波片在常见的波片中的温度特性最好，1/4波片可以保证相位调制器的相位偏置点在π/2附近。

优选地，该方法还包括：利用偏振片来控制法拉第旋光器件入口处光的偏振方向。

如果本发明所涉及的无源相位偏置器待接入的光纤环形干涉仪的光路是由保偏光纤组成的，那么无源相位偏置器无需借用外加偏振片的方式，直接将保偏光线的偏振方向调整好对准无源相位偏置器的接口就可以了。如果光纤环形干涉仪的光路是由非保偏光纤组成的，在无源相位偏置器上加装偏振片有利于控制椭圆偏振光进入干涉仪光路，也有利于控制干涉仪光路中进入到无源相位偏置器的光的偏振方向。

综合利用上述的技术措施，本发明由图2所示的实施例装置来实现。

其基本工作过程为：光纤环形干涉仪光路中的一路光由光纤准直器1导入，经过偏振片1后以入射偏置角为32.4°的偏振方向入射到其后的法拉第旋光器件1；法拉第旋光器以45°的旋光角使得入射偏振光偏振方向左旋后入射到后面的波片；波片的表面与入射线光的方向垂直，其温度系数为0.007°/℃；从波片出射的光进入其后接的法拉第旋光器件2，法拉第旋光器件2以旋光角45°右旋入射光的偏振方向；从法拉第器件2出射的光进入偏振片2，偏振片2的偏振方向与偏振片1的相同；从偏振片2中出射的光进入光线准直器2后再进入后面待接的光纤环形干涉仪光路。与上述过程相同，光纤环形干涉仪光路中的另一路光从光线准直器2接入，分别经过偏振片2、法拉第器件2、波片、法拉第器件1、偏振片1以及光纤准直器1进入待接入的光纤环形干涉仪光路。

上述工作温度在参考温度为0℃的条件下进行，当工作温度偏离参考温度时，在其他条件不变的情况下法拉第旋光器的实际旋光角将发生变化。在波片选1/4波片时，参考温度下上述过程中两路光的相位差为87.83°，并在-40℃到40℃变化时两路光的相位差较偏置角为45°的方案相位偏置点的变化幅值要小。

Claims (10)

1.一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的方法，其特征在于，该方法包括：

利用两个旋向相反且旋光角相同的法拉第旋光器件，分别旋转从光纤环形干涉仪光路中入射的两路偏振方向相同的线偏振光；

在上述两个法拉第旋光器件中放置波片；

波片表面与其上入射线偏振光的方向垂直；

在参考温度下，控制从外部入射到两个法拉第旋光器件的偏振光偏振方向，此偏振方向与波片光轴形成入射偏置角；

当环境温度偏离参考温度时，对于给定的旋光角和入射偏置角利用入射到波片上的两路线偏振光的偏振方向与快慢轴夹角的变化来实现无源相位偏置器的相位补偿；

对于给定旋光角以及相位偏置器的相位补偿要求，根据环境温度偏离参考温度的大小以及相位调制器的相位温度特性来确定上述入射偏置角的大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：法拉第器件的旋光角为45°。

3.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于，该方法还包括：无源相位偏置器相位补偿要求为：在给定的温度范围内无源相位偏置器相位偏置点变化幅值最小。

4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于，该方法还包括：波片为胶合零级1/4波片。

5.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于，该方法还包括：利用偏振片来控制法拉第旋光器件入口处光的偏振方向。

6.一种用于光纤环形干涉仪无源相位偏置的装置，其特征在于，该装置包括：一对旋向相反的法拉第旋光器件和一个置于旋光器件中间的波片；

一对旋向相反且旋光角相同的法拉第旋光器件，用于控制从光纤环形干涉仪的入射偏振光的偏振方向旋转，在参考温度下，使得两端入射的线偏振光分别以一定的温度补偿偏置角旋向波片的快慢轴；

波片，用于使得入射在无源相位偏置器两端的线偏振光产生固定的相位差。

7.如权利要求6所述的一种装置，其特征在于，波片为胶合零级1/4波片，用于使得入射到无源相位偏置器两端的线偏振光产生温度稳定的π/2的相位差。

8.如权利要求6所述的一种装置，其特征在于，法拉第旋光器件采用具有良好温度特性和波长特性的法拉第旋光器，其温度系数不高于0.06°/℃。

9.如权利要求6所述的一种装置，该装置还包括两个光纤准直器，用于连接两个旋向相反的法拉第器件与光纤环形干涉仪。

10.如权利要求6所述的一种装置，该装置还包括至少一个偏振器，所述至少一个偏振器用于控制法拉第旋光器件入口处光的偏振方向。