CN110906919B - 一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，特别是一种集成保偏光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers，PCF)耦合器和单偏振光纤(Single‑Polarization Fiber，SPF)的混合型谐振腔。保偏光子晶体光纤耦合器由参数经专门设计的保偏PCF通过侧面抛磨与光胶贴合技术研制；保偏光子晶体光纤耦合器尾纤与SPF采用偏振轴2次旋转90度熔接。本发明采用专门设计的保偏光子晶体光纤耦合器和SPF研制谐振腔，通过对谐振腔各器件分光比和损耗参数进一步优化设计，很好地抑制了腔内的偏振波动噪声和光克尔噪声，对谐振式光纤陀螺的工程化进程具有里程碑意义。
Description
技术领域
本发明属于光纤谐振腔技术领域，尤其涉及一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔。
背景技术
谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber optic Gyro，RFOG)是利用谐振腔中相向传播光波的谐振频率偏差正比于角速度的原理实现对旋转角速度的测量。作为RFOG的核心敏感部件，谐振腔根据结构不同可分为反射式和透射式，二者在谐振陀螺的应用上各有优缺点。
目前，R-FOG仍处于实验室研究阶段，主要原因是光纤谐振腔受磁场、温度影响较大。干涉光在谐振腔中传播会产生多种噪声，主要包括瑞利背向散射噪声，光学克尔噪声和偏振波动噪声。利用双频相位调制方法，谐振腔中背向散射噪声可以被很好地抑制。Keer效应是一种和光纤中传光功率有关的非线性效应，通过控制谐振腔中顺时针(Clockwise，CW)和逆时针(Counterclockwise，CCW)方向传播光光功率差，可以将Keer效应降低到一定范围内。与温度相关的偏振波动噪声是影响RFOG长期稳定性的主要噪声因素。一般谐振腔由PMF构成，光纤中支持两个本征偏振态(Eigenstate of Polarization，ESOPs)传输。FRR输出端光信号除了能量较大的主偏振态(Primary Eigenstate of Polarization,P-ESOP)光波能量以外，还包含了能量较小的次偏振态(Secondary Eigenstate of Polarization，S-ESOP)以及主次偏振态之间干涉部分能量信息。S-ESOP以及主次偏振态之间干涉部分能量直接影响P-ESOP对应谐振频率点的检测精度，在RFOG输出端产生角速度测量误差。另外，光纤折射率随外界环境温度波动而发生改变，引起谐振腔内2个S-ESOPs对应的谐振峰发生相对漂移，导致RFOG输出角速度测量误差还会随着环境温度而波动，进一步破坏了RFOG的长期稳定性。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，通过采用经过专门设计的光子晶体光纤耦合器和单偏振光纤，谐振腔在全温变温环境下具有高偏振消光比；进一步的，通过匹配谐振腔各器件分光比和损耗参数，使腔内CW和CCW向传输光光功率差小于1％。该高性能混合型光纤谐振腔很大程度上在全温变温环境下抑制了谐振陀螺的偏振噪声和克尔噪声。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，其特征在于，包括：第一PM光子晶体光纤耦合器、第一90度熔接点、第一单偏振光纤和第二90度熔接点；其中，第一PM光子晶体光纤耦合器，包括：第一PM光子晶体尾纤、第二PM光子晶体尾纤、第三PM光子晶体尾纤和第四PM光子晶体尾纤；
第一PM光子晶体尾纤和第二PM光子晶体尾纤与第三PM光子晶体尾纤和第四PM光子晶体尾纤分别设置在第一PM光子晶体光纤耦合器两端；
第二PM光子晶体尾纤的末端与第一单偏振光纤的一端在第一90度熔接点处熔接；
第四PM光子晶体尾纤的末端与第一单偏振光纤另一端在第二90度熔接点处熔接。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，第一PM光子晶体尾纤、第二PM光子晶体尾纤、第三PM光子晶体尾纤、第四PM光子晶体尾纤的光纤模场直径与第一单偏振光纤的光纤模场直径相等。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，第二PM光子晶体尾纤与第四PM光子晶体尾纤的长度差控制在1cm以内。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，对第一PM光子晶体光纤耦合器的各端口分光比差值控制在0.5％以内，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。
本发明还公开了一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，包括：第二PM光子晶体光纤耦合器、第一0度熔接点、第二单偏振光纤、第三90度熔接点，第三PM光子晶体光纤耦合器，第四90度熔接点，第三单偏振光纤，第二0度熔接点；其中，第二PM光子晶体光纤耦合器，包括：第五PM光子晶体尾纤、第六PM光子晶体尾纤、第七PM光子晶体尾纤和第八PM光子晶体尾纤；第三PM光子晶体光纤耦合器，包括：第九PM光子晶体尾纤、第十PM光子晶体尾纤、第十一PM光子晶体尾纤和第十二PM光子晶体尾纤；
第五PM光子晶体尾纤和第六PM光子晶体尾纤与第七PM光子晶体尾纤和第八PM光子晶体尾纤分别设置在第二PM光子晶体光纤耦合器两端；
第九PM光子晶体尾纤和第十PM光子晶体尾纤与第十一PM光子晶体尾纤和第十二PM光子晶体尾纤分别设置在第三PM光子晶体光纤耦合器两端；
第六PM光子晶体尾纤的末端与第二单偏振光纤的一端在第一0度熔接点处熔接；第九PM光子晶体尾纤的末端与第二单偏振光纤的另一端在第三90度熔接点处熔接；
第八PM光子晶体尾纤的末端与第三单偏振光纤的一端在第二0度熔接点处熔接；第十一PM光子晶体尾纤的末端与第三单偏振光纤的另一端在第四90度熔接点处熔接。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，第五PM光子晶体尾纤、第六PM光子晶体尾纤、第七PM光子晶体尾纤、第八PM光子晶体尾纤、第九PM光子晶体尾纤、第十PM光子晶体尾纤、第十一PM光子晶体尾纤和第十二PM光子晶体尾纤的光纤模场直径与第二单偏振光纤和第三单偏振光纤的光纤模场直径相等。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，第六PM光子晶体尾纤和第八PM光子晶体尾纤长度之和与第九PM光子晶体尾纤和第十一PM光子晶体尾纤长度之和的差值控制在1cm内。
在上述适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔中，对第二光PM子晶体光纤耦合器和第三PM光子晶体光纤耦合器各对应端口分光比差值控制在0.5％以内、插入损耗差控制在0.02dB，第一0度熔接点、第三90度熔接点，第四90度熔接点，第二0度熔接点熔接损耗差值控制在0.02dB，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。
本发明具有以下优点：
(1)与传统保偏光纤支持两个正交偏振态传输不同，本发明单偏振光纤只支持一个低偏振态传输，其他偏振态会在传输过程中被衰减。理想状态下，当采用一定长度的SPF后，谐振腔那只激励起一个本征偏振态(ESOP)，实际测量干涉光全温范围内偏振消光比可大于50dB。谐振腔主体采用单偏振光纤，极大提高了全温范围内谐振腔的消光比。
(2)本发明谐振腔采用一种专门设计的PM光子晶体光纤耦合器，由PM光子晶体光纤经过侧面抛磨与光胶贴合技术自行研制，具有较低的插入损耗，全温范围内消光比高于27dB；PM光子晶体光纤具有优异的温度稳定性，光纤参数经专门优化设计，使其模场直径与单偏振光纤相匹配，二者熔接损耗可低于0.05dB。谐振腔的低损耗对提高谐振腔精细度具有积极作用。
(3)本发明对构成谐振腔各器件损耗参数和熔接损耗参数进行控制，使得谐振腔CW和CCW向传输光光功率差小于1％，谐振腔具有较小的光学Keer噪声。
(4)在本发明中，PM光子晶体光纤尾纤与单偏振光纤熔接仍采用两次90度熔接技术，通过控制PM光子晶体光纤尾纤长度差抑制温度变化对谐振相位差的影响，进一步提高谐振腔的温度稳定性。
附图说明
图1是普通保偏光纤与单偏振光纤在谐振腔中传光特性对比示意图；
图2是一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔的反射式结构示意图；
图3是一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔的透射式结构示意图；
图4是一种PM光子晶体光纤耦合器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，普通保偏光纤与单偏振光纤在谐振腔中传光特性对比示意图。要完全抑制变温环境偏振波动引起的偏振噪声，理想的谐振腔应该只支持P-ESOP的传播。然而，受普通保偏耦合器消光比和熔接对轴角度误差的限制，谐振腔中传播的偏振光消光比一般小于20dB，谐振腔中S-ESOP很难被完全抑制。为抑制S-ESOP，我们采用特种光纤SPF作为谐振腔的主体。与普通谐振腔采用的PMF支持两个正交偏振态不同，SPF只支持一个偏振态低损耗传输，其它偏振态都会在传输过程中被衰减。对于1550nm波长的光信号，小于20dB的高偏光输入10m长的SPF光纤时，在全温度变温环境下可输出光可获得大于50dB的消光比。
在本实施例中，如图2所示，该适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，包括：第一PM光子晶体光纤耦合器1、第一90度熔接点2、第一单偏振光纤3和第二90度熔接点4。其中，第一PM光子晶体光纤耦合器1，包括：第一PM光子晶体尾纤5、第二PM光子晶体尾纤6、第三PM光子晶体尾纤7和第四PM光子晶体尾纤8。
具体的：第一PM光子晶体尾纤5和第二PM光子晶体尾纤6与第三PM光子晶体尾纤7和第四PM光子晶体尾纤8分别设置在第一PM光子晶体光纤耦合器1两端；第二PM光子晶体尾纤6的末端与第一单偏振光纤3的一端在第一90度熔接点2处熔接；第四PM光子晶体尾纤8的末端与第一单偏振光纤3另一端在第二90度熔接点4处熔接。也即，第二PM光子晶体尾纤6、第一90度熔接点2、第一单偏振光纤3、第二90度熔接点4、第四PM光子晶体尾纤8组成光纤环路。
优选的，在本实施例中，第一PM光子晶体尾纤5、第二PM光子晶体尾纤6、第三PM光子晶体尾纤7、第四PM光子晶体尾纤8的光纤模场直径与第一单偏振光纤3的光纤模场直径相等，二者熔接损耗可低于0.05dB。采用10m单偏振光纤时，全温范围内可提供大于50dB的消光比，谐振腔光路总损耗可小于1.2dB，精细度大于20，很大程度上提升了陀螺的温度性能和极限灵敏度。
优选的，在本实施例中，第二PM光子晶体尾纤6与第四PM光子晶体尾纤8的长度差控制在1cm以内，进一步提高谐振腔的温度稳定性。
优选的，在本实施例中，可以对第一PM光子晶体光纤耦合器1各端口分光比差值控制在0.5％以内，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。
实施例2
如图3，在本实施例中，该适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，包括：第二PM光子晶体光纤耦合器9、第一0度熔接点10、第二单偏振光纤11、第三90度熔接点12，第三PM光子晶体光纤耦合器13，第四90度熔接点14，第三单偏振光纤15，第二0度熔接点16。其中，第二PM光子晶体光纤耦合器9，包括：第五PM光子晶体尾纤17、第六PM光子晶体尾纤18、第七PM光子晶体尾纤19和第八PM光子晶体尾纤20；第三PM光子晶体光纤耦合器13，包括：第九PM光子晶体尾纤21、第十PM光子晶体尾纤22、第十一PM光子晶体尾纤23和第十二PM光子晶体尾纤24。
具体的：第五PM光子晶体尾纤17和第六PM光子晶体尾纤18与第七PM光子晶体尾纤19和第八PM光子晶体尾纤20分别设置在第二PM光子晶体光纤耦合器9两端；第九PM光子晶体尾纤21和第十PM光子晶体尾纤22与第十一PM光子晶体尾纤23和第十二PM光子晶体尾纤24分别设置在第三PM光子晶体光纤耦合器13两端；第六PM光子晶体尾纤18的末端与第二单偏振光纤11的一端在第一0度熔接点10处熔接；第九PM光子晶体尾纤21的末端与第二单偏振光纤11的另一端在第三90度熔接点12处熔接；第八PM光子晶体尾纤20的末端与第三单偏振光纤15的一端在第二0度熔接点16处熔接；第十一PM光子晶体尾纤23的末端与第三单偏振光纤15的另一端在第四90度熔接点14处熔接。
优选的，在本实施例中，第五PM光子晶体尾纤17、第六PM光子晶体尾纤18、第七PM光子晶体尾纤19、第八PM光子晶体尾纤20、第九PM光子晶体尾纤21、第十PM光子晶体尾纤22、第十一PM光子晶体尾纤23和第十二PM光子晶体尾纤24的光纤模场直径与第二单偏振光纤11和第三单偏振光纤15的光纤模场直径相等，光纤熔接损耗可低于0.05dB。采用10m单偏振光纤时，全温范围内可分别提供大于50dB的消光比，很大程度上提升了陀螺的温度性能。
优选的，在本实施例中，第六PM光子晶体尾纤18和第八PM光子晶体尾纤20长度之和与第九PM光子晶体尾纤21和第十一PM光子晶体尾纤23长度之和的差值控制在1cm内，进一步提高谐振腔的温度稳定性。
优选的，在本实施例中，对第二光PM子晶体光纤耦合器9和第三PM光子晶体光纤耦合器13各对应端口分光比差值控制在0.5％以内、插入损耗差控制在0.02dB，第一0度熔接点10、第三90度熔接点12，第四90度熔接点14，第二0度熔接点16熔接损耗差值控制在0.02dB，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。。
其中，需要说明的是，如图4，为了减小耦合器尾纤与谐振腔主体光纤—SPF的熔接损耗，耦合器采用的PM光子晶体光纤耦合器(第一PM光子晶体光纤耦合器1、第二PM光子晶体光纤耦合器9和第三PM光子晶体光纤耦合器13)的结构参数经过优化设计，光纤的模场直径与SPF相同，均为11.4μm。耦合器由PM光子晶体光纤经过侧面抛磨与光胶贴合技术研制，分光比通过调节抛磨面间的轴向位移进行调节。研制的保偏光子晶体光纤耦合器具有较低的插入损耗，全温范围内消光比高于27dB。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，其特征在于，包括：第一PM光子晶体光纤耦合器(1)、第一90度熔接点(2)、第一单偏振光纤(3)和第二90度熔接点(4)；其中，第一PM光子晶体光纤耦合器(1)，包括：第一PM光子晶体尾纤(5)、第二PM光子晶体尾纤(6)、第三PM光子晶体尾纤(7)和第四PM光子晶体尾纤(8)；
第一PM光子晶体尾纤(5)和第二PM光子晶体尾纤(6)与第三PM光子晶体尾纤(7)和第四PM光子晶体尾纤(8)分别设置在第一PM光子晶体光纤耦合器(1)两端；
第二PM光子晶体尾纤(6)的末端与第一单偏振光纤(3)的一端在第一90度熔接点(2)处熔接；
第四PM光子晶体尾纤(8)的末端与第一单偏振光纤(3)另一端在第二90度熔接点(4)处熔接；
其中：
第一PM光子晶体光纤耦合器(1)的结构参数经过优化设计，光纤的模场直径与SPF相同，均为11.4μm；第一PM光子晶体光纤耦合器(1)由PM光子晶体光纤经过侧面抛磨与光胶贴合技术制备得到，分光比通过调节抛磨面间的轴向位移进行调节，确保第一PM光子晶体光纤耦合器(1)具有较低的插入损耗，全温范围内消光比高于27dB；
PM光子晶体光纤的参数经专门优化设计以实现：PM光子晶体光纤的模场直径与单偏振光纤相匹配，PM光子晶体光纤与单偏振光纤熔接损耗低于0.05dB，具有优异的温度稳定性；
谐振腔主体采用第一单偏振光纤(3)，第一单偏振光纤(3)只支持一个低偏振态传输，其他偏振态会在传输过程中被衰减；理想状态下，当采用一定长度的SPF后，谐振腔只激励起一个本征偏振态，实际测量干涉光全温范围内偏振消光比大于50dB；
第一单偏振光纤(3)长度为10m，对于1550nm波长的光信号，小于20dB的高偏光输入10m长的第一单偏振光纤(3)时，在全温度变温环境下可输出光可获得大于50dB的消光比；
第一PM光子晶体尾纤(5)、第二PM光子晶体尾纤(6)、第三PM光子晶体尾纤(7)、第四PM光子晶体尾纤(8)的光纤模场直径与第一单偏振光纤(3)的光纤模场直径相等；
第二PM光子晶体尾纤(6)与第四PM光子晶体尾纤(8)的长度差控制在1cm以内。
2.根据权利要求1所述的适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，其特征在于，对第一PM光子晶体光纤耦合器(1)的各端口分光比差值控制在0.5％以内，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。
3.一种适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，其特征在于，包括：第二PM光子晶体光纤耦合器(9)、第一0度熔接点(10)、第二单偏振光纤(11)、第三90度熔接点(12)，第三PM光子晶体光纤耦合器(13)，第四90度熔接点(14)，第三单偏振光纤(15)，第二0度熔接点(16)；其中，第二PM光子晶体光纤耦合器(9)，包括：第五PM光子晶体尾纤(17)、第六PM光子晶体尾纤(18)、第七PM光子晶体尾纤(19)和第八PM光子晶体尾纤(20)；第三PM光子晶体光纤耦合器(13)，包括：第九PM光子晶体尾纤(21)、第十PM光子晶体尾纤(22)、第十一PM光子晶体尾纤(23)和第十二PM光子晶体尾纤(24)；
第五PM光子晶体尾纤(17)和第六PM光子晶体尾纤(18)与第七PM光子晶体尾纤(19)和第八PM光子晶体尾纤(20)分别设置在第二PM光子晶体光纤耦合器(9)两端；
第九PM光子晶体尾纤(21)和第十PM光子晶体尾纤(22)与第十一PM光子晶体尾纤(23)和第十二PM光子晶体尾纤(24)分别设置在第三PM光子晶体光纤耦合器(13)两端；
第六PM光子晶体尾纤(18)的末端与第二单偏振光纤(11)的一端在第一0度熔接点(10)处熔接；第九PM光子晶体尾纤(21)的末端与第二单偏振光纤(11)的另一端在第三90度熔接点(12)处熔接；
第八PM光子晶体尾纤(20)的末端与第三单偏振光纤(15)的一端在第二0度熔接点(16)处熔接；第十一PM光子晶体尾纤(23)的末端与第三单偏振光纤(15)的另一端在第四90度熔接点(14)处熔接；
其中：
第二PM光子晶体光纤耦合器(9)、第三PM光子晶体光纤耦合器(13)的结构参数经过优化设计，光纤的模场直径与SPF相同，均为11.4μm；第二PM光子晶体光纤耦合器(9)、第三PM光子晶体光纤耦合器(13)由PM光子晶体光纤经过侧面抛磨与光胶贴合技术制备得到，分光比通过调节抛磨面间的轴向位移进行调节，确保第二PM光子晶体光纤耦合器(9)、第三PM光子晶体光纤耦合器(13)具有较低的插入损耗，全温范围内消光比高于27dB；
PM光子晶体光纤的参数经专门优化设计以实现：PM光子晶体光纤的模场直径与单偏振光纤相匹配，PM光子晶体光纤与单偏振光纤熔接损耗低于0.05dB，具有优异的温度稳定性；
谐振腔主体采用第二单偏振光纤(11)、第三单偏振光纤(15)，单偏振光纤只支持一个低偏振态传输，其他偏振态会在传输过程中被衰减；理想状态下，当采用一定长度的SPF后，谐振腔只激励起一个本征偏振态，实际测量干涉光全温范围内偏振消光比大于50dB；第二单偏振光纤(11)、第三单偏振光纤(15)长度为10m，对于1550nm波长的光信号，小于20dB的高偏光输入10m长的第二单偏振光纤(11)、第三单偏振光纤(15)时，在全温度变温环境下可输出光可获得大于50dB的消光比；
第五PM光子晶体尾纤(17)、第六PM光子晶体尾纤(18)、第七PM光子晶体尾纤(19)、第八PM光子晶体尾纤(20)、第九PM光子晶体尾纤(21)、第十PM光子晶体尾纤(22)、第十一PM光子晶体尾纤(23)和第十二PM光子晶体尾纤(24)的光纤模场直径与第二单偏振光纤(11)和第三单偏振光纤(15)的光纤模场直径相等；
第六PM光子晶体尾纤(18)和第八PM光子晶体尾纤(20)长度之和与第九PM光子晶体尾纤(21)和第十一PM光子晶体尾纤(23)长度之和的差值控制在1cm内。
4.根据权利要求3所述的适合变温度环境下工作的高性能混合型光纤谐振腔，其特征在于，对第二光PM子晶体光纤耦合器(9)和第三PM光子晶体光纤耦合器(13)各对应端口分光比差值控制在0.5％以内、插入损耗差控制在0.02dB，第一0度熔接点(10)、第三90度熔接点(12)，第四90度熔接点(14)，第二0度熔接点(16)熔接损耗差值控制在0.02dB，使谐振腔顺时针CW和逆时针CCW向传输光光功率差小于1％。
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