CN111811495B - 一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法 - Google Patents

一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法，该装置主要包括光源、2×2光纤耦合器、集成光学芯片、偏振分束/合束器、两个偏振开关、保偏光纤敏感线圈以及探测器。偏振分束/合束器基于倏逝耦合效应，可以实现特定模式光在光纤之间的相互耦合。偏振开关可以通过控制电压使通过其中的线偏振光实现90度的偏振旋转或保持不变。通过调制两个偏振开关的电压，可以使入射光信号沿保偏光纤敏感线圈循环传输，从而达到多次倍增的效果，该方案简单高效且成本低廉，在不增加光纤长度的前提下可多倍次提高光纤陀螺的有效光路长度。

Description

一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法。
背景技术
光纤陀螺具有高理论精度、全固态、高可靠性等优势，在诸多领域都有着广泛的应用。为了适应更复杂和严苛的应用需求，尤其是在军事方面的应用，各国研究人员都对光纤陀螺精度的提升开展了深入的研究。保偏光纤环作为光纤陀螺的敏感单元，其性能很大程度上决定了光纤陀螺整体的精度。因此在光纤陀螺精度提升的研究过程中，人们提出了诸多方法，如采用特殊的绕环方式减少保偏光纤环的扭曲、研制偏振消光比更高的保偏光纤等，但这些方法或者提升效果不明显，或者成本高、研发周期长，难以取得理想的效果。
除此之外，通过增加保偏光纤长度和光纤环直径可以累积角速度产生的非互易相位差，从而提升光纤陀螺的精度，但其致命缺点是对温度等环境适应性大大降低，限制了精度的提高。因此，亟需一种能在不降低光纤陀螺环境稳定性的前提下提高光纤陀螺的精度，同时能保持光纤环体积基本不变的装置及方法，在光纤陀螺的技术提升上具有重要工程意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的光纤陀螺稳定性差、精度低的不足，提出一种保偏光纤环的光学多次倍增装置及方法，在不增加光纤长度的条件下，通过配合使用偏振分束器/合束器以及偏振开关，可以使光信号在保偏光纤环中循环传输，提高角速度引起的相位累积，从而提升光纤陀螺的精度，同时不影响其环境适应性和尺寸。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，包括光源、2×2光纤耦合器、集成光学芯片、偏振分束/合束器、第一偏振开关、第二偏振开关、保偏光纤敏感线圈以及探测器；
所述光源的输出端和探测器的接收端通过保偏光纤分别与2×2光纤耦合器同一侧的两个端口连接，2×2光纤耦合器另一侧的一个端口通过保偏光纤与集成光学芯片的输入端口连接，集成光学芯片的两个输出端口连接偏振分束/合束器；所述的偏振分束/合束器包括四个端口：A端口、B端口、C端口和D端口，所述B端口和C端口通过保偏光纤分别与集成光学芯片的两个输出端口连接，A 端口和D端口通过保偏光纤分别与第一偏振开关和第二偏振开关的同侧端口连接，第一偏振开关和第二偏振开关的另一侧端口通过保偏光纤分别与保偏光纤敏感线圈的两端连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的集成光学芯片由起偏器、相位调制器以及Y波导组成。起偏器用于将光信号起偏为沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输，优选为慢轴。
本发明与典型光纤陀螺保偏光纤环结构相比，仅增加一个偏振分束/合束器和两个偏振开关，沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，在偏振分束/合束器中产生耦合效应，光信号分别通过D、C、B、 A端口输出；而沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/ 合束器时，在偏振分束/合束器中不产生耦合效应，光信号分别通过C、D、A、 B端口输出。将初始光信号起偏为沿慢轴传输，之后通过对偏振开关电压的特定调制，可以控制光信号的偏振态，使本应直接输出的光信号再次进入光路。具体为：通过改变偏振开关的电压，实现光信号的90°偏转，使原本沿快轴传输的光转变为沿慢轴传输，使原本沿慢轴传输的光转变为沿快轴传输。在不考虑损耗和误差的理想情况下，光信号可以在光路中无限循环传输，从而达到多次倍增的效果。所提出的方法原理简单、操作简洁。针对目前已趋于稳定和成熟的光纤陀螺来说，试图通过硬件和软件的突破来提升精度显得较为困难，而本发明所提出的装置及方法可高效提升光纤陀螺的精度，在工程应用中具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明中保偏光纤环的光学多次倍增装置的示意图；
图中：1.光源，2.2×2光纤耦合器，3.集成光学芯片(IOC)，4.偏振分束/ 合束器，5.第一偏振开关，6.第二偏振开关，7.保偏光纤敏感线圈，8.探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，包括光源1、2×2光纤耦合器2、集成光学芯片3、偏振分束/合束器4、第一偏振开关5、第二偏振开关6、保偏光纤敏感线圈7以及探测器8；
所述光源1的输出端和探测器8的接收端通过保偏光纤分别与2×2光纤耦合器2同一侧的两个端口连接，2×2光纤耦合器2另一侧的一个端口通过保偏光纤与集成光学芯片3的输入端口连接，集成光学芯片3的两个输出端口连接偏振分束/合束器4；所述的偏振分束/合束器包括四个端口：A端口、B端口、C 端口和D端口，所述B端口和C端口通过保偏光纤分别与集成光学芯片3的两个输出端口连接，A端口和D端口通过保偏光纤分别与第一偏振开关5和第二偏振开关6的同侧端口连接，第一偏振开关5和第二偏振开关6的另一侧端口通过保偏光纤分别与保偏光纤敏感线圈7的两端连接。
在本发明的一项具体实施中，沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中产生耦合效应，即光信号会分别通过D、C、B、A端口输出；而沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中不产生耦合效应，即光信号会分别通过C、D、A、B端口输出。
也可以设计为：沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中产生耦合效应，即光信号会分别通过D、C、B、 A端口输出；而沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/ 合束器时，偏振分束/合束器中不产生耦合效应，即光信号会分别通过C、D、A、 B端口输出。
第一偏振开关和第二偏振开关通过调制工作电压使光信号发生90°的偏振旋转或保持不变。偏振开关在工作时，通过给其施加控制电压可以使其内部的铌酸锂产生双折射，改变经过其内部的光信号的相位，使其功能类似于可调波片，而多波片(如四分之一波片、二分之一波片、四分之一波片)的组合即可以调节光信号的偏振态，因此通过控制偏振开关的工作电压可以使通过其传输的光信号发生90度的偏振旋转，从而改变光信号沿光纤的传输轴。
在本发明的一项具体实施中，所述的集成光学芯片由起偏器、相位调制器以及Y波导组成，Y波导的两个输出端口作为集成光学芯片的输出端口，起偏器用于将光信号起偏为固定沿保偏光纤慢轴或快轴传输的光；所述的集成光学芯片采用铌酸锂制成。所述的第一偏振开关和第二偏振开关采用铌酸锂制成。所述的偏振分束/合束器4采用熔融光纤制成。所述的保偏光纤敏感线圈直径为90mm。
以此方案为例：沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中产生耦合效应，即光信号会分别通过D、C、B、 A端口输出；而沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/ 合束器时，偏振分束/合束器中不产生耦合效应，即光信号会分别通过C、D、A、 B端口输出。本发明的保偏光纤环的光学多次倍增装置的光束绕行方法具体为：
1)光源出射的光信号经过2×2光纤耦合器和集成光学芯片后一分为二，且由集成光学芯片将光信号起偏为沿保偏光纤慢轴传输，通过保偏光纤分别输入至偏振分束/合束器的B端口和C端口；
2)逆时针光路传输的光传输过程如下：
(a)、光信号从B端口进入偏振分束/合束器，由于光信号此时沿保偏光纤慢轴，因此偏振分束/合束器中不发生耦合效应，光信号从D端口输出进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿慢轴绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号从第一偏振开关出射时偏振态位于快轴；
(b)、光信号沿保偏光纤快轴通过A端口进入偏振分束/合束器，发生耦合效应，光信号从D端口输出进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿保偏光纤快轴再绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第一偏振开关；
(c)、调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号不发生偏振旋转，重复步骤(b)；
(d)、根据需要重复步骤(c)n次；
(e)、当需要输出光信号时，调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号沿保偏光纤慢轴通过A端口进入偏振分束/ 合束器，不发生耦合效应，因此光信号从C端口输出，返回集成光学芯片，完成逆时针光路的传输，此时光信号在保偏光纤线圈中绕行n+1次，实现了光路n+1 倍增。
3)顺时针光路传输的光传输过程如下：
(f)、光信号从C端口进入偏振分束/合束器，由于光信号此时沿保偏光纤慢轴，因此偏振分束/合束器中不发生耦合效应，光信号从A端口输出进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿慢轴绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号从第二偏振开关出射时偏振态位于快轴；
(g)、光信号沿保偏光纤快轴通过D端口进入偏振分束/合束器，发生耦合效应，光信号从A端口输出进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿保偏光纤快轴再绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第二偏振开关；
(h)、调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号不发生偏振旋转，重复步骤(g)；
(i)、根据需要重复步骤(h)m次；
(j)、当需要输出光信号时，调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号沿保偏光纤慢轴通过D端口进入偏振分束/ 合束器，不发生耦合效应，因此光信号从B端口输出，返回集成光学芯片，完成顺时针光路的传输，此时光信号在保偏光纤线圈中绕行m+1次，实现了光路 m+1倍增。
沿逆时针和顺时针传输的光信号应绕保偏光纤敏感线圈绕过的圈数n+1和 m+1相同，顺时针和逆时针光信号同时进入集成光学芯片IOC发生干涉，干涉光信号经过2×2光纤耦合器后被探测器检测。
所述的偏振分束/合束器和偏振开关可以采用任意具有所述工作原理的器件，本例中采用Thorlab公司的熔融光纤偏振光束合束器/分束器，以及Photline公司的铌酸锂偏振开关。
本发明利用偏振分束/合束器的倏逝耦合效应，实现了特定模式光在光纤之间的相互耦合。偏振开关可以通过控制电压使通过其中的线偏振光实现90度的偏振旋转或保持不变。通过调制两个偏振开关的电压，可以使入射光信号沿保偏光纤敏感线圈循环传输，从而达到多次倍增的效果，该方案简单高效且成本低廉，在不增加光纤长度的前提下可多倍次提高光纤陀螺的有效光路长度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，其特征在于，包括光源(1)、2×2光纤耦合器(2)、集成光学芯片(3)、偏振分束/合束器(4)、第一偏振开关(5)、第二偏振开关(6)、保偏光纤敏感线圈(7)以及探测器(8)；
所述光源(1)的输出端和探测器(8)的接收端通过保偏光纤分别与2×2光纤耦合器(2)同一侧的两个端口连接，2×2光纤耦合器(2)另一侧的一个端口通过保偏光纤与集成光学芯片(3)的输入端口连接，集成光学芯片(3)的两个输出端口连接偏振分束/合束器(4)；所述的偏振分束/合束器包括四个端口：A端口、B端口、C端口和D端口，所述B端口和C端口通过保偏光纤分别与集成光学芯片(3)的两个输出端口连接，A端口和D端口通过保偏光纤分别与第一偏振开关(5)和第二偏振开关(6)的同侧端口连接，第一偏振开关(5)和第二偏振开关(6)的另一侧端口通过保偏光纤分别与保偏光纤敏感线圈(7)的两端连接，所述的第一偏振开关和第二偏振开关通过调制工作电压使光信号发生90°的偏振旋转或保持不变；
所述的集成光学芯片由起偏器、相位调制器以及Y波导组成，Y波导的两个输出端口作为集成光学芯片的输出端口，起偏器用于将光信号起偏为固定沿保偏光纤慢轴或快轴传输的光；
沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，在偏振分束/合束器中产生耦合效应，光信号分别通过D、C、B、A端口输出；而沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，在偏振分束/合束器中不产生耦合效应，光信号分别通过C、D、A、B端口输出；
或者，沿保偏光纤慢轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中产生耦合效应，即光信号会分别通过D、C、B、A端口输出；而沿保偏光纤快轴传输的光通过A、B、C、D端口进入偏振分束/合束器时，偏振分束/合束器中不产生耦合效应，即光信号会分别通过C、D、A、B端口输出。
2.如权利要求书1所述的一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，其特征在于，所述的集成光学芯片采用铌酸锂制成。
3.如权利要求1所述的一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，其特征在于，所述的第一偏振开关和第二偏振开关采用铌酸锂制成。
4.如权利要求1所述的一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，其特征在于，所述的偏振分束/合束器(4)采用熔融光纤制成。
5.如权利要求1所述的一种保偏光纤环的光学多次倍增装置，其特征在于，所述的保偏光纤敏感线圈直径为90mm。
6.一种采用权利要求1所述的保偏光纤环的光学多次倍增装置的光束绕行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光源出射的光信号经过2×2光纤耦合器和集成光学芯片后一分为二，且由集成光学芯片将光信号起偏为沿保偏光纤慢轴传输，通过保偏光纤分别输入至偏振分束/合束器的B端口和C端口；
2)逆时针光路传输的光传输过程如下：
(a)光信号从B端口进入偏振分束/合束器，由于光信号此时沿保偏光纤慢轴，因此偏振分束/合束器中不发生耦合效应，光信号从D端口输出进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿慢轴绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号从第一偏振开关出射时偏振态位于快轴；
(b)、光信号沿保偏光纤快轴通过A端口进入偏振分束/合束器，发生耦合效应，光信号从D端口输出进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿保偏光纤快轴再绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第一偏振开关；
(c)、重复步骤(b)n次；当需要输出光信号时，调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号沿保偏光纤慢轴通过A端口进入偏振分束/合束器，不发生耦合效应，因此光信号从C端口输出，返回集成光学芯片，完成逆时针光路的传输，此时光信号在保偏光纤线圈中绕行n+1次，实现了光路n+1倍增；
3)顺时针光路传输的光传输过程如下：
(d)、光信号从C端口进入偏振分束/合束器，由于光信号此时沿保偏光纤慢轴，因此偏振分束/合束器中不发生耦合效应，光信号从A端口输出进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿慢轴绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第二偏振开关，此时调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号从第二偏振开关出射时偏振态位于快轴；
(e)、光信号沿保偏光纤快轴通过D端口进入偏振分束/合束器，发生耦合效应，光信号从A端口输出进入第一偏振开关，此时调制第一偏振开关电压使经过第一偏振开关的光信号不发生偏振旋转，光信号沿保偏光纤快轴再绕保偏光纤敏感线圈一圈后进入第二偏振开关；
(f)、重复步骤(e)m次；当需要输出光信号时，调制第二偏振开关电压使经过第二偏振开关的光信号产生90度偏振旋转，光信号沿保偏光纤慢轴通过D端口进入偏振分束/合束器，不发生耦合效应，因此光信号从B端口输出，返回集成光学芯片，完成顺时针光路的传输，此时光信号在保偏光纤线圈中绕行m+1次，实现了光路m+1倍增；
4)顺时针和逆时针光信号同时进入集成光学芯片发生干涉，干涉光信号经过2×2光纤耦合器后被探测器检测。
7.如权利要求6所述的保偏光纤环的光学多次倍增装置的光束绕行方法，其特征在于，沿逆时针和顺时针传输的光信号在保偏光纤敏感线圈中绕行的圈数相同。
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