CN113267177B - 一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺。本发明中窄线宽激光光源出射的光经第一保偏光纤后再经相位调制器调制后到达Y波导，Y波导将光分为两束等光强的光，两束光分别经过两个环形器后从对应的第二保偏光纤出射后透过自由曲面透镜耦合器和偏振分束棱镜耦合后进入空芯光纤环；空芯光纤环内的一部分光在自由曲面透镜耦合器反射后在空芯光纤环的环内发生谐振，空芯光纤环内的另一部分光透过自由曲面透镜耦合器后返回到第二保偏光纤经对应的环形器后到达对应的光电探测器。本发明集成度高，耦合部件少，减少元件之间的相对位置误差，整体结构更加紧凑，提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性；制作工艺流程简单，稳定性高。

Description

一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺

技术领域

本发明属于惯性传感技术和集成光学领域，是一种空间光耦合方式的空芯光子晶体光纤陀螺。

背景技术

随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的体积、重量要求越来越高，集成化、小型化、低成本和高稳定性的光学陀螺设计成为必然。保偏光纤相比于传统的单模光纤，具有更低的插入损耗，更小的非线性度，并且对环境变化不敏感。近年来，保偏光纤被越来越多的应用于谐振陀螺的谐振腔制作中。但是，目前的光纤熔接工艺和保偏光纤不兼容，将实芯光纤与保偏光纤熔接在熔接点处往往会出现很高的插入损耗。

空间光耦合是通过透镜完成光纤之间的耦合，被很多人应用于保偏光纤谐振腔中，并且空间光耦合器有潜力做小并集成在片上的潜力。目前的空间光耦合方案大多是平面分光镜和一般透镜的组合，由自由曲面设计的透镜报道还比较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，引入自由曲面设计将空间耦合器设计一体化，用一块透镜完成所需的耦合。显著降低了谐振腔内的损耗并减少了耦合部件的数量，降低了封装难度。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括窄线宽激光光源、第一保偏光纤、相位调制器、Y波导、环形器、光电探测器、第二保偏光纤、自由曲面透镜耦合器、硅片、空芯光纤环和偏振分束棱镜；

窄线宽激光光源依次经第一保偏光纤和相位调制器后与Y波导的合束端相连，环形器包括逆时针环形器和顺时针环形器，Y波导两个分支中的其中一个分支与逆时针环形器的第一端口相连，逆时针环形器的第二端口与一个第二保偏光纤的一端相连，逆时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与一个光电探测器相连；

Y波导两个分支中的另一个分支与顺时针环形器的第一端口相连，顺时针环形器的第二端口与另一个第二保偏光纤的一端相连，顺时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与另一个光电探测器相连；

空芯光纤环卷绕呈环状布置，且空芯光纤环卷绕后的两端向硅片的一侧延伸布置在硅片上；

两个第二保偏光纤的另一端、自由曲面透镜耦合器、偏振分束棱镜和空芯光纤环的两端均固定安装在硅片上，自由曲面透镜耦合器一侧的硅片设置有两个第二保偏光纤的另一端，自由曲面透镜耦合器另一侧的硅片设置有空芯光纤环的两端，空芯光纤环的两端分别与自由曲面透镜耦合器之间设置有一个偏振分束棱镜，偏振分束棱镜放置在硅片上。

所述窄线宽激光光源出射的光经第一保偏光纤后再经相位调制器调制后到达Y波导，Y波导将光分为两束等光强的光，两束光分别经过两个环形器后从对应的第二保偏光纤出射后透过自由曲面透镜耦合器和偏振分束棱镜耦合后进入空芯光纤环；

空芯光纤环内的一部分光在自由曲面透镜耦合器反射后在空芯光纤环的环内发生谐振，空芯光纤环内的另一部分光透过自由曲面透镜耦合器后返回到第二保偏光纤经对应的环形器后到达对应的光电探测器。

所述自由曲面透镜耦合器靠近空芯光纤环的两端的侧面为第二表面，第二表面镀有反射膜第二表面为椭球面，空芯光纤环的两端分别处于椭球的两个焦点，空芯光纤环两端的延长线的交点与椭球面的中心重合。

所述自由曲面透镜耦合器的顶面为第一表面，第一表面镀有增透膜。

所述逆时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着逆时针环形器内部的环形传输方向依次布置，逆时针环形器的第三端口设置在逆时针环形器远离顺时针环形器的一侧；

顺时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着顺时针环形器内部的环形传输方向依次布置，顺时针环形器的第三端口设置在顺时针环形器远离逆时针环形器的一侧。

所述硅片上刻蚀出两个第二保偏光纤的端部、两个偏振分束棱镜、空芯光纤环的两个端部和自由曲面透镜耦合器的槽位。

所述硅片及设置在硅片上的部件对称布置。

所述自由曲面透镜耦合器的尺寸为几毫米量级或者更小量级。

本发明的有益之处在于：

本发明提出的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，耦合部件仅为一块自由曲面透镜。其中空芯光纤环的首尾两个端面出射的光在自由曲面透镜表面反射后能互相耦合，该反射面为一椭球面。本发明减少了腔内元器件的数量及损耗。透过自由曲面透镜的光可以在腔内与腔外之间耦合。该一体化设计大大减小了空间光耦合器的体积及安装难度。谐振腔采用保偏光纤，相比于实芯光纤，保偏光纤的光在空气中传播，非线性系数小，对环境变化不敏感。

由于自由曲面透镜体积小，可以和保偏光纤端面，偏振分束棱镜一同安装在一块硅片上，采用刻蚀的方法得到放置各器件的槽位。相比于分立器件而言精简了制备和安装工艺，能减少元件之间的相对位置误差，省去调整光路的步骤。

基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺有效降低了耦合部件的数量以及尺寸，使得光学陀螺整体结构更加紧凑，从而提高光纤陀螺的可靠性和环境适应性。

附图说明

图1是基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺的整体结构示意图；

图2是自由曲面透镜椭球面与空芯光纤环端面的位置关系示意图；

图3是自由曲面透镜椭球面与空芯光纤环端面之间光束的分布示意图；

图中：1、窄线宽激光光源，2、第一保偏光纤，3、相位调制器，4、Y波导，5、环形器，6、光电探测器，7、第二保偏光纤，8、第一表面，9、自由曲面透镜耦合器，10、第二表面，11、空芯光纤环，12、硅片，13、偏振分束棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括窄线宽激光光源1、第一保偏光纤2、相位调制器PM3、Y波导4、环形器5、光电探测器PD6、第二保偏光纤7、自由曲面透镜耦合器9、硅片12、空芯光纤环11和偏振分束棱镜13；

窄线宽激光光源1依次经第一保偏光纤2和相位调制器3后与Y波导4的合束端相连，环形器5包括逆时针环形器和顺时针环形器，Y波导4两个分支中的其中一个分支与逆时针环形器的第一端口相连，Y波导4两个分支中的其中一个分支的两侧分别设置有第一电极和第二电极，逆时针环形器的第二端口与一个第二保偏光纤7的一端相连，逆时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与一个光电探测器6相连；

Y波导4两个分支中的另一个分支与顺时针环形器的第一端口相连，Y波导4两个分支中的另一个分支的两侧分别设置有第一电极和第二电极，顺时针环形器的第二端口与另一个第二保偏光纤7的一端相连，顺时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与另一个光电探测器6相连；

逆时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着逆时针环形器内部的环形传输方向依次布置，逆时针环形器的第三端口设置在逆时针环形器远离顺时针环形器的一侧；顺时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着顺时针环形器内部的环形传输方向依次布置，顺时针环形器的第三端口设置在顺时针环形器远离逆时针环形器的一侧。

空芯光纤环11卷绕呈环状布置，且空芯光纤环11卷绕后的两端向硅片12的一侧延伸布置在硅片12上；图1中空芯光纤环11卷绕在光纤谐振陀螺的最外周。

硅片12上刻蚀出两个第二保偏光纤7的端部、两个偏振分束棱镜13、空芯光纤环11的两个端部和自由曲面透镜耦合器9的槽位，用于安装两个第二保偏光纤7的端部、两个偏振分束棱镜13、空芯光纤环11的两个端部和自由曲面透镜耦合器9。自由曲面透镜耦合器9的尺寸为几毫米量级或者更小量级。

硅片12及设置在硅片12上的部件即两个第二保偏光纤7的另一端、自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13和空芯光纤环11的两端对称布置。

两个第二保偏光纤7的另一端、自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13和空芯光纤环11的两端均固定安装在硅片12上，自由曲面透镜耦合器9一侧的硅片12设置有两个第二保偏光纤7的另一端，自由曲面透镜耦合器9另一侧的硅片12设置有空芯光纤环11的两端，空芯光纤环11的两端分别与自由曲面透镜耦合器9之间设置有一个偏振分束棱镜13，偏振分束棱镜13放置在硅片12上，偏振分束棱镜13用于抑制空芯光纤环11的偏振噪声。窄线宽激光光源1的线宽范围为1kHz以下。

自由曲面透镜耦合器9组成光纤谐振陀螺的耦合部件，自由曲面透镜耦合器9的顶面为第一表面8，第一表面8镀有增透膜，用于增加光束在第一表面8的透过率。

如图2所示，自由曲面透镜耦合器9靠近空芯光纤环11的两端的侧面为第二表面10，第二表面10镀有反射膜，用于分束；第二表面10为绕长轴旋转形成的椭球面，空芯光纤环11的两端分别处于椭球的两个焦点，空芯光纤环11两端的延长线的交点与椭球面的中心重合。

窄线宽激光光源1出射的光经第一保偏光纤2后再经相位调制器3调制后到达Y波导4，Y波导4将光分为两束等光强的光，两束光分别经过两个环形器5后从对应的第二保偏光纤7出射后透过自由曲面透镜耦合器9和偏振分束棱镜13耦合后进入空芯光纤环11；

空芯光纤环11内的一部分光在自由曲面透镜耦合器9的第二表面10反射后在空芯光纤环11的环内发生谐振，空芯光纤环11内的另一部分光透过自由曲面透镜耦合器9后返回到第二保偏光纤7经对应的环形器5后到达对应的光电探测器6。

本发明光纤谐振陀螺的制备过程包括如下步骤：

1)连接光传输系统，包括窄线宽激光光源1、第一保偏光纤2、相位调制器3、Y波导4、环形器5、光电探测器6。

2)设计自由曲面透镜耦合器9。其中第二表面10为椭球面，空芯光纤环11的首尾端面在椭球长轴的两个焦点上，能满足经椭球面反射后互相耦合。空芯光纤环11两端的延长线的交点与椭球面的中心重合。

3)根据设计好的第二表面10，以自由曲面配合设计第一表面8，可以用bicoinczernike面型来设计第一表面8，满足透过自由曲面透镜耦合器9的光能在第二保偏光纤7和空芯光纤环11首尾端之间互相耦合。

4)将自由曲面透镜耦合器9的第一表面8镀增透膜，第二表面10镀反射膜，第二表面10的透射率等于所需耦合系数。

5)刻蚀硅片12，得到放置第二保偏光纤7、自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13、空芯光纤环11端面的矩形槽。槽的深度满足使得第一保偏光纤2的纤芯和自由曲面透镜耦合器9的中心保持在同一高度。

6)将第二保偏光纤7、自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13、空芯光纤环11的首尾端面放置在硅片12的相应槽内，并用紫外胶固化其位置。

实施例

本实施例中基于自由曲面透镜的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，第一保偏光纤2为HC-1550-02型，窄线宽激光光源1中心波长为1550nm，自由曲面透镜耦合器9的材料为BK7；

如图1所示，窄线宽激光光源1出射的光进入第一保偏光纤2，相位调制器3、Y波导4、环形器5、光电探测器6沿光路方向依次排列。自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13、空芯光纤环11组成谐振腔。第二保偏光纤7、自由曲面透镜耦合器9、偏振分束棱镜13、空芯光纤环11的首尾端面共同安装在一块刻蚀好的硅片12上。从第二保偏光纤7出射的光线透过自由曲面透镜耦合器9后进入谐振腔发生谐振，再次透过自由曲面透镜耦合器9返回的光通过环形器5后到达光电探测器6。

如图2和3所示，自由曲面透镜耦合器9的第二表面10为椭球面，空芯光纤环11的首尾端面分别在椭球长轴的两个焦点处，且空芯光纤环11两端的延长线的交点与椭球面的中心重合。

具体实施例中，窄线宽激光光源1的中心波长为1550nm，第一保偏光纤2型号为HC-1550-02，模场直径为9um，NA值为0.2。自由曲面透镜耦合器9的材料为BK7，第二表面10反射膜的反射率为10％，第二表面10椭球面的参数为，半短轴b＝2mm，半长轴a＝2.1mm，自由曲面透镜耦合器9的体积约为4×4×2立方毫米。偏振分束棱镜13的体积为1×1×2立方毫米。硅片刻蚀深度1毫米。

当该基于自由曲面透镜的空芯光子晶体光纤谐振陀螺以角速度Ω绕旋转轴发生转动，旋转轴与空芯光纤环11所在平面垂直。

则空芯光纤环11中的顺逆时针的谐振频率差Δf满足公式：Δf＝4NA/(λB)·Ω，其中N为空芯光纤环11的匝数，A为空芯光纤环11的面积，λ为空芯光纤环内光11的波长，B为空芯光纤环11的一匝的长度，Ω为光纤谐振陀螺绕旋转轴旋转的角速度；

一部分空心光子晶体光纤环11内携带着光纤谐振陀螺转动角速度信息的光透过自由曲面透镜耦合器9从第二保偏光纤7中经由环形器5到达光电探测器6从而得到光纤谐振陀螺的转动信息—光强。

Claims (6)

1.一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：包括窄线宽激光光源（1）、第一保偏光纤（2）、相位调制器（3）、Y波导（4）、环形器（5）、光电探测器（6）、第二保偏光纤（7）、自由曲面透镜耦合器（9）、硅片（12）、空芯光纤环（11）和偏振分束棱镜（13）；

窄线宽激光光源（1）依次经第一保偏光纤（2）和相位调制器（3）后与Y波导（4）的合束端相连，环形器（5）包括逆时针环形器和顺时针环形器，Y波导（4）两个分支中的其中一个分支与逆时针环形器的第一端口相连，逆时针环形器的第二端口与一个第二保偏光纤（7）的一端相连，逆时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与一个光电探测器（6）相连；

Y波导（4）两个分支中的另一个分支与顺时针环形器的第一端口相连，顺时针环形器的第二端口与另一个第二保偏光纤（7）的一端相连，顺时针环形器的第三端口通过第三保偏光纤与另一个光电探测器（6）相连；

空芯光纤环（11）卷绕呈环状布置，且空芯光纤环（11）卷绕后的两端向硅片（12）的一侧延伸布置在硅片（12）上；

两个第二保偏光纤（7）的另一端、自由曲面透镜耦合器（9）、偏振分束棱镜（13）和空芯光纤环（11）的两端均固定安装在硅片（12）上，自由曲面透镜耦合器（9）一侧的硅片（12）设置有两个第二保偏光纤（7）的另一端，自由曲面透镜耦合器（9）另一侧的硅片（12）设置有空芯光纤环（11）的两端，空芯光纤环（11）的两端分别与自由曲面透镜耦合器（9）之间设置有一个偏振分束棱镜（13），偏振分束棱镜（13）放置在硅片（12）上；

所述自由曲面透镜耦合器（9）靠近空芯光纤环（11）的两端的侧面为第二表面（10），第二表面（10）镀有反射膜第二表面（10）为椭球面，空芯光纤环（11）的两端分别处于椭球的两个焦点，空芯光纤环（11）两端的延长线的交点与椭球面的中心重合；

所述自由曲面透镜耦合器（9）的顶面为第一表面（8），第一表面（8）镀有增透膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：所述窄线宽激光光源（1）出射的光经第一保偏光纤（2）后再经相位调制器（3）调制后到达Y波导（4），Y波导（4）将光分为两束等光强的光，两束光分别经过两个环形器（5）后从对应的第二保偏光纤（7）出射后透过自由曲面透镜耦合器（9）和偏振分束棱镜（13）耦合后进入空芯光纤环（11）；

空芯光纤环（11）内的一部分光在自由曲面透镜耦合器（9）反射后在空芯光纤环（11）的环内发生谐振，空芯光纤环（11）内的另一部分光透过自由曲面透镜耦合器（9）后返回到第二保偏光纤（7）经对应的环形器（5）后到达对应的光电探测器（6）。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：

所述逆时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着逆时针环形器内部的环形传输方向依次布置，逆时针环形器的第三端口设置在逆时针环形器远离顺时针环形器的一侧；

顺时针环形器的第一端口、第二端口、第三端口沿着顺时针环形器内部的环形传输方向依次布置，顺时针环形器的第三端口设置在顺时针环形器远离逆时针环形器的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：所述硅片（12）上刻蚀出两个第二保偏光纤（7）的端部、两个偏振分束棱镜（13）、空芯光纤环（11）的两个端部和自由曲面透镜耦合器（9）的槽位。

5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：所述硅片（12）及设置在硅片（12）上的部件对称布置。

6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面透镜耦合的空芯光子晶体光纤谐振陀螺，其特征在于：所述自由曲面透镜耦合器（9）的尺寸为几毫米量级或者更小量级。

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