CN114754800B - 一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统，包括如下过程：S1：将空芯微结构光纤环圈的两个尾纤分别插入到相应的光纤耦合装置一端的插芯内，并将间隙密封；S2:光纤耦合装置的另一端密封安装准直透镜；S3：将光纤耦合装置安装准直透镜的一端与Y波导芯片接口耦合。本发明提供的方法及系统解决了陀螺光路直接空间耦合时空芯微结构光纤中气体流动效应引起折射率变化导致的陀螺噪声水平波动的问题，并可通过主动排气或充气来调节空芯微结构光纤中气体分子的浓度或类型，进一步增强光传输的稳定性，提升空芯微结构光纤陀螺的性能。

Description

一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统。
背景技术
光纤陀螺以光纤作为传感介质敏感光学Sagnac效应实现角速率测量，广泛应用于陆、海、空、天等各类惯性自主导航系统。传统陀螺用保偏光纤中含有硅、锗和硼等多种固态材料，形成多层异质结构，传输在光纤中的光则对温度、磁场等环境变化较为敏感。光纤陀螺环境适应性提升须依赖温度控制、多重磁屏蔽和密闭封装等多种系统级被动防护措施，导致光纤陀螺体积、重量和功耗不同程度地增大，削弱了光纤陀螺的竞争优势。基于光子带隙型效应和反谐振效应的空芯微结构光纤以特定包层微结构形成全新导光机制，将光高效地约束在空气纤芯中传输，使得环境对光波的热、磁等影响大幅降低，可作为根本性提升光纤陀螺环境适应性的主动技术手段。
空芯微结构光纤是在单一介质材料（纯二氧化硅）上将端面周期结构排列的空气微孔结构沿轴向贯穿整根光纤。光纤陀螺应用中，依据对称绕法，例如四极绕法、八极绕法等，将空芯微结构光纤绕制成光纤环圈，空芯光纤环圈与Y波导装配共同形成Sagnac干涉光路——光纤陀螺敏感核心组件。光纤环圈与Y波导之间的连接传统方式是通过熔接实现，空芯微结构光纤在受热熔融过程中，即便选用最佳的熔接设备与最优的工艺参数，因流体力学特性空芯光纤内部的空气孔微结构不可避免的会发生不同程度的塌缩，导致光纤端面模场匹配度、熔接损耗和偏振串音等指标劣化，不利于空芯光纤陀螺制造工艺可靠性设计工作的实施。
采用空芯微结构光纤环圈与Y波导芯片直接空间耦合作为光路装配方式，无需光纤加热熔融处理，可有效规避空芯微结构光纤内部微结构塌缩问题。空芯微结构光纤环圈与Y波导芯片之间的直接空间耦合，但是空芯微结构光纤环圈尾纤将形成开放型端面，空芯光纤内部微孔结构中含有的空气则与外部环境气场连通。当空芯光纤环圈温度升高，内部微孔结构中含有的空气受热膨胀产生气体排出现象，空气分子密度变化导致空气折射率变化，影响空芯微结构光纤实现高稳定光传输，进而会导致空芯微结构光纤陀螺噪声水平产生未被广泛认知的波动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统，采用特定密封的光纤耦合装置使空芯微结构光纤内部气孔中的气体与外界环境气体场隔离，光纤耦合装置另一端配有准直透镜使空芯微结构光纤中出射光呈平行状传输，以便提升光路耦合效率，同时装置侧面可设有气口，通过主动排气或充气操作来调节空芯微结构光纤中气体分子的浓度或类型，以进一步增强光传输稳定性，有助于提升空芯微结构光纤陀螺的性能。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其包括如下步骤：
S1：将空芯微结构光纤环圈的两个尾纤分别插入到相应的光纤耦合装置一端的插芯内，并将间隙密封；
S2: 光纤耦合装置的另一端密封安装准直透镜；
S3：将光纤耦合装置安装准直透镜的一端与Y波导芯片接口耦合。
进一步，光纤耦合装置与Y波导芯片接口耦合前，将光纤耦合装置中间密封空间内的气体排出或向密封空间内充入气体。
优化的，向密封空间内充入的气体为氦气。
进一步，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间的间隙通过填充胶体密封，准直透镜与光纤耦合装置之间的间隙通过填充胶体密封。
优化的，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤在插入到插芯内之前先将端面进行平滑处理。
优化的，采用气针将光纤耦合装置中间的密封空间抽成真空或向密封空间内充入气体。
一种空芯微结构光纤陀螺光路装配系统，其包括空芯微结构光纤环圈及光纤耦合装置，所述光纤耦合装置包括装置本体及固定设于装置本体端部的插芯，插芯的直径小于装置本体的直径，装置本体内与插芯相对一端的端部密封固定安装有准直透镜，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤端部分别插入到相应的光纤耦合装置的插芯内并密封固定。
进一步，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间通过胶体密封固定，装置本体与准直透镜之间通过胶体密封固定。
进一步，装置本体的中部设有气口。
优化的，所述气口包括金属护套、挡块及弹簧，所述金属护套与装置本体固定连接，金属护套侧壁上开设有通气孔，所述弹簧固定安装于金属护套内，所述挡块固定安装于弹簧的端部。
发明的有益效果
本发明提供的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统，具有如下优点：1.解决了陀螺光路直接空间耦合时空芯微结构光纤中气体流动效应引起折射率变化导致陀螺噪声水平波动的问题。2.可通过主动排气或充气操作来调节空芯微结构光纤中气体分子的浓度或类型，以进一步增强光传输稳定性，有助于提升空芯微结构光纤陀螺性能。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是光纤耦合装置剖视结构示意图；
图3是光纤耦合装置外形结构示意图；
图4是光纤耦合装置气体排出或充入气体示意图；
图5是空芯微结构光纤结构示意图；
图6是气口剖视结构示意图；
图7是气口充气或排气状态示意图。
图中：1.空芯微结构光纤环圈，2.空芯微结构光纤，3.光纤耦合装置，4.Y波导，5.插芯，6.准直透镜，7.密封空间，8.气口，9.气针，10. 金属护套，11. 弹簧，12. 挡块，13.通气孔，14. 气针侧孔。
具体实施方式
一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其包括如下步骤：
S1：将空芯微结构光纤环圈的两个尾纤分别插入到相应的光纤耦合装置一端的插芯内，并将间隙密封；
S2: 光纤耦合装置的另一端密封安装准直透镜；
S3：将光纤耦合装置安装准直透镜的一端与Y波导芯片接口耦合。
由空芯微结构光纤端面示意图可见，当采用直接空间耦合方式将空芯微结构光纤接续于陀螺光路时，其开放性的端口必将空芯光纤微孔结构内部气体与外界环境气体场相连通。工作过程中，空芯微结构光纤的温度升高会使微孔结构内的空气膨胀排出纤芯，形成气体流动效应。一个大气压下的空气折射率为1.00027 = 1 + 2.7×10-4，其中的1来自真空，剩下的2.7×10-4来自一定密度的空气分子。因此，环境变化导致的空芯微结构光纤中气体流动效应将改变微孔结构中的气体分子密度，进而引起空芯光纤传输折射率变化，在光纤陀螺干涉光路内形成新的非互易相位噪声，从而影响陀螺的稳定性。
光纤陀螺热致非互易性相位噪声表达式如式（1）所示，
Figure 779299DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中式中
Figure 27746DEST_PATH_IMAGE002
为时间；
Figure 46518DEST_PATH_IMAGE003
为光纤的温度；
Figure 927886DEST_PATH_IMAGE004
为光纤环的渡越时间；
Figure 378721DEST_PATH_IMAGE005
为光纤环圈长度；
Figure 29146DEST_PATH_IMAGE006
为光在真空中的传播常数；
Figure 953239DEST_PATH_IMAGE007
是折射率的温度变化系数；
Figure 571171DEST_PATH_IMAGE008
为光纤的有效折射率；
Figure 809386DEST_PATH_IMAGE009
为热膨胀系数；
Figure 845475DEST_PATH_IMAGE010
是折射率的气体分子密度变化系数。
式（1）中的坐标原点选取在光纤环圈光纤中点处（
Figure 425623DEST_PATH_IMAGE011
），逆时针方向
Figure 484846DEST_PATH_IMAGE012
为正，顺时针方向
Figure 589068DEST_PATH_IMAGE012
为负，令
Figure 197773DEST_PATH_IMAGE013
。
式中
Figure 666932DEST_PATH_IMAGE014
为光纤绕制过程中绕制方式等产生的非互易性相位噪声，本申请不予考虑。
而
Figure 744609DEST_PATH_IMAGE007
是光纤的热光效应产生的影响，
Figure 414973DEST_PATH_IMAGE015
是光纤的热膨胀效应产生的影响，
Figure 894496DEST_PATH_IMAGE010
是空芯光纤中的气体流动效应产生的影响，热光效应产生的影响及热膨胀效应产生的影响已被广泛研究，但是气体流动效应产生的影响往往被忽略，对此方面产生的影响研究甚少。
而本申请提出的空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，采用空间耦合的方式构建空芯光纤环圈与波导组件形成陀螺干涉光路时，使空芯微结构光纤内部由微孔结构形成的气室完全密封在光纤耦合装置内部，可将空芯光纤内部气体场与外界环境完全隔离，内部气体无法形成流动并与外界气体交互，空芯光纤内含的气体密度几乎不发生变化，进而光传输折射率亦不发生变化，有效规避了外界环境变化激发空芯微结构光纤内部气体排出等流动效应，规避了由于气体流动效应产生的光纤陀螺热致非互易性相位噪声的影响，因此陀螺工作的稳定性比较高。
同时由于在光纤耦合装置内密封安装准直透镜，将空芯微结构光纤出射的光转换成平行光束，便于后续提升与波导光路耦合损耗水平，能够进一步提升陀螺工作的稳定性。
进一步，光纤耦合装置与Y波导芯片接口耦合前，将光纤耦合装置中间密封空间内的气体排出或向密封空间内充入气体。
将光纤耦合装置中间密封空间内的气体排出，使空芯微结构光纤内的空气分子密度降低，极限可达真空状态，导光介质更为稳定，有利于空芯微结构光纤陀螺环境适应性进一步提升。
充气操作使空芯微结构光纤内的空气分子密度增加，可实现主动调整空芯微结构光纤导光介质折射率的功能，匹配合适的折射率便于提升空芯微结构光纤的模式纯度、传输损耗和偏振保持等特性，有助于空芯光纤陀螺降声水平提升。
优化的，向密封空间内充入的气体为氦气，选用氦气作为填充气体，因为氦气是单原子气体，化学性质不活泼，一般不会和其他物质反应生成化合物，并且室温和标准大气压下为无色无味的气体，既能保证安全可靠性，又能够达到主动调整空芯微结构光纤导光介质折射率的功能。
进一步，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间的间隙通过填充胶体密封，准直透镜与光纤耦合装置之间的间隙通过填充胶体密封。插芯内径与尾纤外径之间的间隙以及准直透镜与光纤耦合装置之间的间隙均通过填充胶体密封，操作方便快捷，并且能够起到很好的密封固定作用。
优化的，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤在插入到插芯内之前先将端面进行平滑处理。
优化的，采用气针9将光纤耦合装置中间的密封空间抽成真空或向密封空间内充入气体，操作方便快捷，并且成本低。
一种空芯微结构光纤陀螺光路装配系统，其包括空芯微结构光纤环圈1及光纤耦合装置3，所述光纤耦合装置包括装置本体及固定设于装置本体端部的插芯5，插芯的直径小于装置本体的直径，装置本体内与插芯相对一端的端部密封固定安装有准直透镜6，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤端部分别插入到相应的光纤耦合装置的插芯内并密封固定。
由于将空芯微结构光纤环圈的尾纤端部插入到相应的光纤耦合装置的插芯内并密封固定，装置本体内另一端端部密封固定安装准直透镜，使得光纤耦合装置中部形成密封空间7，再将光纤耦合装置安装准直透镜的一端与Y波导4芯片接口耦合，可将空芯微结构光纤2内部气体场与外界环境完全隔离，内部气体无法形成流动并与外界气体交互，空芯光纤内含的气体密度将不发生变化，进而光传输折射率亦不发生变化，有效规避了外界环境变化激发空芯微结构光纤内部气体排出等流动效应，规避了由于气体流动效应产生的光纤陀螺热致非互易性相位噪声，因此陀螺工作的稳定性比较高。并且准直透镜可以将空芯微结构光纤出射的光转换成平行光束，便于后续提升与波导光路耦合损耗水平，能够进一步提升陀螺工作的稳定性。
进一步，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间通过胶体密封固定，装置本体与准直透镜之间通过胶体密封固定。使得操作方便快捷，并且使得插芯内径与尾纤外径以及装置本体与准直透镜之间能够得到很好的密封固定效果，并且操作方便，成本低。
进一步，装置本体的中部设有气口8，光纤耦合装置与Y波导芯片接口耦合前，可以通过气口将光纤耦合装置中间密封空间内的气体排出或向密封空间内充入气体，可实现主动调整空芯微结构光纤导光介质折射率的功能，能够进一步提升陀螺工作的稳定性。
优化的，所述气口包括金属护套10、挡块12及弹簧11，所述金属护套与装置本体固定连接，金属护套侧壁上开设有通气孔13，所述弹簧固定安装于金属护套内，所述挡块固定安装于弹簧的端部。
弹簧对挡块施加压紧力，将挡块挤压至金属护套边缘，与其紧密贴合形成密封效果，当气针插入挤压弹簧，使挡块后移至金属护套侧面通气孔之后，气针侧孔14通过通气孔与光纤耦合装置内气体场连通，可实现充气与排气操作，气针拔出后，由于弹簧回复力作用，挡块自动复位至金属护套边缘，与其紧密贴合形成密封效果。
综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法及系统，解决了陀螺光路直接空间耦合时空芯微结构光纤中气体流动效应引起折射率变化导致陀螺噪声水平波动的问题，并且可通过主动排气或充气操作来调节空芯微结构光纤中气体分子的浓度或类型，进一步增强了光传输的稳定性，提升了空芯微结构光纤陀螺的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将空芯微结构光纤环圈的两个尾纤分别插入到相应的光纤耦合装置一端的插芯内，并将间隙密封；
S2: 光纤耦合装置的另一端密封安装准直透镜；
S3：光纤耦合装置与Y波导芯片接口耦合前，将光纤耦合装置中间密封空间内的气体排出或向密封空间内充入气体；
S4：将光纤耦合装置安装准直透镜的一端与Y波导芯片接口耦合。
2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其特征在于，向密封空间内充入的气体为氦气。
3.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其特征在于，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间的间隙通过填充胶体密封，准直透镜与光纤耦合装置之间的间隙通过填充胶体密封。
4.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其特征在于，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤在插入到插芯内之前先将端面进行平滑处理。
5.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配方法，其特征在于，采用气针将光纤耦合装置中间的密封空间抽成真空或向密封空间内充入气体。
6.一种空芯微结构光纤陀螺光路装配系统，其特征在于：包括空芯微结构光纤环圈及光纤耦合装置，所述光纤耦合装置包括装置本体及固定设于装置本体端部的插芯，插芯的直径小于装置本体的直径，装置本体内与插芯相对一端的端部密封固定安装有准直透镜，且装置本体安装准直透镜的一端与Y波导芯片接口耦合，装置本体的中部设有气口，空芯微结构光纤环圈的两个尾纤端部分别插入到相应的光纤耦合装置的插芯内并密封固定。
7.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配系统，其特征在于，插芯内径与尾纤外径相匹配，且插芯内径与尾纤外径之间通过胶体密封固定，装置本体与准直透镜之间通过胶体密封固定。
8.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺光路装配系统，其特征在于，所述气口包括金属护套、挡块及弹簧，所述金属护套与装置本体固定连接，金属护套侧壁上开设有通气孔，所述弹簧固定安装于金属护套内，所述挡块固定安装于弹簧的端部。
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