CN114964203B - 一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法及系统 - 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用消偏方法及系统，包括如下流程：S1:偏振光通过偏振分束器分解为等量水平和垂直偏振光；S2:水平偏振光经可移动角锥反射镜后输出给法拉第反射镜；S3:法拉第反射镜偏振态旋转90°反射给可移动角锥反射镜，然后输出给偏振分束器；S4:偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；S5:垂直偏振光经过1/4波片、反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。本发明提供的方法可以保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定。

Description

一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法及系统
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用消偏方法及系统。
背景技术
空芯微结构光纤应用于光纤陀螺可根本性提升陀螺环境的适应性，以空气作为导光介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，具备理想的高稳定光传输能力，可支撑光纤陀螺满足快温变、大磁场、高辐照等恶劣环境下的应用新需求。空芯微结构光纤采用特定包层结构确立全新导光机制将光波高效地束缚在空气纤芯中传播，主要有两种类型，一是具有周期格点结构特征的空芯光子晶体光纤基于光子带隙效应构建导光机制，二是具有均匀玻璃壁厚结构特征的空芯反谐振光纤基于反谐振反射效应形成导光机制。
偏振相关误差是光纤陀螺的主要误差之一，通常光纤陀螺采用全保偏光路方案实现偏振相关的振幅型和强度型噪声的高效抑制。最佳情况下，陀螺用光纤，特别是光纤环圈所用光纤，应具备以高双折射率为特征的高保偏能力以实现线偏振光稳定地传输。传统实芯保偏光纤通过引入应力双折射和结构双折射获得保偏能力，典型的双折射率（△n）可以达10-4量级，满足光纤陀螺偏振控制应用需求。
然而，在空芯微结构光纤中实现高双折射率以具备优异的保偏能力难度较大。一方面，空芯微结构光纤将光波束缚在空气中传输，弹光效应对空气无效，应力双折射无法施加；另一方面，空芯微结构光纤工作在弱导状态下，结构调整空间有限，结构双折射作用微弱。目前，空芯微结构光纤仅能通过控制导光空气纤芯玻璃壁在两个垂直方向上的厚度差（纳米量级）以形成反交叉耦合效应实现高双折率。这种纳米量级的厚度差异对空芯微结构光纤拉制水平要求极高，难以在数千米的长距离空芯微结构光纤制备中稳定实现。另外光纤陀螺环圈所用光纤的长度直接决定了陀螺的精度水平，长距离空芯微结构光纤的偏振保持能力限制了其在高精度光纤陀螺中的应用。
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用消偏系统及方法，将传输在空芯微结构光纤环圈中的高偏振光转变为理想的非偏振光，可规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定，且使消偏后的光纤陀螺不再受限于长距离空芯微结构光纤的偏振保持能力。
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用消偏方法，其包括如下步骤：
S1: 光纤准直密封接头尾纤的偏振光与偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光；
S2:水平偏振光经光纤准直密封接头接收后准直输出透射光至可移动角锥反射镜后，形成回返平行光束并由光纤准直密封接头接收，然后输出给法拉第反射镜；
S3: 法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°经光纤准直密封接头接收后反射给可移动角锥反射镜，形成反射垂直光束并由光纤准直密封接头接收后准直输出给偏振分束器；
S4: 偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；
S5: 垂直偏振光经过1/4波片后由反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。
进一步，步骤S5中的垂直偏振光先经过可调光圈调整后再经过1/4波片。
一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其包括输入端光纤准直密封接头、1/4波片、反射镜、输出端光纤准直密封接头、偏振分束器、多个透视端光纤准直密封接头、可移动角锥反射镜及法拉第反射镜，输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，输入端光纤准直密封接头的输出端与偏振分束器的输入端准直耦合，输出端光纤准直密封接头的输入端与偏振分束器的输出端准直耦合，所述1/4波片及反射镜依次固定于偏振分束器的反射端，且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，第一透视端光纤准直密封接头的输入端与偏振分束器的透视端准直耦合，第一透视端光纤准直密封接头的输出端与第二透视端光纤准直密封接头的输入端之间通过光纤连接，第二透视端光纤准直密封接头的输出端与可移动角锥反射镜准直耦合，可移动角锥反射镜再与第三透视端光纤准直密封接头准直耦合，第三透视端光纤准直密封接头通过光纤与法拉第反射镜连接。
进一步，偏振分束器的反射端与1/4波片之间安装有可调光圈。
优化的，可调光圈、1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定。
进一步，输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头透视端光纤准直密封接头及分别包括尾纤、陶瓷插芯、透镜、金属护套及密封胶圈，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，且陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，所述尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯。
优化的，斜面倾斜的角度为8°。
优化的，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤。
优化的，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤。
优化的，连接于第一透视端光纤准直密封接头输出端与第二透视端光纤准直密封接头输入端之间的光纤以及连接于第三透视端光纤准直密封接头与法拉第反射镜之间的光纤均为普通光纤。
发明的有益效果
本发明提供的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法及系统，具有如下优点：
1.偏振光与偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光，最终两路光在共同输出端口输出合束，形成两正交偏振轴上等幅值的光波，并且由于可移动角锥反射镜的位置可调，可以使两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，进而总体上呈现非偏振光（偏振度为0）效果，可规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定。
2.由于偏振分束器的反射端与1/4波片之间安装有可调光圈，可调光圈通过改变通光孔径可以调整传输损耗，以补偿透射端与反射端的传输损耗差异，用于消除系统的偏振相关损耗（PDL）。
3.可移动角锥反射镜的位置可调，使消偏系统具备光程差可调功能，适用于任意线宽的陀螺光源的消偏处理，扩展了陀螺光源的选择范围，可支撑窄线宽激光器在陀螺中的应用，同时具备两正交偏振轴上光传输功率匹配功能，以抑制消偏系统的偏振。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是光纤准直密封接头结构示意图；
图3是可调光圈光圈调节示意图；
图4是空芯微结构光纤结构示意图；
图中：1.输入端光纤准直密封接头，2. 偏振分束器，3.可调光圈，4.1/4波片，5.反射镜，6.第一透视端光纤准直密封接头，7.第二透视端光纤准直密封接头，8.可移动角锥反射镜，9.第三透视端光纤准直密封接头，10. 法拉第反射镜，11. 输出端光纤准直密封接头，12.尾纤，13.陶瓷插芯，14. 透镜，15. 密封胶圈，16.金属护套，17.粘接胶体，18.叶片组，19.拨片。
具体实施方式
一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法，其包括如下步骤：
S1: 光纤准直密封接头尾纤的偏振光与偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光；
S2:水平偏振光经光纤准直密封接头接收后准直输出透射光至可移动角锥反射镜后，形成回返平行光束并由光纤准直密封接头接收，然后输出给法拉第反射镜；
S3: 法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°经光纤准直密封接头接收后反射给可移动角锥反射镜，形成反射垂直光束并由光纤准直密封接头接收后准直输出给偏振分束器；
S4: 偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；
S5: 垂直偏振光经过1/4波片后由反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。
进一步，步骤S5中的垂直偏振光先经过可调光圈调整后再经过1/4波片。可调光圈可以改变通光孔径来调整传输损耗，以补偿偏振分束器两束光的传输损耗差异，用于消除系统的偏振相关损耗（PDL）。
一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，具体如附图1所示，其包括输入端光纤准直密封接头1、1/4波片4、反射镜5、输出端光纤准直密封接头11、偏振分束器2、多个透视端光纤准直密封接头、可移动角锥反射镜8及法拉第反射镜10。
输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，输入端光经光纤准直密封接头可以起到收集并传输光束的作用，并且其慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，可以使入射光至偏振分束器后，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。
消偏系统的输入端光纤准直密封接头的输出端与偏振分束器的输入端准直耦合，输出端光纤准直密封接头的输入端与偏振分束器的输出端准直耦合，1/4波片及反射镜依次固定于偏振分束器的反射端，且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角。由于1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，可以使垂直偏振光的偏振态发生转变，垂直偏振光经过1/4波片再由反射镜反射后，再经过1/4波片后，可以转变为平行偏振光，以便从偏振分束器的偏振分束器输出端口透射输出。
第一透视端光纤准直密封接头6的输入端与偏振分束器的透视端准直耦合，第一透视端光纤准直密封接头的输出端与第二透视端光纤准直密封接头7的输入端之间通过光纤连接，第二透视端光纤准直密封接头的输出端与可移动角锥反射镜准直耦合，可移动角锥反射镜再与第三透视端光纤准直密封接头9准直耦合，第三透视端光纤准直密封接头通过光纤与法拉第反射镜连接。可以使水平偏振光经光纤准直密封接头接收后准直输出透射光至可移动角锥反射镜后，形成回返平行光束并由光纤准直密封接头接收，然后输出给法拉第反射镜，法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°经光纤准直密封接头接收后反射给可移动角锥反射镜，形成反射垂直光束并由光纤准直密封接头接收后准直输出给偏振分束器，偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出。
第一透视端光纤准直密封接头、第二透视端光纤准直密封接头及第三透视端光纤准直密封接头均可以起到收集并传输光束的作用。
通过调节可移动角锥反射镜的位置，可以调节消偏系统输出的两束光波的光程差，使两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，从而使其总体上呈现非偏振光（偏振度为0）效果，可规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比稳定。
并且由于可移动角锥反射镜的位置可调，使消偏系统可适用于任意线宽的陀螺光源的消偏处理，扩展了陀螺光源的选择范围，可支撑窄线宽激光器在陀螺中的应用，同时具备两正交偏振轴上光传输功率匹配功能，以抑制消偏器的偏振。
法拉第反射镜的设置，可以将透射光反射并使其偏振态旋转90°确保原路返回的透射光抵达偏振分束器时转变成垂直偏振光，垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出。
进一步，偏振分束器的反射端与1/4波片之间安装有可调光圈3，可调光圈为现有技术，不做赘述。具体结构可如附图3所示，可调光圈是由叶片组18构成，当拨片19转动时可带动叶片移动并展开，形成中央孔径可变的效果，通过改变通光面积以实现对透过中央孔的光强大小的调节功能。可调光圈的设置，可以改变通光孔径来调整传输损耗，以补偿偏振分束器两束光的传输损耗差异，用于消除系统的偏振相关损耗（PDL）。
优化的，可调光圈、1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定，方便可调光圈、1/4波片及反射镜与偏振分束器之间的固定安装。
进一步，输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头透视端光纤准直密封接头及分别包括尾纤12、陶瓷插芯13、透镜14、金属护套16及密封胶圈15，具体结构如附图2所示，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，且陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，陶瓷插芯前端面为斜面，透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，可以抑制端面反射形成回返光。透镜的前端面可以镀增透膜，提高透射效果。
尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯，并且尾纤外表面与陶瓷插芯内孔之间可以涂覆粘接胶体17加固连接。
优化的，斜面倾斜的角度为8°，可以更好的抑制端面反射形成回返光。
优化的，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤，方便与Y波导尾纤类型匹配。
优化的，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤，方便与陀螺环圈光纤类型匹配。空芯微结构光纤可以是空芯反谐振光纤、空芯光子晶体光纤，也可以是其他类型的空芯微结构光纤，具体结构可参见附图4。
优化的，连接于第一透视端光纤准直密封接头输出端与第二透视端光纤准直密封接头输入端之间的光纤以及连接于第三透视端光纤准直密封接头与法拉第反射镜之间的光纤均为普通光纤，可以增加光纤准直密封接头的适用范围。
本发明保护的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，Y波导（未示出）的两个尾纤分别连接相应消偏系统的输入端光纤准直密封接头的尾纤，陀螺环圈（未示出）的两个尾纤分别连接相应消偏系统的输出端光纤准直密封接头的尾纤形成闭环。消偏系统工作时，输入端光纤准直密封接头尾纤的偏振光与偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光从偏振分束器透射端输出透射光至可移动角锥反射镜后，形成回返平行光束输出给法拉第反射镜，法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°再反射给可移动角锥反射镜，然后输出给偏振分束器，偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；垂直偏振光经过1/4波片后由反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。这两束光在共同输出端口输出合束，形成两正交偏振轴上等幅值的光波，且通过调节可移动角锥反射镜的位置，可以使两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，进而使这两束光总体上呈现非偏振光效果，从而规避非保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，保证总有50%的光可返回通过Y波导的通光轴，从而保证空芯微结构光纤陀螺输出信噪比的稳定性，使光纤陀螺不再受限于长距离空芯微结构光纤的偏振保持能力。
并且由于可移动角锥反射镜的设置，使得该系统具备光程差可调功能，适用于任意线宽的陀螺光源的消偏处理，扩展了陀螺光源的选择范围，可支撑窄线宽激光器在陀螺中的应用；同时具备两正交偏振轴上光传输功率匹配功能，以抑制消偏系统的偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss， PDL），确保输出光为理想的非偏振光（偏振度为0）。
综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法及系统，通过偏振分束器、可移动角锥反射镜、法拉第反射镜、1/4波片及反射镜的设置，使得最终从偏振分束器输出端输出两路正交偏振轴上等幅值的光波，且两光波之间的光程差大于光源的去相干长度，从而规避了保偏空芯微结构光纤受温度、应力、磁场等环境引起的光偏振态变化导致陀螺干涉信号衰落的问题，保证总有50%的光可返回通过Y波导的通光轴，从而保证了空芯微结构光纤陀螺输出信噪比的稳定性，并且适用于任意线宽的陀螺光源的消偏处理。
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 (10)

1.一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1: 光纤准直密封接头尾纤的偏振光与偏振分束器透射光轴呈45°夹角入射至偏振分束器，分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光；
S2:水平偏振光经光纤准直密封接头接收后准直输出透射光至可移动角锥反射镜后，形成回返平行光束并由光纤准直密封接头接收，然后输出给法拉第反射镜；
S3: 法拉第反射镜将接收的透射光偏振态旋转90°经光纤准直密封接头接收后反射给可移动角锥反射镜，形成反射垂直光束并由光纤准直密封接头接收后准直输出给偏振分束器；
S4: 偏振分束器将垂直光束转变成垂直偏振光从偏振分束器输出端口反射输出；
S5: 垂直偏振光经过1/4波片后由反射镜反射后，再经1/4波片转变为平行偏振光从偏振分束器输出端口透射输出。
2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏方法，其特征在于，步骤S5中的垂直偏振光先经过可调光圈调整后再经过1/4波片。
3.一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，包括输入端光纤准直密封接头、1/4波片、反射镜、输出端光纤准直密封接头、偏振分束器、多个透视端光纤准直密封接头、可移动角锥反射镜及法拉第反射镜，输入端光纤准直密封接头的慢轴与偏振分束器透射光轴呈45°夹角，输入端光纤准直密封接头的输出端与偏振分束器的输入端准直耦合，输出端光纤准直密封接头的输入端与偏振分束器的输出端准直耦合，所述1/4波片及反射镜依次固定于偏振分束器的反射端，且1/4波片的光轴与偏振分束器反射光轴呈45°夹角，第一透视端光纤准直密封接头的输入端与偏振分束器的透视端准直耦合，第一透视端光纤准直密封接头的输出端与第二透视端光纤准直密封接头的输入端之间通过光纤连接，第二透视端光纤准直密封接头的输出端与可移动角锥反射镜准直耦合，可移动角锥反射镜再与第三透视端光纤准直密封接头准直耦合，第三透视端光纤准直密封接头通过光纤与法拉第反射镜连接。
4.根据权利要求3所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，偏振分束器的反射端与1/4波片之间安装有可调光圈。
5.根据权利要求4所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，可调光圈、1/4波片及反射镜与偏振分束器的反射端依次粘贴固定。
6.根据权利要求3或4所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，输入端光纤准直密封接头、输出端光纤准直密封接头透视端光纤准直密封接头及分别包括尾纤、陶瓷插芯、透镜、金属护套及密封胶圈，所述陶瓷插芯安装于金属护套内且两端通过密封胶圈与金属护套密封固定，陶瓷插芯前端面为斜面，所述透镜固定安装于金属护套的前端且透镜的后端面为与陶瓷插芯前端面配合的斜面，所述尾纤固定插装于陶瓷插芯内且尾纤前端伸出陶瓷插芯。
7.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，所述斜面倾斜的角度为8°。
8.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，输入端光纤准直密封接头的尾纤为传统熊猫型保偏光纤。
9.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，输出端光纤准直密封接头的尾纤为空芯微结构光纤。
10.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤陀螺用消偏系统，其特征在于，连接于第一透视端光纤准直密封接头输出端与第二透视端光纤准直密封接头输入端之间的尾纤以及连接于第三透视端光纤准直密封接头与法拉第反射镜之间的尾纤均为普通光纤。
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