CN116026308B - 一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法 - Google Patents

一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法，包括如下流程：确定高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类；在宽带光源后耦合模式转换器将宽带光源输出的基模LP01向所需多种高阶模式进行转换；将模式转换器、保偏分束器、Y波导、光纤陀螺环圈依次耦合，探测器输入端与保偏分束器的探测端连接，探测器输出端与调制解调模块输入端连接，调制解调模块输出端与Y波导反馈端连接装配形成高阶模空芯光纤陀螺。本发明提供的方法可以实现高阶模式在光纤陀螺光路中的激发、传输及角速度传感应用，从而减小复杂温度环境下的非互易性误差，满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。

Description

一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法。
背景技术
作为惯性导航领域的主流元件，光纤陀螺具有精度高、动态范围宽以及结构简单等优点。传统光纤陀螺的结构组成包括宽带光源（ASE光源）、保偏分束器、Y波导、光纤环圈，探测器以及解调线路等，光纤陀螺的各光学器件均由单模光纤研制而成，光从宽带光源中出射以后以基模LP01的传导模式进入保偏分束器及陀螺后续光路中从而实现对载体角速率变化的敏感和解调。现有的光纤陀螺是基模/单模光纤陀螺，工作原理均为萨格奈克效应，面临的主要非互易性误差是温度Shupe效应导致的陀螺零偏漂移，Shupe效应对光纤陀螺的影响主要是由于非对称温度变化导致光纤陀螺环圈中传导模式有效折射率的变化引起的，因此在光纤陀螺原理基础之上，通过控制光纤环圈中的模式种类及模式有效折射率的温敏特性是改善光纤陀螺环境适应性的一种重要技术手段，具有技术先进性。
光纤模式是指光纤在导光状态下内部的电磁场分布，光纤能支持的模式数量与入射光的波长、光纤的几何参数以及折射率分布有关。特定波长下，仅支持一种模式传输的光纤称为单模光纤，支持多种模式传输的光纤称为多模光纤。一般来说，多模光纤支持的模式数量为数十到上百个。特别地，支持的模式数量介于单模光纤与多模光纤之间的光纤，被称为少模光纤。通常而言，高阶模式的有效折射率温敏系数是低于基模有效折射率温敏系数的，这将大幅降低光纤的Shupe系数，从而提高光纤陀螺的温度稳定性。高阶模式指光在光纤中的传输方式，用以描述光纤中光的传输速度，是由光纤本征方程决定的，光纤本征方程只有一个解时表示光纤为单模光纤，只能传输基模LP01，传统光纤陀螺均为单模低阶形式，无法抑制光纤陀螺的主要非互易性误差，不能满足惯性导航系统高精度、长航时、小体积应用的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法，将模式转换器应用于光纤陀螺，形成高阶模空芯光纤陀螺，可以实现高阶模式在光纤陀螺光路中的激发和传输，利用高阶模式有效折射率的低温敏特性可以进一步降低光纤陀螺环圈的Shupe系数，从而减小复杂温度环境下的非互易性误差，满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其包括如下过程：
S1:根据空芯光纤中各模式有效折射率的温敏系数确定高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类；
高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类确定时，首先根据有限元法计算出绕制光纤环圈所用的空芯光纤纤芯存在的所有高阶模式种类，然后再计算出不同温度下空芯光纤纤芯所有高阶模式的有效折射率，并绘制所有高阶模式有效折射率随温度变化的曲线，曲线斜率最小的高阶模式作为高阶模空芯光纤陀螺拟采用的高阶模式种类。
S2:在宽带光源后耦合模式转换器，并通过模式转换器将宽带光源输出的基模LP01向所需多种高阶模式进行转换；
S3:利用少模光纤制作保偏分束器和Y波导，利用空芯光纤绕制光纤陀螺环圈；
S4:将模式转换器的输出端与保偏分束器的输入端耦合，保偏分束器的输出端与Y波导的输入端耦合，Y波导的两个尾纤与光纤陀螺环圈的两个尾纤耦合，探测器输入端与保偏分束器的探测端连接，探测器输出端与调制解调模块输入端连接，调制解调模块输出端与Y波导反馈端连接装配形成高阶模空芯光纤陀螺。
进一步，模式转换器的制作方法包括如下步骤：
D1:选择多根单模光纤，并分别去除中部的涂覆层；
D2:根据耦合模原理确定相应高阶模式所需预拉锥包层直径；
D3:将多根单模光纤中部去除涂覆层的区域分别通过火焰拉锥机进行预拉锥至所需包层直径；
D4:将多根经预拉锥的单模光纤中部去除涂覆层的区域缠绕在一起并固定后，再将缠绕区域进行拉伸，使缠绕区域末端多根单模光纤纤芯融化消失并使包层合束为一体形成新纤芯，且新纤芯直径与S3中少模光纤纤芯直径一致；
D5:将新纤芯后方多余的多根单模光纤切掉；
D6:将玻璃套管进行预拉锥至末端内径与新纤芯直径相同；
D7:将D5制得的光纤插入D6制得的玻璃套管内并与玻璃套管固定形成模式转换器。
优选的单模光纤的包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。
优选的，单模光纤的根数为三根，在进行预拉锥时，第一根单模光纤预拉锥至包层直径为95.3μm，第二根单模光纤预拉锥至包层直径为75.8μm，第三根单模光纤预拉锥至包层直径为54.5μm。
优选的，去除涂覆层的区域长度为5-10mm。
按照上述制作方法就可以制作而成高阶模空芯光纤陀螺。
发明的有益效果
本发明提供的一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法，具有如下优点：
1.本发明提供的高阶模空芯光纤陀螺结构简单，原理新颖，通过模式转换器可以灵活调整高阶模种类，从原理方案上实现提高光纤陀螺的环境适应性的目的，从而大幅提升了光纤陀螺性能，能够满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
2.通过本方法制作而成的模式转换器，制作方法简单，结构小巧，精度高，适合高阶模空芯光纤陀螺的使用要求，从而实现多种高阶模式在光纤陀螺光路中的激发和传输，利用高阶模式有效折射率的低温敏特性可以进一步降低光纤陀螺环圈的Shupe系数，从而减小复杂温度环境下的非互易性误差。
附图说明
图1是高阶模空芯光纤陀螺结构示意图。
图2是各模式有效折射率随温度变化的曲线图。
图3是模式转换器结构示意图。
图中：1.宽带光源，2.模式转换器，3.保偏分束器，4.Y波导，5.光纤陀螺环圈，6.探测器，7.调制解调模块，8.基模LP01，9.单模光纤，10.玻璃套管，11.模式转换器输出端，12.高阶模LP11，13.高阶模LP12，14.高阶模LP02，15.单模光纤包层，16.单模光纤纤芯。
具体实施方式
一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其包括如下过程：
S1:根据空芯光纤中各模式有效折射率的温敏系数确定高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类。这里所述的高阶模包括高阶模LP11、高阶模LP12、高阶模LP02、高阶模LP21、高阶模LP31、高阶模LP22、高阶模LP41以及更高阶的光纤模式。
由于绕制光纤环圈采用的空芯光纤型号不同，空芯光纤纤芯存在的模式种类也会有所不同，最终确定的高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类也就不同。
具体高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类确定时，首先可以根据有限元法计算出绕制光纤环圈所用的空芯光纤纤芯存在的所有模式种类，然后再计算出不同温度下空芯光纤纤芯各模式的有效折射率，并绘制各模式有效折射率随温度变化的曲线，具体各模式有效折射率随温度变化的曲线如附图2所示，选择曲线斜率最小的高阶模式作为高阶模空芯光纤陀螺你采用的高阶模式种类，因为曲线斜率最小，其有效折射率温敏系数也最小，热致速率误差的抑制会更加显著。从而可以减小光纤陀螺复杂温度环境下的非互易性误差，提升了光纤陀螺性能，使光纤陀螺能够满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
S2:在宽带光源1后耦合模式转换器2，并通过模式转换器将宽带光源输出的基模LP018向所需多种高阶模式进行转换；通过宽带光源的输出端分别与模式转换器的各输入端耦合连接，实现基模LP01向所需多种高阶模式种类的转换。
通过设置一个模式转换器，制作高阶模空芯光纤陀螺时，可以根据步骤S1确定的高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类，通过模式转换器的转换，使模式转换器的输出端完成基模LP01向所需高阶模式种类的转换后再与其他部件进行装配形成所需模式的高阶模空芯光纤陀螺，应用于其他高阶模空芯光纤陀螺时，再通过步骤S1确定好高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类，然后再通过模式转换器的转换，使模式转换器的输出端完成基模LP01向所需高阶模式种类的转换后再与其他部件进行装配形成所需模式的高阶模空芯光纤陀螺。
S3:利用少模光纤制作保偏分束器3、Y波导4，利用空芯光纤绕制光纤陀螺环圈5；
S4:将模式转换器输出端11与保偏分束器的输入端耦合，保偏分束器的输出端与Y波导的输入端耦合，Y波导的两个尾纤与光纤陀螺环圈的两个尾纤耦合，探测器6输入端与保偏分束器的探测端连接，探测器输出端与调制解调模块7输入端连接，调制解调模块输出端与Y波导反馈端连接装配形成高阶模空芯光纤陀螺。
采用本方法制作的高阶模空芯光纤陀螺结构示意图如附图1所示：
根据光纤陀螺Shupe误差原理，Shupe效应引起的非互易相移误差由光纤线圈中位置不对称的温度扰动引起，不对称温度分布引起的光纤陀螺输出漂移如式（1）所示：
Figure SMS_1
(1)
式中：
Figure SMS_3
是自由空间的传播常数，/>
Figure SMS_6
为光纤中不同模式对应的光速，
Figure SMS_8
为光纤陀螺环圈温度变化率，/>
Figure SMS_4
为光纤环圈长度，/>
Figure SMS_7
为光波长，/>
Figure SMS_9
表示光纤位置参数，/>
Figure SMS_10
是时间，/>
Figure SMS_2
是光纤模式的有效折射率，/>
Figure SMS_5
为温度；
光纤陀螺旋转引起的相位差
Figure SMS_11
与转速/>
Figure SMS_12
的关系为式（2）：
Figure SMS_13
(2)
Figure SMS_14
是光纤环圈直径，/>
Figure SMS_15
为光纤中的光速；
则热瞬变过程引起的近似转速误差表示为式（3）：
Figure SMS_16
(3)
在光纤环圈绕制固化完毕以后，与转速误差相关的环圈参数项
Figure SMS_17
基本固定，由式（3）可以看出，环境温度引起的转速误差除了与该段光纤上的温度变化率/>
Figure SMS_18
和与位置有关的权因子/>
Figure SMS_19
成正比外，还与光纤环圈中传导的模式有效折射率/>
Figure SMS_20
以及有效折射率随温度的变化率/>
Figure SMS_21
相关，一般而言，空芯微结构光纤中的各模式有效折射率基本相当，
Figure SMS_22
，但是模式有效折射率的温敏变化系数却存在较大差别，如附图2所示。
因此通过控制空芯光纤陀螺光路中的模式种类，选择低温敏系数的模式作为传输和传感模式将根本性地提高光纤陀螺的环境适应性。
本申请宽带光源输出的光为基模光，在宽带光源后面集成一个模式转换器，可以通过相位调制将基模转换成所需高阶模，高阶模在由少模光纤制作而成的保偏光纤耦合器、Y波导中低损耗传输，在Y波导输出端分为两束光进入光纤陀螺环圈并作为传感头敏感载体角速率变化，其后两束高阶模传导光重新回到Y波导发生干涉，最后进入探测器转换成光强信号并通过调制解调模块对角速率进行解调。由于高阶模式的有效折射率温敏系数小于基模，因此热致速率误差的抑制将更加显著，从而减小复杂温度环境下的非互易性误差，提升了光纤陀螺性能，使光纤陀螺能够满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
空芯微结构光纤中LP01、LP11、LP12、LP02等主要模式的有效折射率温敏系数变化规律，可以通过有限元法在10-60℃的温度范围内分别计算得出，这里的有限元计算为现有技术，不再赘述。
在本发明中通过模式转换器可以灵活选择和激发空芯光纤陀螺中工作的高阶模式，从而根据应用需求灵活调整陀螺性能，使光纤陀螺具有动态性能调节的功能。
进一步，模式转换器的制作方法包括如下步骤：
D1:选择多根单模光纤9，并分别去除中部的涂覆层，方便对该区域进行预拉锥及拉锥处理；
D2:根据耦合模原理确定相应高阶模式所需预拉锥包层直径；
D3:将多根单模光纤中部去除涂覆层的区域分别通过火焰拉锥机进行预拉锥至所需包层直径；
D4:将多根经预拉锥的单模光纤中部去除涂覆层的区域缠绕在一起并固定后，再将缠绕区域进行拉伸，使缠绕区域末端多根单模光纤纤芯16融化消失并使包层合束为一体形成新纤芯，且新纤芯直径与S3中少模光纤纤芯直径一致；现有的少模光纤一般纤芯直径为25μm。
根据耦合模原理，在光纤一定的拉锥直径参数下，当基模的有效折射率与高阶模式的有效折射率相等时，即会发生强烈的能量转换过程，即输入的基模转换成输出光波导中的高阶模，因此基于耦合模原理确定相应高阶模式所需预拉锥包层直径后进行拉锥，就可以将输入的基模转换成输出光波导中的高阶模，这里的耦合模原理为公知常识。
D5:将新纤芯后方多余的多根单模光纤切掉；缠绕区域形成新纤芯后，后方由于拉伸留出的去除涂覆层部分为多余的单模光纤，因此需要去除。
D6:将玻璃套管10进行预拉锥至末端内径与新纤芯直径相同；这里的玻璃套管可以采用折射率为1.443，内径为300μm，外径为1200μm 的石英毛细玻璃管。
D7:将D5制得的光纤插入D6制得的玻璃套管内并与玻璃套管固定形成模式转换器。
模式转换器可以实现基模LP01向高阶模式的转换，现有的模式转换器包括空间元器件和全光纤器件两大类型，主要应用于通讯领域。
基于空间元器件的模式转换器包括相位盘、空间光调制器、衍射相位全息图、超材料表面、柱棱镜对、Q 盘、微环谐振器等，这些器件的工作原理均为对入射到该器件的基模的相位、振幅、偏振等参数信息进行调控，实现特定高阶模式的激发。
基于全光纤器件的模式转换器包括光子灯笼、光纤光栅、模式选择耦合器、微结构光纤以及错位熔接光纤等。
现有的模式转换器结构都比较复杂，应用于光纤陀螺势必会影响光纤陀螺的体积及重量。而按照本专利方法制作而成的模式转换器，具体结构如附图3所示，图中空心箭头所指图像为模式转换器相应剖面处的单模光纤形状。模式转换器的制作方法便捷，结构简单体积小巧，更加适宜应用于高阶模空芯光纤陀螺。
优选的，单模光纤包层15直径为125μm，涂覆层直径为250μm，此种型号的光纤是目前我国普遍使用的，具有很强的通用性。
优选的，单模光纤的根数为三根，在进行预拉锥时，第一根单模光纤预拉锥至包层直径为95.3μm，基模模式的光源通过此单模光纤输入，就可以转换成高阶模LP1112的高模模式输出；第二根单模光纤预拉锥至包层直径为75.8μm，基模模式的光源通过此单模光纤输入，就可以转换成高阶模LP1213的高模模式输出；第三根单模光纤预拉锥至包层直径为54.5μm，基模模式的光源通过此单模光纤输入，就可以转换成高阶模LP0214的高模模式输出。
优选的，去除涂覆层的区域长度为5-10mm。
按照上述制作方法制作而成的高阶模空芯光纤陀螺，结构简单，原理新颖，通过模式转换器可以灵活调整高阶模种类，从原理方案上实现提高光纤陀螺的环境适应性的目的，从而大幅提升光纤陀螺性能，以满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
综上所述，本发明提出的一种高阶模空芯光纤陀螺及制作方法，可以实现高阶模式在光纤陀螺光路中的激发、传输和角速度传感应用，利用高阶模式有效折射率的低温敏特性可以进一步降低光纤陀螺环圈的Shupe系数，从而减小复杂温度环境下的非互易性误差，满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
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 (7)

1.一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，包括如下过程：
S1:根据空芯光纤中各模式有效折射率的温敏系数确定高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类；
S2:在宽带光源后耦合模式转换器，并通过模式转换器将宽带光源输出的基模LP01向所需多种高阶模式进行转换；
S3:利用少模光纤制作保偏分束器和Y波导，利用空芯光纤绕制光纤陀螺环圈；
S4:将模式转换器输出端与保偏分束器输入端耦合，保偏分束器输出端与Y波导的输入端耦合，Y波导的两个尾纤与光纤陀螺环圈两个尾纤耦合，探测器输入端与保偏分束器探测端连接，探测器输出端与调制解调模块输入端连接，调制解调模块输出端与Y波导反馈端连接装配形成高阶模空芯光纤陀螺。
2.根据权利要求1所述的一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，模式转换器的制作方法包括如下步骤：
D1:选择多根单模光纤，并分别去除中部的涂覆层；
D2:根据耦合模原理确定相应高阶模式所需预拉锥包层直径；
D3:将多根单模光纤中部去除涂覆层的区域分别通过火焰拉锥机进行预拉锥至所需包层直径；
D4:将多根经预拉锥的单模光纤中部去除涂覆层的区域缠绕在一起并固定后，再将缠绕区域进行拉伸，使缠绕区域末端多根单模光纤纤芯融化消失并使包层合束为一体形成新纤芯，且新纤芯直径与S3中少模光纤纤芯直径一致；
D5:将新纤芯后方多余的多根单模光纤切掉；
D6:将玻璃套管进行预拉锥至末端内径与新纤芯直径相同；
D7:将D5制得的光纤插入D6制得的玻璃套管内并与玻璃套管固定形成模式转换器。
3.根据权利要求2所述的一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，单模光纤包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。
4.根据权利要求3所述的一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，单模光纤的根数为三根，在进行预拉锥时，第一根单模光纤预拉锥至包层直径为95.3μm，第二根单模光纤预拉锥至包层直径为75.8μm，第三根单模光纤预拉锥至包层直径为54.5μm。
5.根据权利要求2所述的一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，去除涂覆层的区域长度为5-10mm。
6.根据权利要求1所述的一种高阶模空芯光纤陀螺的制作方法，其特征在于，高阶模空芯光纤陀螺所需高阶模式种类确定时，首先根据有限元法计算出绕制光纤环圈所用的空芯光纤纤芯存在的所有高阶模式种类，然后再计算出不同温度下空芯光纤纤芯所有高阶模式的有效折射率，并绘制所有高阶模式有效折射率随温度变化的曲线，曲线斜率最小的高阶模式作为高阶模空芯光纤陀螺拟采用的高阶模式种类。
7.一种高阶模空芯光纤陀螺，其特征在于，高阶模空芯光纤陀螺根据权利要求1-6任一项所述的制作方法制作而成。
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