專利名稱：一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的一種高精度傳感器，其原理基于薩格奈克效應(yīng)當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)，光纖線圈內(nèi)沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩束光波之間產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)角速率Ω成正比的相位差，理想情況下，通過測(cè)量該相位差(^并進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，可以精確得到物體旋轉(zhuǎn)角速度。光纖陀螺是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、潛在精度高的新型全固態(tài)慣性器件，將成為慣性導(dǎo)航和戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域的主要儀表?，F(xiàn)在主要的干涉型光纖陀螺由單?；虮Ｆ饫w繞制而成。由于普通單模光纖制作的不完善以及使用狀態(tài)和使用環(huán)境的變化，破壞了理想光纖的對(duì)稱性并引起模式耦合，導(dǎo)致偏振串?dāng)_、偏振模色散等不利影響。在薩格奈克環(huán)形光纖干涉儀中給定一個(gè)位置，由于雙折射，兩束反向傳播光波經(jīng)歷的折射率并不相同，偏振態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，因而在輸出端產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差。盡管本地或局部感生雙折射的絕對(duì)值很小，但其效應(yīng)沿光纖是累積的，總的光纖雙折射累積效應(yīng)無(wú)疑會(huì)限制光纖陀螺的精度和實(shí)用性能。這一效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光纖陀螺的零位漂移和信號(hào)衰落。為降低這種影響，研究開發(fā)了保偏光纖，光纖陀螺中常用的大多數(shù)保偏光纖通過引入應(yīng)力結(jié)構(gòu)引起線性雙折射，外部擾動(dòng)引起的雙折射通常被這種內(nèi)部高雙折射“淹沒”。當(dāng)一束線偏振光在光纖輸入端沿其中一個(gè)雙折射主軸耦合進(jìn)光纖時(shí)，能在光纖中保持這種偏振態(tài)。但是對(duì)偏振穩(wěn)定度要求較高的系統(tǒng)，保偏光纖仍不能滿足要求。尤其是在溫度作用下，傳統(tǒng)保偏光纖應(yīng)力區(qū)的引入是獲得高雙折射的基礎(chǔ)，但當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力逐漸釋放，雙折射值逐漸減小乃至消失，致使傳統(tǒng)保偏光纖偏振特性的溫度穩(wěn)定性很差。因此，在光纖陀螺整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，傳統(tǒng)保偏光纖雙折射的變化會(huì)引起傳輸光保偏能力的變化、偏振耦合及串?dāng)_，從而使光纖陀螺產(chǎn)生較大的偏置誤差，影響其精度。光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF),是一種包層由空氣孔-石英沿軸向方向周期排列所構(gòu)成的新型光纖。PCF具有獨(dú)特的模式特性、損耗特性、耦合特性以及色散光纖等光學(xué)特性。同時(shí)，PCF靈活多樣的堆積拉絲工藝以及石英一空氣間較大的折射率差異，為高性能單偏振單模光纖的設(shè)計(jì)提供了寬廣的空間。因此，通過改變包層空氣孔的形狀、大小、排布方式等可以控制其結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足陀螺多種要求，并與其他器件匹配的光纖。為此，人們提出了更為理想的單偏振單模光子晶體光纖的概念，只保留單一偏振模式在光纖中傳輸，這樣可以從根本上解決偏振串?dāng)_、偏振模色散等問題，減小光纖陀螺的零位漂移和信號(hào)衰落，提高其精度
發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的是為了突破保偏光纖對(duì)光纖陀螺性能提高的限制，提供一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，本發(fā)明采用單模單偏振光子晶體光纖繞制光纖陀螺敏感環(huán)，通過對(duì)光子晶體光纖微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳輸光單模單偏振運(yùn)轉(zhuǎn)，從根本上解決光纖偏振串?dāng)_、偏振模色散等問題，減小光纖陀螺的零位漂移和信號(hào)衰落，提高光纖陀螺精度及溫度性 泛?！N基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，包括寬帶光纖光源、保偏光纖耦合器、光探測(cè)器、光學(xué)相位調(diào)制器和光纖敏感環(huán)；寬帶光纖光源發(fā)出偏振光，偏振光通過保偏光纖進(jìn)入保偏光纖稱合器，保偏光纖耦合器將光分為兩束，一束進(jìn)入空頭被衰減，另一束通過保偏光纖進(jìn)入光學(xué)相位調(diào)制器，光學(xué)相位調(diào)制器將光分為兩束，兩束光通過光學(xué)相位調(diào)制器內(nèi)單模單偏振光子晶體尾纖分別輸出至光纖敏感環(huán)的兩端，光纖敏感環(huán)米用單模單偏振光子晶體光纖繞制，兩束光在光纖敏感環(huán)內(nèi)分別順時(shí)針、逆時(shí)針進(jìn)行傳播，通過一端輸入，經(jīng)過光纖敏感環(huán)保持一個(gè)偏振態(tài)傳輸后，由另一端輸出，返回光學(xué)相位調(diào)制器，產(chǎn)生干涉，干涉光進(jìn)入保偏光纖耦合器，得到干涉信號(hào)，該干涉信號(hào)由光探測(cè)器探測(cè)接收，通過干涉信號(hào)，得到測(cè)量系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明采用單模單偏振PCF繞制光纖陀螺敏感環(huán)，僅基模的一個(gè)偏振分量在其中傳輸，因而可以消除偏振串?dāng)_、偏振依賴損耗等不利影響，減小偏振耦合所引起的偏置誤差，減小光纖陀螺零位漂移；(2)本發(fā)明的PCF雙折射是基于幾何形狀，因此，溫度變化對(duì)其雙折射的影響很小，PCF折射、保偏能力及偏振態(tài)的溫度敏感性小，具有較好的溫度穩(wěn)定性?？梢燥@著提高光纖陀螺溫度性能；(3 )通過改變PCF纖芯微結(jié)構(gòu)可獲得單模單偏振傳輸特性?；赑CF本身的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明抗機(jī)械振動(dòng)和溫度干擾能力強(qiáng)，能較好解決光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性，并且減小光纖陀螺的零位漂移，提高光纖陀螺精度。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的Y波導(dǎo)尾纖及光纖敏感環(huán)采用的單模單偏振光子晶體光纖；圖3是本發(fā)明的圖2中光纖的偏振模場(chǎng)分布；圖4是本發(fā)明的Y波導(dǎo)尾纖及光纖敏感環(huán)采用的單模單偏振光子晶體光纖；圖5是本發(fā)明的圖4中光纖的偏振模場(chǎng)分布；圖6是本發(fā)明的Y波導(dǎo)尾纖及光纖敏感環(huán)采用的單模單偏振光子晶體光纖圖7是本發(fā)明的圖6中光纖的偏振模場(chǎng)分布；圖中I 一寬帶光纖光源 2—保偏光纖耦合器 3—光探測(cè)器4 一光學(xué)相位調(diào)制器 5—光纖敏感環(huán)
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，如圖I所示，包括寬帶光纖光源I、保偏光纖稱合器2、光探測(cè)器3、光學(xué)相位調(diào)制器4和光纖敏感環(huán)5。寬帶光纖光源I發(fā)出偏振光，偏振光通過保偏光纖進(jìn)入保偏光纖稱合器2(保偏光纖的尾纖熔接進(jìn)入保偏光纖耦合器2)，保偏光纖耦合器2將光分為兩束，一束進(jìn)入空頭被衰減，另一束通過保偏光纖進(jìn)入光學(xué)相位調(diào)制器4，光學(xué)相位調(diào)制器4將光分為兩束，兩束光通過光學(xué)相位調(diào)制器4內(nèi)單模單偏振光子晶體尾纖分別輸出至光纖敏感環(huán)5的兩端，光纖敏感環(huán)5由經(jīng)過設(shè)計(jì)并符合性能測(cè)試要求的單模單偏振光子晶體光纖繞制。兩束光在光纖敏感環(huán)5內(nèi)分別順時(shí)針、逆時(shí)針進(jìn)行傳播，通過一端輸入，經(jīng)過光纖敏感環(huán)5保持一個(gè)偏振態(tài)傳輸后，由另一端輸出，返回光學(xué)相位調(diào)制器4，產(chǎn)生干涉，干涉光進(jìn)入保偏光纖耦合器2，得到干涉信號(hào)，該干涉信號(hào)由光探測(cè)器3探測(cè)接收，通過干涉信號(hào)，得到測(cè)量系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率。所述的集成光學(xué)相位調(diào)制器4與單模單偏振光子晶體光纖敏感環(huán)5之間采用直接 耦合方式連接。所述的光學(xué)相位調(diào)制器4為鈮酸鋰集成光學(xué)調(diào)制器(基于鈮酸鋰晶體的光學(xué)調(diào)制器)；集成光學(xué)相位調(diào)制器4是具有相位調(diào)制功能的集成光學(xué)Y分支，其尾纖為基于折射率匹配耦合機(jī)制的空心或?qū)嵭膯文纹窆庾泳w光纖，橫截面分別如圖2、4所示。所述的寬帶光纖光源I可采用諧振式光纖激光器、超熒光光纖光源、波長(zhǎng)掃描光纖激光器或SLD-EDFA串聯(lián)光纖。光譜譜寬范圍為IOnnTlOOOnm,中心波長(zhǎng)范圍為700nnT2000nm。采用寬帶光纖光源I，其光譜對(duì)溫度變化的敏感性比超發(fā)光二極管低f 2個(gè)數(shù)量級(jí)，提供更穩(wěn)定的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，改善光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。所述的光子晶體光纖敏感環(huán)5由單模單偏振光子晶體光纖(PCF)繞制而成，具有二維周期性結(jié)構(gòu)的，只保留單一偏振模式傳輸?shù)膯文纹窆庾泳w光纖，所述周期性結(jié)構(gòu)是由背景介質(zhì)和周期性分布排列在其中的介質(zhì)棒組成，橫截面呈平行六邊形。所述背景介質(zhì)是玻璃、塑料、聚合物或硅材料；介質(zhì)棒是折射率比背景材料低的玻璃、塑料、聚合物或空氣。圖2、4、6所示為本發(fā)明可采用的三種基于折射率匹配耦合機(jī)制的單模單偏振光子晶體光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)圖。淺色孔洞所示為構(gòu)成該光子晶體光纖微結(jié)構(gòu)的空氣孔，用以形成勢(shì)阱，將光波約束在光纖中心傳播，并維持偏振保持特性。深色結(jié)構(gòu)為均勻分布的SiO2材料。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)PCF微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，使得在單模單偏振PCF中，兩個(gè)正交的偏振基模有不同的截止波長(zhǎng)，在這兩個(gè)截止波長(zhǎng)之間，只有高折射率模式(慢軸)可以在纖芯內(nèi)傳播。將基模的一個(gè)偏振分量利用模式之間的能量耦合使其處在高泄漏或高損耗區(qū)而被衰耗掉，而將其正交方向上的另一偏振分量束縛在低損耗區(qū)進(jìn)行有效傳輸，利用這種模式之間的能量交換，實(shí)現(xiàn)光纖的單偏振單模傳輸，其偏振模場(chǎng)分布仿真分別如圖3、5、7所示，圖3為圖2所光纖的模場(chǎng)分布意圖。3-b中央亮斑表Y偏振模為低損耗模式，被約束在纖芯中穩(wěn)定傳輸。3-a中X偏振模式在中央傳輸和上下兩個(gè)小孔周圍均有模場(chǎng)能量分布,使中央傳導(dǎo)的能量隨傳輸距離延長(zhǎng)迅速衰減；圖5-a將X偏振模泄露在上下兩側(cè)，使Y偏振模式5-b集中在芯區(qū)中央傳導(dǎo)；同理，圖7-a的X偏振為傳導(dǎo)模式,7-b的Y偏振為泄露模式。這樣,米用單模單偏振PCF繞制光纖陀螺敏感環(huán),傳播光束僅有一個(gè)偏振態(tài),可以消除光纖中的偏振耦合串?dāng)_，大大減小光纖陀螺偏振誤差，減小光纖陀螺零漂。由于PCF受機(jī)械振動(dòng)和溫度變化的影響很小，克服了一直困擾保偏光纖陀螺環(huán)境性能差的弱點(diǎn)，提高了光纖陀螺的機(jī)械性能和溫度性能。 繞制方法采用四級(jí)對(duì)稱繞法，能很好地抵消外界因素對(duì)光纖線圈的影響，對(duì)光路互易起到補(bǔ)償作用。
權(quán)利要求
1.一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，包括寬帶光纖光源、保偏光纖耦合器、光探測(cè)器、光學(xué)相位調(diào)制器和光纖敏感環(huán)； 寬帶光纖光源發(fā)出偏振光，偏振光通過保偏光纖進(jìn)入保偏光纖稱合器，保偏光纖I禹合器將光分為兩束，一束進(jìn)入空頭被衰減，另一束通過保偏光纖進(jìn)入光學(xué)相位調(diào)制器，光學(xué)相位調(diào)制器將光分為兩束，兩束光通過光學(xué)相位調(diào)制器內(nèi)單模單偏振光子晶體尾纖分別輸出至光纖敏感環(huán)的兩端，光纖敏感環(huán)采用單模單偏振光子晶體光纖繞制，兩束光在光纖敏感環(huán)內(nèi)分別順時(shí)針、逆時(shí)針進(jìn)行傳播，通過一端輸入，經(jīng)過光纖敏感環(huán)保持一個(gè)偏振態(tài)傳輸后，由另一端輸出，返回光學(xué)相位調(diào)制器，產(chǎn)生干涉，干涉光進(jìn)入保偏光纖耦合器，得到干涉信號(hào)，該干涉信號(hào)由光探測(cè)器探測(cè)接收，通過干涉信號(hào)，得到測(cè)量系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，所述的集成光學(xué)相位調(diào)制器與光纖敏感環(huán)之間采用直接耦合方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，所述的光學(xué)相位調(diào)制器為鈮酸鋰集成光學(xué)調(diào)制器，具有相位調(diào)制功能的集成光學(xué)Y分支，其尾纖為基于折射率匹配耦合機(jī)制的空心或?qū)嵭膯文纹窆庾泳w光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，所述的寬帶光纖光源米用諧振式光纖激光器、超突光光纖光源、波長(zhǎng)掃描光纖激光器或SLD-EDFA串聯(lián)光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，所述的光子晶體光纖敏感環(huán)由單模單偏振光子晶體光纖繞制而成，單模單偏振光子晶體光纖為具有二維周期性結(jié)構(gòu)，保留單一偏振模式傳輸?shù)膯文纹窆庾泳w光纖，所述周期性結(jié)構(gòu)是由背景介質(zhì)和周期性分布排列在其中的介質(zhì)棒組成，橫截面呈平行六邊形，所述背景介質(zhì)是玻璃、塑料、聚合物或硅材料，介質(zhì)棒是折射率比背景材料低的玻璃、塑料、聚合物或空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，其特征在于，所述的光纖敏感環(huán)采用四級(jí)對(duì)稱繞法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單模單偏振光子晶體光纖的光纖陀螺，寬帶光纖光源發(fā)出偏振光，通過保偏光纖進(jìn)入保偏光纖耦合器，將光分為兩束，一束進(jìn)入空頭被衰減，另一束通過保偏光纖進(jìn)入光學(xué)相位調(diào)制器，光學(xué)相位調(diào)制器將光分為兩束，兩束光通過光學(xué)相位調(diào)制器內(nèi)單模單偏振光子晶體尾纖分別輸出至光纖敏感環(huán)的兩端，光纖敏感環(huán)采用單模單偏振光子晶體光纖繞制，兩束光在光纖敏感環(huán)內(nèi)分別順時(shí)針、逆時(shí)針進(jìn)行傳播，輸出的光返回光學(xué)相位調(diào)制器，產(chǎn)生干涉，干涉光進(jìn)入保偏光纖耦合器，得到干涉信號(hào)，光探測(cè)器探測(cè)通過干涉信號(hào)，得到測(cè)量系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率。本發(fā)明能有效減少光纖陀螺偏振誤差，減小光纖陀螺零漂，提高光纖陀螺的機(jī)械性能和溫度性能。
文檔編號(hào)G01C19/72GK102914299SQ201210359099
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者張春熹, 馬攀, 金靖, 徐小斌, 李彥, 姜漫 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)