一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出了一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔，涉及光子晶體光纖， 光纖陀螺儀表，尤其是諧振型光纖陀螺領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺是一種全固態(tài)陀螺儀表，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)范圍大、振動(dòng)不敏 感、體積小、重量輕、適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，且可達(dá)到很高的精度。其中干涉式光纖陀螺由 于需要采用較長(zhǎng)的光纖繞制光纖環(huán)，因此存在著環(huán)境敏感性過(guò)大等缺點(diǎn)，尤其是在外部存 在溫度變化時(shí)，光纖陀螺的性能指標(biāo)往往要下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)光纖環(huán) 的繞制方法，以及完善信號(hào)檢測(cè)方案和采取外部屏蔽部件，可以在一定程度上解決環(huán)境適 應(yīng)性，但同時(shí)也帶來(lái)了成本高、體積大、質(zhì)量重、功耗高、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低等一系列附 加問(wèn)題。諧振型光纖陀螺可以用較短的光纖構(gòu)成陀螺光路，在同等精度的情況下，其光纖長(zhǎng) 度僅為干涉式的1/10~1/100,尺寸也可以比激光陀螺更小。然而諧振型光纖陀螺目前依 然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，阻礙其向高精度和實(shí)用化發(fā)展的主要原因包括由光纖分束器構(gòu)成的光 纖諧振腔中非線性效應(yīng)，溫度所致的應(yīng)力變化導(dǎo)致的漂移以及隨機(jī)偏振耦合引起的偏振非 互易性等。
[0003] 空芯光子晶體光纖是一種較新的光纖，不同于傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射導(dǎo)光原理，空 芯光子晶體光纖是利用光子帶隙效應(yīng)使光能被約束在空氣中傳輸。導(dǎo)光纖芯變成空氣，而 不是傳統(tǒng)的摻雜高濃度硅纖芯，優(yōu)點(diǎn)在于傳輸性能不再受到纖芯的材料因素限制。傳統(tǒng)光 纖的損傷閾值、衰減、非線性效應(yīng)和群速度色散等現(xiàn)象都與纖芯材料有關(guān)，而空芯光子晶體 光纖通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)將超過(guò)99%的光約束在空氣中傳播，不僅大大降低了 波導(dǎo)材料對(duì)光傳輸特性的影響，而且傳輸損耗極低。因此在很多領(lǐng)域內(nèi)，空芯光子晶體光纖 比傳統(tǒng)光纖更具優(yōu)勢(shì)。
[0004] 限制空芯光子晶體光纖應(yīng)用的最大問(wèn)題是缺乏一個(gè)通用且有效的耦合方法，讓空 芯光子晶體光纖可以與其他光纖進(jìn)行對(duì)接。傳統(tǒng)光纖最為有效的耦合方式是熔接，但這種 方式無(wú)法照搬到空芯光子晶體光纖上，因?yàn)閮煞N光纖內(nèi)部構(gòu)造與導(dǎo)光機(jī)理的不同，無(wú)論是 放電熔接還是加熱熔接，都難以保證空芯光子晶體內(nèi)部的空氣孔結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍縮而保持較 好，又能獲得較高的連接強(qiáng)度。
[0005] 另一種較常見(jiàn)的空芯光子晶體光纖耦合方式便是采用分立光學(xué)器件進(jìn)行空間光 耦合。這種耦合方式的缺點(diǎn)在于裝置繁冗，對(duì)光路操作環(huán)境極為嚴(yán)苛，需配合光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 使用等，無(wú)法滿足便攜使用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了突破現(xiàn)有諧振型光纖陀螺在工程應(yīng)用和實(shí)用化上的瓶頸，本發(fā)明的目的是為 諧振型光纖陀螺及其他光學(xué)諧振系統(tǒng)提供一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔及 應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔，它包括：空芯光子晶體光纖環(huán)和光 纖耦合器，空芯光子晶體光纖環(huán)配合前后兩端的光纖耦合器形成環(huán)形諧振腔，入射光在其 中形成諧振。
[0009] 所述的空芯光子晶體光纖環(huán)由空芯光子晶體光纖繞制而成，纖芯為空氣或真空， 依靠光子帶隙效應(yīng)將光約束在其中傳播。
[0010] 所述的光纖耦合器為空間型耦合器或全光纖型耦合器；所述的空間型耦合器包括 金屬底座、搭扣裝置和耦合鏡片，金屬底座上刻有凹槽，配合搭扣裝置在不損傷光纖的情況 下將光纖牢牢固定，耦合鏡片上鍍有增透反射膜，膜厚可根據(jù)具體工作波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整；所述 的全光纖型耦合器包括光纖連接頭和法蘭盤(pán)，在光纖連接頭的單模光纖端采用端面鍍膜或 光柵刻蝕的方式構(gòu)成反射端。
[0011] 所述的搭扣裝置包括黏連的磁性搭扣、塑性軟墊，塑性軟墊固定光纖。
[0012] 一種根據(jù)所述的反射式環(huán)形諧振腔獲得旋轉(zhuǎn)角速度的方法，
[0013] 根據(jù)Sagnac效應(yīng)，諧振環(huán)頻差與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為：
[0015] 式中A v為諧振頻率差值，Q為旋轉(zhuǎn)角速度，A為真空中的波長(zhǎng)，A為諧振光路 所圍成的面積，L為環(huán)形光路實(shí)際長(zhǎng)度。
[0016] -種根據(jù)所述的反射式環(huán)形諧振腔在慣性測(cè)量、傳感與導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0017] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明利用空芯光子晶體光纖在空氣或真空中導(dǎo)光的特 點(diǎn)，大大削弱了環(huán)境因素對(duì)環(huán)形諧振腔的影響；另外本發(fā)明還具備高Q值，低非線性效應(yīng)， 工作波段可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是實(shí)施例中的空間型光纖耦合器立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是實(shí)施例中的全光纖型光纖耦合器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖中，1是空芯光子晶體光纖環(huán)，2是光纖耦合器；201是金屬底座，202是磁性搭 扣，203是塑性軟墊，204是耦合鏡片，205是光纖連接頭，206是法蘭盤(pán)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 空芯光子晶體光纖的出現(xiàn)為諧振型光纖陀螺提供了一種技術(shù)方案。這種光纖不同 于傳統(tǒng)光纖，光束在空芯光子晶體光纖中并不是依靠全反射原理進(jìn)行傳輸，而是光子帶隙 效應(yīng)。換言之，空芯光子晶體光纖可以將光束束縛在空氣中，而非介質(zhì)中。這樣的好處在于， 光在空氣中傳播，作為材料本征屬性的吸收、色散以及非線性效應(yīng)將不復(fù)存在，可以大大降 低光纖本身的環(huán)境敏感性所引起的測(cè)量誤差，為光纖陀螺的高精度輸出提供了保障。
[0024] 本發(fā)明的工作原理是：空芯光子晶體光纖環(huán)配合前后兩端的光纖耦合器形成環(huán)形 諧振腔，特定頻率的光可以在其中形成諧振。根據(jù)Sagnac原理，旋轉(zhuǎn)的環(huán)形光路會(huì)導(dǎo)致諧 振腔的光程發(fā)生變化，從而改變諧振腔的諧振頻率。在入射光源頻率恒定的情況下，諧振頻 率的改變會(huì)使得輸出光的峰值頻率發(fā)生變化，利用該頻率差值即可計(jì)算出環(huán)形光路的旋轉(zhuǎn) 角速度。
[0025] 本發(fā)明所提出的基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔可以有效推進(jìn)諧振型光 纖陀螺的小型化和實(shí)用化進(jìn)程。
[0026] 實(shí)施例
[0027] 參照?qǐng)D1，一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔包括：空芯光子晶體光纖 環(huán)1和光纖耦合器2。兩端的兩個(gè)光纖耦合器2配合空芯光子晶體光纖環(huán)1構(gòu)成環(huán)形諧振 腔，特定頻率的光可以在諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩形成諧振。
[0028] 參照?qǐng)D2,金屬底座201為鐵/鎳材質(zhì)，其上用激光刻蝕（或相似加工精度手段） 刻有凹槽，配合搭扣裝置（這里為磁性搭扣202和塑性軟墊203)可以在不損傷光纖的情 況下將光纖牢牢固定，耦合鏡片204上鍍有增透反射膜，通過(guò)調(diào)整膜長(zhǎng)可以使空芯光子晶 體光纖諧振腔內(nèi)的光在其中反復(fù)振蕩。這種光纖耦合器的特點(diǎn)是，可以通過(guò)更換耦合鏡片 204,適配各種工作波段。
[0029] 參照?qǐng)D3,光纖連接頭205配合法蘭盤(pán)206可以將兩端光纖進(jìn)行固定并對(duì)準(zhǔn)。在單 模光纖端采用端面鍍膜或光柵刻蝕的方式構(gòu)成反射端，使空芯光子晶體光纖諧振腔內(nèi)的光 在其中反復(fù)振蕩。這種光纖耦合器的特點(diǎn)是，可以通過(guò)更換鍍有反射膜或光柵的單模光纖， 適配各種工作波段。
[0030] 當(dāng)環(huán)形諧振腔靜止時(shí)，在其內(nèi)傳播的順、逆時(shí)針兩路光波的光程一致，這時(shí)兩路光 輸出的諧振頻率相同。當(dāng)環(huán)形諧振腔繞著垂直于腔的敏感軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于Sagnac效應(yīng)影 響，順、逆時(shí)針傳播的兩路光波傳播路徑不再相等，形成了光程差，從而引起了諧振頻率差。 通過(guò)探測(cè)環(huán)形諧振腔的諧振頻率差，可計(jì)算出環(huán)形諧振腔所感應(yīng)到的旋轉(zhuǎn)角速度。
[0031] 諧振諧振頻率差值與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為：
[0033] 式中Av為諧振頻率差值，Q為旋轉(zhuǎn)角速度，A為真空中的波長(zhǎng)，A為環(huán)形光路 所圍成的面積，L為環(huán)形光路實(shí)際長(zhǎng)度。測(cè)出環(huán)形光路的諧振頻率差值，即可計(jì)算出環(huán)形光 路的旋轉(zhuǎn)角速度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于空巧帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔，其特征在于，它包括；空巧光子晶體 光纖環(huán)（1)和光纖禪合器（2)，空巧光子晶體光纖環(huán)（1)配合前后兩端的光纖禪合器（2)形 成環(huán)形諧振腔，入射光在其中形成諧振。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式環(huán)形諧振腔，其特征在于，所述的空巧光子晶體光纖 環(huán)（1)由空巧光子晶體光纖繞制而成，纖巧為空氣或真空，依靠光子帶隙效應(yīng)將光約束在 其中傳播。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式環(huán)形諧振腔，其特征在于，所述的光纖禪合器（2)為空 間型禪合器或全光纖型禪合器；所述的空間型禪合器包括金屬底座（201)、搭扣裝置和禪 合鏡片（204)，金屬底座（201)上刻有凹槽，配合搭扣裝置在不損傷光纖的情況下將光纖固 定，禪合鏡片（204)上鍛有增透反射膜，膜厚可根據(jù)具體工作波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整；所述的全光纖 型禪合器包括光纖連接頭（205)和法蘭盤(pán)（206)，在光纖連接頭（205)的單模光纖端采用端 面鍛膜或光柵刻蝕的方式構(gòu)成反射端。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式環(huán)形諧振腔，其特征在于，所述的搭扣裝置包括黏連 的磁性搭扣（202)、塑性軟墊（203)，塑性軟墊（203)固定光纖。5. -種根據(jù)權(quán)利要求1 -4任一項(xiàng)所述的反射式環(huán)形諧振腔獲得旋轉(zhuǎn)角速度的方法，其 特征在于， 根據(jù)Sagnac效應(yīng)，諧振環(huán)頻差與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為：式中AV為諧振頻率差值，Q為旋轉(zhuǎn)角速度，A為真空中的波長(zhǎng)，A為諧振光路所圍 成的面積，L為環(huán)形光路實(shí)際長(zhǎng)度。6. -種根據(jù)權(quán)利要求1 -4任一項(xiàng)所述的反射式環(huán)形諧振腔在慣性測(cè)量、傳感與導(dǎo)航領(lǐng) 域的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空芯帶隙光纖的反射式環(huán)形諧振腔及應(yīng)用。所述的反射式環(huán)形諧振腔包括：空芯光子晶體光纖環(huán)和光纖耦合器，空芯光子晶體光纖環(huán)配合前后兩端的光纖耦合器形成環(huán)形諧振腔，入射光在其中形成諧振?？招竟庾泳w光纖環(huán)由空芯光子晶體光纖繞制而成，纖芯為空氣或真空，依靠光子帶隙效應(yīng)將光約束在其中傳播。所述的光纖耦合器為空間型耦合器或全光纖型耦合器。所述的反射式環(huán)形諧振腔在慣性測(cè)量、傳感與導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明利用空芯光子晶體光纖在空氣或真空中導(dǎo)光的特點(diǎn)，大大削弱了環(huán)境因素對(duì)環(huán)形諧振腔的影響；另外本發(fā)明還具備高Q值，低非線性效應(yīng)，工作波段可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01C19/72
【公開(kāi)號(hào)】CN104931035
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510344550
【發(fā)明人】陳侃, 王晨歌, 王金芳, 舒曉武, 劉承
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué), 上海航天控制技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月19日