一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺及其纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺及其纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法，光纖陀螺包括光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光子帶隙光纖環(huán)和探測(cè)器；光源與耦合器的A端以0°熔接于熔點(diǎn)O1，耦合器的B端口與Y波導(dǎo)的輸入端以0°熔接于熔點(diǎn)O2，Y波導(dǎo)的兩個(gè)輸出端分別與光子帶隙光纖環(huán)的兩端以0°熔接于熔點(diǎn)O3和O4，耦合器的D端與探測(cè)器以0°熔接于點(diǎn)O5。抑制方法為：控制熔點(diǎn)O3、O4的相對(duì)位置，優(yōu)化光子帶隙光纖陀螺中折射率失配致次波間的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率失配致偏置誤差的抑制。本發(fā)明較好地抑制了光子帶隙光纖陀螺中的纖芯折射率失配致偏置誤差；本發(fā)明抑制方法可操作性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺及其纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺及其纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法，屬于光纖陀螺【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖陀螺作為發(fā)展極為迅速的一種新型慣性角速度傳感器，以其特有的技術(shù)和性能優(yōu)勢(shì)，如全固態(tài)結(jié)構(gòu)、可靠性高、壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)速度快，響應(yīng)時(shí)間短；測(cè)量范圍大，動(dòng)態(tài)范圍寬；抗沖擊、振動(dòng)，耐化學(xué)腐蝕；體積小、重量輕、成本低；適合大批量生產(chǎn)等，已經(jīng)廣泛用于各領(lǐng)域。
[0003]光纖是光纖陀螺中最主要的傳輸介質(zhì)?，F(xiàn)有光纖陀螺中通常采用的普通的熊貓型保偏光纖，其導(dǎo)波特性對(duì)外界溫度、電磁等物理場(chǎng)較敏感，因而導(dǎo)致光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性較差。目前針對(duì)這一問(wèn)題主要采取被動(dòng)防護(hù)的措施來(lái)解決，如添加防護(hù)罩來(lái)削弱外界環(huán)境對(duì)光纖的影響作用等。這些措施雖然能夠在一定程度上提高光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性，但同時(shí)也帶來(lái)了一些副作用，如體積、重量、功耗和成本的增加。
[0004]光子帶隙光纖是一種基于光子帶隙效應(yīng)的新型光纖，通過(guò)在S12和空氣孔周期性排列構(gòu)成的光子晶體中擴(kuò)大中心的空氣孔制造缺陷來(lái)可控制光波在中心空氣孔(纖芯)中傳播，是一種基于低折射率材料(空氣)在高折射率背景材料(S12)中的二維周期性排列而形成的微結(jié)構(gòu)光纖。這種原理與結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性使得光子帶隙光纖具有眾多不同于傳統(tǒng)光纖的特性，如對(duì)溫度、電磁場(chǎng)、空間輻射等環(huán)境因素的敏感度低，對(duì)彎曲不敏感，具備無(wú)限單模傳輸能力等。因此，光子帶隙光纖是解決光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題的理想選擇，是光纖陀螺的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
[0005]然而，光子帶隙光纖的特殊結(jié)構(gòu)在改善光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，其獨(dú)特的導(dǎo)波機(jī)制還會(huì)使得某些在傳統(tǒng)陀螺中可以忽略的誤差被放大，甚至?xí)霈F(xiàn)一些新的誤差形式，對(duì)陀螺的靜態(tài)性能造成不利的影響，纖芯折射率失配致偏置誤差即為其中之一。受器件水平所限，目前的光子帶隙光纖陀螺只在光纖環(huán)部分使用光子帶隙光纖繞制而成，其他的光學(xué)器件依然采用傳統(tǒng)光纖作為輸入/輸出尾纖，因此陀螺光路中會(huì)存在光子帶隙光纖與傳統(tǒng)光纖的熔點(diǎn)；而光子帶隙光纖和傳統(tǒng)光纖的纖芯折射率不同，由菲涅爾反射定律可知熔點(diǎn)處存在較大的端面發(fā)射。針對(duì)這一問(wèn)題的一般解決方法是對(duì)光纖進(jìn)行角度切割，使光纖端面成為斜面，通過(guò)減小反射光波的幅值來(lái)減小端面反射，但在光子帶隙光纖陀螺中，受器件和工藝水平限制，對(duì)光子帶隙光纖做斜角切割會(huì)破壞其空氣孔結(jié)構(gòu)，影響其導(dǎo)波性能，且斜角切割不能完全消除端面反射，殘余的菲涅爾反射引發(fā)的背向次波間的干涉依然會(huì)帶來(lái)偏置誤差。因此，光子帶隙光纖與傳統(tǒng)光纖的熔點(diǎn)處的端面反射通過(guò)傳統(tǒng)方法不能徹底解決，其存在會(huì)給陀螺光路引入較強(qiáng)的菲涅爾反射次波。光纖環(huán)與波導(dǎo)間的兩個(gè)熔點(diǎn)處由于纖芯折射率失配導(dǎo)致的兩束菲涅爾反射次波間發(fā)生干涉，給陀螺信號(hào)輸出端帶來(lái)偏置誤差，嚴(yán)重影響了光子帶隙光纖陀螺的靜態(tài)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，制約了光子帶隙光纖陀螺的發(fā)展應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺及其纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法。
[0007]—種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺，包括光源、稱合器、Y波導(dǎo)、光子帶隙光纖環(huán)和探測(cè)器；
[0008]光源與耦合器的A端以0°熔接于熔點(diǎn)O1，耦合器的B端口與Y波導(dǎo)的輸入端以0°熔接于熔點(diǎn)02，Y波導(dǎo)的兩個(gè)輸出端分別與光子帶隙光纖環(huán)的兩端以0°熔接于熔點(diǎn)O3和O4，耦合器的D端與探測(cè)器以0°熔接于點(diǎn)05。
[0009]一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法，具體為:
[0010]設(shè)Il_cw、I2_cw分別表不順時(shí)針光波在O3、O4處產(chǎn)生的反射光波，上述兩個(gè)反射光波光強(qiáng)相等，Il_ccw、I2_ccw分別表不順時(shí)針光波在04、O3處產(chǎn)生的反射光波，上述兩個(gè)反射光波光強(qiáng)相等；
[0011]針對(duì)Il_cw和Il_ccw,得到干涉信號(hào)I1U):
[0012]Ijt) = Irl[l+cos((J)el+(i)ml(t)] Y [((J)el+(i)ml(t)).λ/2 3i]
[0013]其中:1^為Il_cw或者Il_ccw的光強(qiáng)，λ為光源的波長(zhǎng)，Φε1為固有光程差引起的相差，Φηα*；!:)為調(diào)制信號(hào)，Y [(<i)el+<i)ml(t)).λ /2 31 ]表示光源的相干函數(shù)；
[0014]針對(duì)I2_cw和I2_ccw,得到干涉信號(hào)I2⑴:
[0015]I2(t) = Ir2[l+cos((i)e2+(i)m2(t)] Y [((J)e2+(i)m2(t)).λ/2 31]
[0016]其中:Ir2為I2_cw或者I2_ccw的光強(qiáng)，λ為光源的波長(zhǎng)，Φε2為固有光程差引起的相差，為調(diào)制信號(hào)，Y [(<i)e2+<i)m2(t)).λ /2 31 ]表示光源的相干函數(shù)；
[0017]光子帶隙光纖陀螺輸出的偏置誤差為I1 (t)和I2 (t)的疊加，通過(guò)改變?nèi)埸c(diǎn)03、O4的相對(duì)位置，可以改變固有光程差引起的相差，進(jìn)而改變光子帶隙光纖陀螺輸出的偏置誤差。因此，通過(guò)控制熔點(diǎn)03、O4的相對(duì)位置，能優(yōu)化光子帶隙光纖陀螺中折射率失配致次波間的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率失配致偏置誤差的抑制作用。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019](I)較好地抑制了光子帶隙光纖陀螺中的纖芯折射率失配致偏置誤差；
[0020](2)抑制方法可操作性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是光子帶隙光纖光纖陀螺結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖2是光子帶隙光纖環(huán)與Y波導(dǎo)輸出尾纖的兩個(gè)熔接點(diǎn)處的菲涅爾反射光波示意圖；
[0023]圖3是Y波導(dǎo)上施加的調(diào)制波形；
[0024]圖4是纖芯折射率失配致偏置誤差與調(diào)制波形的示意圖；
[0025]圖5是光源相干函數(shù)；
[0026]圖6是纖芯折射率失配致偏置誤差與光程差的關(guān)系。
[0027]圖中:
[0028]1-光源2-耦合器3-Y波導(dǎo)
[0029]4-光子帶隙光纖環(huán)5-探測(cè)器

【具體實(shí)施方式】
[0030]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(shuō)明。
[0031]一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺，如圖1所示，包括光源1、耦合器2、Y波導(dǎo)3、光子帶隙光纖環(huán)4和探測(cè)器5 ；
[0032]光源I與耦合器2的A端以O(shè) °熔接于熔點(diǎn)O1，耦合器2的B端口與Y波導(dǎo)3的輸入端以0°熔接于熔點(diǎn)02，Y波導(dǎo)3的兩個(gè)輸出端分別與光子帶隙光纖環(huán)4的兩端以0°熔接于熔點(diǎn)O3和04，耦合器2的D端與探測(cè)器5以0°熔接于點(diǎn)05。
[0033]光子帶隙光纖陀螺的纖芯折射率失配存在于Y波導(dǎo)3和光子帶隙光纖環(huán)4的兩個(gè)熔點(diǎn)O3和O4處，其引起的背向反射次波如圖2所示，其中Il_cw和I2_cw分別表示順時(shí)針光波在O3和O4處產(chǎn)生的反射光波，Il_ccw和I2_ccw分別表示順時(shí)針光波在O4和O3處產(chǎn)生的反射光波。在傳統(tǒng)光纖陀螺中，波導(dǎo)尾纖與光纖環(huán)光纖相同，均為熊貓型保偏光纖，其纖芯折射率一致，熔點(diǎn)處的反射接近于零，可忽略；而在光子帶隙光纖陀螺中，Y波導(dǎo)3的尾纖依然采用傳統(tǒng)的熊貓型保偏光纖，光纖環(huán)4則采用光子帶隙光纖繞制而成，由于光子帶隙光纖特殊的空氣纖芯結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)O3和O4處存在纖芯折射率失配，由菲涅爾反射定律可知此時(shí)熔點(diǎn)O3和O4處存在較強(qiáng)的反射，于是在陀螺光路中引入了若干束反射光波，它們之間發(fā)生干涉，引起陀螺輸出信號(hào)中的偏置誤差。
[0034]考慮到多次反射對(duì)光功率的衰減作用，本發(fā)明主要針對(duì)纖芯折射率失配引入的一次反射波進(jìn)行研究。如圖2所示，進(jìn)入光子帶隙光纖環(huán)4的光一部分直接在熔點(diǎn)O3和O4被反射，即Il_cw和I1_CCW;另一部分經(jīng)過(guò)熔點(diǎn)03和O4進(jìn)入光子帶隙光纖環(huán)4，在出環(huán)時(shí)遭遇熔點(diǎn)反射，再次通過(guò)光子帶隙光纖環(huán)4后沿輸出，即I2_cw和I2_ccw。Il和12間因?yàn)橄嗖顑蓚€(gè)光子帶隙光纖環(huán)4的長(zhǎng)度而去相干，因此主要考慮Il_cw和Il_ccw以及I2_cw和12_CCW的干涉。
[0035]先討論Il_cw和Il_ccw。假設(shè)二者光強(qiáng)相等，則其干涉信號(hào)可表示為
[0036]I!(t) = Irl[l+cos((i)el+(i)ml(t)] Y [((J)el+(i)ml(t)).λ/2 31 ] (I)
[0037]其中Irt為反射光波光強(qiáng)，Φμ為固有光程差(由兩熔點(diǎn)的相對(duì)位置決定)引起的相差，Φηα⑴為調(diào)制信號(hào)，Y [(φε1+φηι1(?)).λ/2 31]表示光源的相干函數(shù)。
[0038]反射光波Il_cw和Il_ccw經(jīng)Y波導(dǎo)3調(diào)制后進(jìn)入光子帶隙光纖環(huán)4，分別在熔點(diǎn)O3和O4處發(fā)生反射，又返回到Y(jié)波導(dǎo)3再次被調(diào)制；Y波導(dǎo)3上的調(diào)制波形如圖3所示，由一個(gè)固定方波與一個(gè)隨解調(diào)量變化的階梯波組成，調(diào)制周期為環(huán)的本征頻率，即f = 1/2 τ ( τ為光在環(huán)中行進(jìn)一周的傳播時(shí)間)。
[0039]反射光波Il_cw和Il_ccw均沒(méi)有經(jīng)過(guò)光子帶隙光纖環(huán)4就被反射，因此二者兩次受到的波導(dǎo)調(diào)制信號(hào)可認(rèn)為是一樣的，即還沒(méi)有經(jīng)過(guò)一個(gè)τ的時(shí)間。結(jié)合圖3所示的波導(dǎo)調(diào)制信號(hào)，可得到調(diào)制信號(hào)Φπ1α):
[0040]當(dāng)t = τ , 3 τ , 5 τ , 7 τ......時(shí)，則:
[0041]Φ,,! (t) = ( Φ st (t) + 3i /4+ η /4+ Φ st (t)) - (- φ st (t) - 3? /4- η /4- Φ st (t))=4 Φ st (t) + 31 (2)
[0042]當(dāng)t = 2 τ，4τ , 6 τ , 8 τ......時(shí)，則:
[0043]c^mlU) = ( Φ st (t) +0+0+ Φ st (t)) - (- φ st (t) +0+0- Φ st (t)) = 4 Φ st (t) (3)
[0044]其中cj5st(t)表示波導(dǎo)上添加的階梯波信號(hào)。
[0045]即反射光波Il_cw和Il_ccw的干涉信號(hào)受到一個(gè)周期為2 τ、調(diào)制深度為的方波調(diào)制，同時(shí)因?yàn)楣獠ń?jīng)過(guò)的是Y波導(dǎo)3的同一臂而使得階梯波發(fā)生疊加，不再只與臺(tái)階高度相關(guān)，即在轉(zhuǎn)速不變的情況下調(diào)制信號(hào)的相位呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，與階梯波的復(fù)位同步復(fù)位，帶來(lái)的影響是使反射光波的干涉信號(hào)具有周期性，且疊加后臺(tái)階高度翻倍，反射光波的周期是階梯波復(fù)位周期的一半，即一個(gè)階梯波復(fù)位周期內(nèi)包含兩個(gè)反射光波。
[0046]同理，對(duì)于I2_cw 和 I2_ccw，有
[0047]I2(t) = Ir2[l+cos((i)e2+(i)m2(t)] Y [((J)e2+(i)m2(t)).λ/2 31 ] (4)
[0048]其中:Ir2為光強(qiáng)，Φ?(1:)為固有光程差引起的相差，為調(diào)制信號(hào)，Y [(Φ62+Φ?ι2(?)).λ /2 ^ ]表不光源的相干函數(shù)。光波在光纖環(huán)中繞行一周后被反射，再次經(jīng)過(guò)光纖環(huán)后返回到Y(jié)波導(dǎo)，即這兩束光波相當(dāng)于繞環(huán)傳播兩周，先后兩次經(jīng)過(guò)Y波導(dǎo)的時(shí)間相差2 τ，于是受到的調(diào)制信號(hào)Φπ2α):
[0049]當(dāng)t = τ , 3 τ , 5 τ , 7 τ......時(shí)，則:
[0050]Φ m2 (t) = ( Φ st (t) + Ji /4+ Ji /4+ φ st (t+2 τ )) - (- φ st (t) - /4— π /4— Φ st (t+2 τ ))=2 [ Φ st (t) + Φ st (t+2 τ ) ] + Ji = 4 Φ st (t) +4h+ n (5)
[0051 ]當(dāng) ? = 2τ,4τ,6τ,8τ......時(shí)，則:
[0052]Φ m2 (t) = ( Φ st (t) +0+0+ Φ st (t + 2 τ ) ) - (- φ st (t) -0-0- Φ st (t+2 τ ))=
2[ Φ st (t) + Φ st (t+2 τ ) ] = 4 φ st (t) +4h (6)
[0053]即反射光波I2_cw和I2_ccw的干涉信號(hào)受到一個(gè)周期為2 τ、調(diào)制深度為的方波調(diào)制，同樣地反射信號(hào)具有周期性，一個(gè)階梯波復(fù)位周期內(nèi)包含兩個(gè)反射光波。
[0054]光子帶隙光纖陀螺輸出中的偏置誤差是兩個(gè)干涉信號(hào)的疊加，即式(I)與式(4)的疊加，如圖4所示。該項(xiàng)誤差具有周期性，在幅值較大的時(shí)候會(huì)引起光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的非線性問(wèn)題，因此針對(duì)其信號(hào)特征，提出了一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法。
[0055]由式(I)和(4)可知，影響纖芯折射率失配致偏置誤差大小的參數(shù)有熔點(diǎn)處菲涅爾反射光強(qiáng)度、反射光間的固有光程差和光源的相干函數(shù)。反射光強(qiáng)度由光纖纖芯折射率的失配程度決定，抑制措施有限；光源的相干函數(shù)對(duì)誤差信號(hào)的影響程度與固有光程差的大小有關(guān)，而固有光程差的大小可以通過(guò)改變?nèi)埸c(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行控制，因此可以結(jié)合光源的相干函數(shù)對(duì)熔點(diǎn)的相位位置關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)控制熔點(diǎn)相位位置優(yōu)化兩列干涉光波間的相位關(guān)系，以達(dá)到抑制折射率失配致偏置誤差的效果。
[0056]光源I的相干函數(shù)如圖5所示。光波間的光程差為零時(shí)相干性最強(qiáng)，在某些范圍內(nèi)具有較大的相干性，整體相干性隨光程差的增大而減小，最終相干性將減小為零，即去相干。將光源的相干函數(shù)代入式(I)和式(4)，得到纖芯折射率失配致偏置誤差隨光程差的變化曲線，如圖6所示。受光源相干函數(shù)影響，纖芯折射率失配致偏置誤差在某些范圍內(nèi)較大(如圖示0A、BC、DE、FG段)，但整體隨光程差的增大而減小，與光源相干函數(shù)的變化趨勢(shì)一致。因此，可以通過(guò)控制光波間的光程差降低其相干性，使之避開(kāi)偏置誤差較大的區(qū)域，從而有效減小纖芯折射率失配致偏置誤差。
[0057]發(fā)生干涉的兩束光波間(Il_cw和Il_ccw、12_cw和I2_ccw)的固有光程差是由熔點(diǎn)O3和O4的相對(duì)位置決定的，當(dāng)熔點(diǎn)O3和O4關(guān)于光子帶隙光纖環(huán)4的中點(diǎn)完全對(duì)稱時(shí)，反射光波Il_cw和Il_ccw、12_cw和I2_ccw間的固有光程差為零。因此，可以對(duì)熔點(diǎn)O3和O4的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，將光波間的光程差控制在偏置誤差較小的區(qū)域(如圖6所示AB、CD、EF段)，優(yōu)化次波間的相位關(guān)系，從而有效抑制纖芯折射率失配致偏置誤差，有利于提高光子帶隙光纖陀螺的性能。
【權(quán)利要求】
1.一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺，包括光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光子帶隙光纖環(huán)和探測(cè)器； 光源與I禹合器的A端以0°熔接于熔點(diǎn)O1,f禹合器的B端口與Y波導(dǎo)的輸入端以0°熔接于熔點(diǎn)02，Y波導(dǎo)的兩個(gè)輸出端分別與光子帶隙光纖環(huán)的兩端以0°熔接于熔點(diǎn)03和04，耦合器的D端與探測(cè)器以0°熔接于點(diǎn)05。
2.一種基于相位優(yōu)化的光子帶隙光纖陀螺纖芯折射率失配致偏置誤差的抑制方法，具體為: 設(shè)Il_cw、I2_cw分別表不順時(shí)針光波在03、O4處產(chǎn)生的反射光波,上述兩個(gè)反射光波光強(qiáng)相等，Il_ccw、I2_ccw分別表示順時(shí)針光波在04、O3處產(chǎn)生的反射光波，上述兩個(gè)反射光波光強(qiáng)相等； 針對(duì)Il_cw和Il_ccw,得到干涉信號(hào)I1U):
11(t) = Irl [l+cos((J)el+(J)ml (t)] Y [(<J)el+(i)ml(t)).λ /2 ] 其中:Irt為Il_cw或者Il_ccw的光強(qiáng)，λ為光源的波長(zhǎng)，Φ6?為固有光程差引起的相差，Φηαα)為調(diào)制信號(hào)，Y [(<i)el+<i)ml(t)).λ /2 31 ]表示光源的相干函數(shù)； 針對(duì)I2_cw和I2_ccw,得到干涉信號(hào)I2 (t):
12(t) = Ir2 [l+cos((J)e2+(J)m2 (t)] Y [(<J)e2+(i)m2(t)).λ /2 ] 其中:Irt為I2_cw或者I2_ccw的光強(qiáng)，λ為光源的波長(zhǎng)，Φε2為固有光程差引起的相差，Φηι2(?)為調(diào)制信號(hào)，Y [(<i)e2+<i)m2(t)).λ/2 ]表示光源的相干函數(shù)； 光子帶隙光纖陀螺輸出的偏置誤差為I1U)和I2(t)的疊加，通過(guò)改變?nèi)埸c(diǎn)03、04的相對(duì)位置，改變固有光程差引起的相差，進(jìn)而改變光子帶隙光纖陀螺輸出的偏置誤差，因此，通過(guò)控制熔點(diǎn)03、O4的相對(duì)位置，優(yōu)化光子帶隙光纖陀螺中折射率失配致次波間的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率失配致偏置誤差的抑制作用。
【文檔編號(hào)】G01C19/72GK104197925SQ201410472011
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】徐小斌, 張祖琛, 金靖, 宋凝芳, 宋鏡明, 張春熹 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)