[發明專利]無源偏置光纖陀螺和電流傳感器

有效

• 申請號: 200710111969.6
• 申請日: 2007-06-18
• 公開（公告）號: CN101275834A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 黃宏嘉
• 申請（專利權）人: 黃宏嘉
• 主分類號: G01C19/64
• 分類號: G01C19/64;G02B6/28
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 須一平

技術領域

本發明涉及光纖傳感器，光纖干涉回路，Sagnac干涉儀，陀螺，電流和磁場傳感器，光纖Sagnac干涉儀，無源偏置光纖陀螺，無源偏置光纖電流傳感器，3×3“園”保偏光纖耦合器，3×3線保偏光纖耦合器，精細光學磁光Faraday旋轉器。

背景技術

本發明所述基于Sagnac干涉光路的光纖傳感器主要是指兩類傳感器，即基于Sagnac效應的旋速傳感器，通稱陀螺，和基于Faraday效應的電流或磁場傳感器。此二種效應均系非互易效應，因而長時間以來陀螺和電流傳感器這兩個研究領域一直在利用相同的Sagnac干涉型光纖回路的共同基礎上平行地發展。就事實而論，電流傳感器的研究與開發和技術與開發(R&D，T&D：T，Technology)由于從歷史更早的陀螺借用過來大量的有用技術而深受裨益。

過去數十年陀螺或旋速傳感器在實際實用中已取得令人稱羨的成就，其光纖回路用有源偏置，即壓電相位調制器(PZT)或集成光學塊(Y波導器件)。這些技術也曾被借用過來發展電流傳感器，但進展不像陀螺那樣成功。電流傳感器之所以落后的一個主要原因可以歸究為這一事實，即：全光纖陀螺結構的整體可以全部使用已經發展成熟的線保偏(保持線偏振態)光纖，即通常所謂保偏光纖，但電流傳感器如采用有利于實現高準確度和長期穩定性的相位檢測，則不能全部用線保偏光纖，至少其中探測光纖環就必須用圓保偏(保持園偏振態)光纖，而此種光纖的研究與發明則尚遠未成熟。在本申請文本中，為強調園偏振態保持光纖即保園光纖不同于線保偏光纖的特點，在提到?！皥@”光纖時，將園字加上引號。

盡管有源偏置光纖Sagnac干涉式陀螺在實用上的成功，已如上述，研究者對于在陀螺和電流傳感器干涉光路中嘗試利用無源偏置的努力從未中斷過。這是因為，無源偏置有其吸引人的方面，包括結構簡單結實、低噪聲、易于調諧(多數無需調諧，而由系統自動運行)、靈敏度高、長期工作穩定，以及成本低等。

早期旨在實現光纖傳感器無源偏置的嘗試是利用3×3光纖耦合器，它是由三段常規單模光纖制成，同時起分光和Sagnac光纖回路無源偏置之作用。由此構成的傳感器結構，其主要缺陷在于：單模光纖不具有保持光偏振態的功能，故使包含有3×3單模光纖耦合器的光纖干涉型傳感器不能工作穩定，以致不能實用。原理上3×3線保偏光纖具有探測并保持被測陀螺信號的功能。然而，到目前為止，制造3×3線保偏光纖耦合器在其三個主軸(通常指慢軸，由鏡像對稱應力區形成)調整為準確平行的工藝程序上，遇到極大困難。檢索國際光電子器件的商品，實測耦合器通線偏光時其光纖臂消光比低于20分貝，因而在實際傳感系統中不能符合實用要求。

另一在光纖Sagnac干涉回路中使用無源偏置的技術途徑是采用非互易Faraday旋轉器。此時，問題的復雜性在于如何將Faraday旋轉器接入光纖傳感器光路?，F時光纖回路主要是基于線保偏光纖，但Faraday旋轉器需工作于園偏振光以取得高準確度相位檢測所需的相位改變。為此，需將光纖干涉回路中線偏光變為園偏光，通過Faraday旋轉器后再變換回線偏光。目前已有的變換光偏振態的手段不外二種方法：一是使用傳統塊狀光學四分之一波片，二是使用很短一段(四分之一拍波長)線保偏光纖，以45°偏角的線偏光注入。顯然，前一方法的不可取之點是使干涉光路在結構和布局上變得十分繁復，后一方法的根本困難是此種光纖短段就物理本性而言是一種對長度非常敏感的元件。

本發明是在上述技術背景上所產生，其著眼點是避免目前已有兩種無源偏置的缺陷、復雜性和技術困難。本發明的技術細節在以下“發明內容”和“具體實施方式”中將結合附圖加以描述。

發明內容

本發明的無源偏置光纖傳感器，主要是陀螺和電流傳感器，其實施例之一是3×3“園”保偏光纖耦合器。其中的“園”保偏光纖是本發明人先前的發明(例如，參見發明專利：中國ZL01132102.4；美國5,452,394)。實驗室對小批量樣品測試數據所達到的性能指標為等于或優于0.95園度。所述3×3“園”保偏光纖耦合器的獨特優點是其制造簡單，徹底避免了3×3線保偏耦合器所需的三對主軸準確平行的難點問題。

本發明披露一種基于3×3“園”保偏光纖耦合器的極為簡單和實用的Sagnac干涉型傳感器，其中耦合器同時起著分光和無源偏置的功能。接于此傳感器的光纖探測環亦用“園”保偏光纖繞成，其可取之點是此種結構既可探測信號并可保持所探測信號的“園”保偏光纖環無論對電流傳感器或陀螺均可適用。