[發(fā)明專利]一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410484241.8
• 申請(qǐng)日: 2014-09-19
• 公開（公告）號(hào): CN104316040B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張志鑫;秦偉亮;李晶;楊學(xué)禮;張智華;黃韜;汪飛琴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航天時(shí)代光電科技有限公司
• 主分類號(hào): G01C19/72
• 分類號(hào): G01C19/72
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光纖陀螺由于具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等一系列特點(diǎn)，已經(jīng)成為慣性系統(tǒng)領(lǐng)域的主流儀表之一，在海陸空天各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光纖陀螺的原理框圖如圖1所示，光路部分包含光源、光纖耦合器、Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、光纖環(huán)和光電探測(cè)器，其中光纖環(huán)是光纖陀螺的敏感部件，光纖陀螺通過檢測(cè)光纖環(huán)中相向傳輸?shù)膬墒庵g的相位差來檢測(cè)陀螺所敏感的角速度。與光纖環(huán)相關(guān)的最重要的誤差就是shupe效應(yīng)，該誤差與光纖環(huán)繞制的對(duì)稱性及光纖本身的溫度系數(shù)直接相關(guān)。在采用相同的繞制工藝的前提下，構(gòu)成光纖環(huán)的光纖的溫度特性就是首要的關(guān)注對(duì)象。

現(xiàn)有技術(shù)中，光纖環(huán)通常采用應(yīng)力型保偏光纖，包括領(lǐng)結(jié)型、熊貓型、橢圓包層型等，通過在包層內(nèi)添加不同形狀的應(yīng)力區(qū)，人為地在光纖纖芯上施加非圓對(duì)稱應(yīng)力，由于光彈效應(yīng)，纖芯材料的折射率呈現(xiàn)出各向異性，從而產(chǎn)生較高的雙折射效應(yīng)。由于光纖截面上材料的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在溫度環(huán)境下，光纖的雙折射發(fā)生變化，從而引起光纖環(huán)誤差。

光子晶體光纖的發(fā)展，使采用光子晶體光纖繞制光纖環(huán)成為可能。光子晶體光纖也稱為微結(jié)構(gòu)光纖，是一種具有二維缺陷的光子晶體，由Knight J C于1996年研制成功。從光纖導(dǎo)光機(jī)制的不同，可以將光子晶體光纖分為折射率導(dǎo)引型和光子帶隙型，前者纖芯由純SiO₂構(gòu)成，包層由周期分布的空氣孔和石英構(gòu)成，由于空氣孔的存在，使包層的等效折射率低于纖芯，故光可以按照傳統(tǒng)的全內(nèi)反射機(jī)制傳輸；后者纖芯為空氣孔，包層也是周期分布的空氣孔和石英，通過布拉格衍射的原理將一定波長(zhǎng)的光限制在空氣纖芯中傳輸。光子帶隙型光纖的工藝相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止，光纖的損耗比較大，保偏的性能也不理想，而折射率導(dǎo)引型實(shí)芯光子晶體光纖相對(duì)比較成熟，具備在光纖陀螺中應(yīng)用的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，具有溫度穩(wěn)定性好、磁場(chǎng)靈敏度低、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，包括：Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件和光子晶體光纖環(huán)，光信號(hào)經(jīng)過光子晶體光纖耦合進(jìn)Y波導(dǎo)芯片，然后從Y波導(dǎo)芯片等比例耦合進(jìn)兩根光子晶體光纖中輸出，兩根輸出光纖分別與光子晶體光纖環(huán)的兩端連接，從Y波導(dǎo)輸入的光經(jīng)光纖環(huán)傳輸后返回到Y(jié)波導(dǎo)進(jìn)行干涉，形成光纖陀螺的干涉光路，其特點(diǎn)在于：

(1)所述光纖環(huán)采用折射率導(dǎo)引型保偏光子晶體光纖繞制而成，光纖環(huán)繞制過程中張力控制在3～5g范圍，采用帶膠的方法固化光纖環(huán)，膠液的溫度控制在40～60℃；光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)考慮光纖的雙折射特性、模場(chǎng)面積和形狀，即光纖的雙折射不小于4x10^-4，模場(chǎng)面積不小于20μm²，模場(chǎng)橢圓度不大于0.6；

(2)所述Y波導(dǎo)也采用保偏光子晶體光纖制備尾纖，光纖的結(jié)構(gòu)類型和光纖環(huán)相同，尾纖端部采用縮孔的方法變成無芯光纖，一方面進(jìn)一步擴(kuò)大模場(chǎng)，另一方面防止光纖磨拋時(shí)空氣孔被污染；

(3)光纖環(huán)和Y波導(dǎo)采用熔接的方式進(jìn)行耦合，熔接過程中采用較小的能量和較短的時(shí)間，即能量控制在16W內(nèi)，時(shí)間控制在3.0s內(nèi)，防止光纖出現(xiàn)空氣孔塌縮造成較大的損耗和模場(chǎng)畸變。

所述步驟(1)中光纖環(huán)在繞制過程中在線層層固化，即光纖環(huán)繞完一層固化一層，避免光纖層間反螺紋交叉給光纖帶來的應(yīng)力。

所述步驟(2)中Y波導(dǎo)采用的光子晶體尾纖與Y波導(dǎo)芯片進(jìn)行對(duì)軸耦合時(shí)采用快軸耦合。

所述步驟(2)中用光子晶體光纖制備Y波導(dǎo)尾纖時(shí)，在光纖磨拋前進(jìn)行縮孔，縮孔利用熔接機(jī)的熱場(chǎng)復(fù)掃或是采用光纖拉錐機(jī)復(fù)掃，縮孔光纖的長(zhǎng)度控制在10～15μm。

本發(fā)明的原理：一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，包括光子晶體光纖環(huán)和Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件，光纖環(huán)采用折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖(TIR-PCF)或是帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)，光纖環(huán)繞制時(shí)采用繞制一層固化一層的方式，Y波導(dǎo)尾纖采用和光纖環(huán)相同結(jié)構(gòu)形式的同類型光纖。光子晶體光纖的設(shè)計(jì)在滿足陀螺的雙折射要求同時(shí)，模場(chǎng)與Y波導(dǎo)芯片的模場(chǎng)相匹配，并通過縮孔的方法進(jìn)一步擴(kuò)大光纖的模場(chǎng)，減小光纖接續(xù)帶來的附加損耗。所設(shè)計(jì)的干涉光路具有偏振穩(wěn)定性好、磁場(chǎng)靈敏度低、抗輻照等特點(diǎn)，采用這種干涉光路的光纖陀螺具有抗輻照、溫度穩(wěn)定性好、磁場(chǎng)靈敏度低的特點(diǎn)，特別適合于衛(wèi)星等空間飛行器應(yīng)用的高精度光纖陀螺。