專利名稱：無源偏置光纖陀螺和電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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 X3 "園"保偏光纖耦合器，3X3線保偏光纖耦合器，精細(xì)光學(xué)磁光Faraday旋 轉(zhuǎn)器。
背景技術(shù)：
本發(fā)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(yīng)的旋速傳感器，通稱陀螺，和基于Faraday效應(yīng)的電流或磁場傳感器。 此二種效應(yīng)均系非互易效應(yīng)，因而長時(shí)間以來陀螺和電流傳感器這兩個(gè)研究領(lǐng)域 一直在利用相同的Sagnac干涉型光纖回路的共同基礎(chǔ)上平行地發(fā)展。就事實(shí)而 論，電流傳感器的研究與開發(fā)和技術(shù)與開發(fā)(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(shù)而深受裨益。過去數(shù)十年陀螺或旋速傳感器在實(shí)際實(shí)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(diào)制器(PZT)或集成光學(xué)塊(Y波導(dǎo)器件)。這 些技術(shù)也曾被借用過來發(fā)展電流傳感器，但進(jìn)展不像陀螺那樣成功。電流傳感器 之所以落后的一個(gè)主要原因可以歸究為這一事實(shí)，即全光纖陀螺結(jié)構(gòu)的整體可 以全部使用已經(jīng)發(fā)展成熟的線保偏(保持線偏振態(tài))光纖，即通常所謂保偏光纖， 但電流傳感器如采用有利于實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)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(huán)就必須用圓保偏(保持園偏振態(tài))光纖，而 此種光纖的研究與發(fā)明則尚遠(yuǎn)未成熟。在本申請文本中，為強(qiáng)調(diào)園偏振態(tài)保持光 纖即保園光纖不同于線保偏光纖的特點(diǎn)，在提到保"園"光纖時(shí)，將園字加上引 號。盡管有源偏置光纖Sagnac干涉式陀螺在實(shí)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?yán)脽o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(jié)構(gòu)簡單結(jié)實(shí)、低噪聲、易于調(diào)諧(多數(shù)無需調(diào)諧，而由系統(tǒng)自動運(yùn)行)、靈敏度高、長期工作穩(wěn)定，以及成本低等。早期旨在實(shí)現(xiàn)光纖傳感器無源偏置的嘗試是利用3X3光纖耦合器，它是由三 段常規(guī)單模光纖制成，同時(shí)起分光和Sagnac光纖回路無源偏置之作用。由此構(gòu) 成的傳感器結(jié)構(gòu)，其主要缺陷在于單模光纖不具有保持光偏振態(tài)的功能，故使 包含有3X3單模光纖耦合器的光纖干涉型傳感器不能工作穩(wěn)定，以致不能實(shí)用。 原理上3X3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3X3線保偏光纖耦合器在其三個(gè)主軸(通常指慢軸，由鏡像對稱應(yīng)力 區(qū)形成)調(diào)整為準(zhǔn)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(shí)測耦合器通線偏光時(shí)其光纖臂消光比低于20分貝，因而在實(shí)際傳感系 統(tǒng)中不能符合實(shí)用要求。另一在光纖Sagnac干涉回路中使用無源偏置的技術(shù)途徑是采用非互易 Faraday旋轉(zhuǎn)器。此時(shí)，問題的復(fù)雜性在于如何將Faraday旋轉(zhuǎn)器接入光纖傳感器 光路?，F(xiàn)時(shí)光纖回路主要是基于線保偏光纖，但Faraday旋轉(zhuǎn)器需工作于園偏振 光以取得高準(zhǔn)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?yōu)閳@偏光，通過Famday旋轉(zhuǎn)器后再變換回線偏光。目前已有的變換光偏振態(tài) 的手段不外二種方法 一是使用傳統(tǒng)塊狀光學(xué)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(diǎn)是使干涉光路在結(jié)構(gòu)和布局上變得十分繁復(fù)，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(fā)明是在上述技術(shù)背景上所產(chǎn)生，其著眼點(diǎn)是避免目前已有兩種無源偏置 的缺陷、復(fù)雜性和技術(shù)困難。本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)在以下"發(fā)明內(nèi)容"和"具體實(shí) 施方式"中將結(jié)合附圖加以描述。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的無源偏置光纖傳感器，主要是陀螺和電流傳感器，其實(shí)施例之一是 3X3 "園"保偏光纖耦合器。其中的"園"保偏光纖是本發(fā)明人先前的發(fā)明(例 如，參見發(fā)明專利中國ZL01132102.4;美國5,452,394)。實(shí)驗(yàn)室對小批量樣 品測試數(shù)據(jù)所達(dá)到的性能指標(biāo)為等于或優(yōu)于0.95園度。所述3X3 "園"保偏光 纖耦合器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其制造簡單，徹底避免了 3X3線保偏耦合器所需的三對主軸準(zhǔn)確平行的難點(diǎn)問題。本發(fā)明披露一種基于3X3 "園"保偏光纖耦合器的極為簡單和實(shí)用的Sagnac 干涉型傳感器，其中耦合器同時(shí)起著分光和無源偏置的功能。接于此傳感器的光 纖探測環(huán)亦用"園"保偏光纖繞成，其可取之點(diǎn)是此種結(jié)構(gòu)既可探測信號并可保 持所探測信號的"園"保偏光纖環(huán)無論對電流傳感器或陀螺均可適用。作為一種變換，本發(fā)明還披露一種3X3混合光纖耦合器，它由二根線保偏光 纖和一根常規(guī)單模光纖構(gòu)成。所述耦合器二根線保偏光纖的尾纖均接在基于線保 偏光纖的Sagnac干涉光纖回路中，而單模光纖的二端則均以斜角截為短段，從 而在二端形成匹配端面。此短段單模光纖似為"閑置"，但實(shí)際上提供所需響應(yīng) 函數(shù)間120°相位關(guān)系，亦即對光纖干涉回路提供無源偏置。制造所述特殊3X3 混合光纖耦合器比制造3X3線保偏光纖耦合器要容易很多，因其只含對二慢主 軸進(jìn)行準(zhǔn)確平行的工序。本發(fā)明所披露的無源偏置器的另一實(shí)施例是一種集成旋轉(zhuǎn)器，它由精細(xì)光學(xué) 磁光Faraday旋轉(zhuǎn)器連同兩邊分別附加的"零到快"四分之一光纖波片和"快到 零"四分之一光纖波片所構(gòu)成。有關(guān)光纖波片的技術(shù)細(xì)節(jié)，參見本發(fā)明人已獲授 權(quán)的發(fā)明專利中國ZL01112680.9，美國4,943,132; 5,096,312; 7,206,468。所 述集成旋轉(zhuǎn)器的試用樣品，其實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)達(dá)到在二 "零"旋速(即不旋)端線偏 光消光比近30分貝，在中間精細(xì)光學(xué)磁光部分園偏光園度優(yōu)于0.95。所述組件 的優(yōu)點(diǎn)顯而易見結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，可在線按普通線保偏光纖熔接于干涉回 路中，而且對二端四分之一光纖波片尾纖長度不敏感。這些優(yōu)點(diǎn)是已有塊狀光學(xué) 四分之一波片和線保偏光纖四分之一拍波長短段所不能比擬(詳如本節(jié)前段已 述)。


從本節(jié)對附圖的簡單說明和隨后的"具體實(shí)施方式
"可更加了解本發(fā)明的內(nèi)容及意義。以下敘述僅為一種說明方法，本發(fā)明不局限于此敘述，艮P:圖1是一光纖干涉型傳感結(jié)構(gòu)的示意圖，光源提供的線偏光經(jīng)由"光纖四分 之-一波片"轉(zhuǎn)換為園偏光饋入光纖回路，用3X3"園"保偏光纖耦合器進(jìn)行分光，同時(shí)對光纖回路起著無源偏置的功能。圖2a系本發(fā)明3X3 "園"保偏光纖耦合器的橫截面，所含三根"園"保偏光 纖，其纖芯位置形成一三角形。圖2b系本發(fā)明3X3 "園"保偏光纖耦合器的橫截面，所含三根"園"保偏 光纖，其纖芯位置形成一直線。圖3a是一 3X3混合光纖耦合器的側(cè)視圖，其中單模光纖置于二根緊靠線保 偏光纖的任一側(cè)，并在其兩頭以斜角截短為匹配端面，從而僅二根線保偏光纖熔 接在干涉型光纖回路中。圖3b表示圖3a的橫截面，其中三個(gè)纖芯位于一直線上，且其中二根線保偏 光纖的二慢主軸準(zhǔn)確調(diào)整為相互平行。圖4示一 3X3混合光纖耦合器的橫截面，由一根單模光纖和二根線保偏光纖 構(gòu)成，其三個(gè)纖芯相互間等距離，形成一三角形，而二根線保偏光纖的二慢主軸 則準(zhǔn)確調(diào)整為相互平行。圖5是一光纖干涉回路的示意圖，其中光源的線偏光注入光路，一3X3混合 光纖耦合器同時(shí)起分光和光路無源偏置之作用。 ，圖6a是一集成Faraday旋轉(zhuǎn)器的示意圖，其中間部分是精細(xì)光學(xué)磁光45°旋 轉(zhuǎn)單元，兩邊一為"零到塊"光纖四之分一波片， 一為"快為零"光纖四分之一 波片。圖6b是一集成Famday旋轉(zhuǎn)器的示意圖，其中間部分是精細(xì)光學(xué)磁光45°旋 轉(zhuǎn)器， 一邊為"零到塊"光纖四之分一波片， 一邊為"園"保偏光纖。圖6c是一集成Faraday旋轉(zhuǎn)器的示意圖，其中間部分是精細(xì)光學(xué)磁光45°旋 轉(zhuǎn)器，兩邊均為"園"保偏光纖。圖7是一無源偏置傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，所述結(jié)構(gòu)使用了圖6a所示集成 Faraday旋轉(zhuǎn)器作為無源偏置器件。圖8是一無源偏置傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，所述結(jié)構(gòu)使用了圖6b所示集成 Faraday旋轉(zhuǎn)器作為無源偏置器件。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一全"圓"保偏光纖傳感器結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)利用一3X3"園"保偏光纖耦合器作為無源偏置器件，如圖1所示。所述3X3 "園"保偏光纖耦合器的橫截面結(jié)構(gòu)示于圖2a。有關(guān)"園"保偏光 纖的詳細(xì)技術(shù)描述，參見本發(fā)明人先前的發(fā)明專利中國ZL88107839.X, ZL01132102.4和美國5,452,394。圖2a中，標(biāo)號l， 2， 3示三根"園"保偏光纖 的橫截面，100， 200， 300示相應(yīng)光纖的纖芯；每一纖芯之外對稱于纖芯的三個(gè) 劃斜線園代表一組應(yīng)力區(qū)，它們在制造工藝?yán)z過程中圍繞纖芯旋轉(zhuǎn)從而在制成 的光纖中產(chǎn)生園雙折射。組成3X3 "園"保偏光纖耦合器的三根光纖之纖芯在其 橫截面上相互對稱，形成一三角形。在縱方向或軸方向亦即傳輸方向，每條應(yīng)力區(qū)圍繞纖芯旋轉(zhuǎn)而成一螺旋線(圖 2a中未示出。可參見圖6b右側(cè)和圖6c兩側(cè))。和3X3線保偏光纖耦合器不同， 對于3X3 "園"保偏光纖耦合器而言，其制造程序只要求三根纖芯在耦合區(qū)內(nèi)準(zhǔn) 確平行。在所述耦合器的每一 "園"保偏光纖中，三根應(yīng)力區(qū)的橫截面位置形成一等 邊三角形，而三根"園"保偏光纖則相互靠緊成為一束，如圖2a所示。注意圖 中的三個(gè)等邊三角形(每一三角形由三條應(yīng)力區(qū)構(gòu)成)，其相互之間的方向完全 是任意的。這一特點(diǎn)，即對應(yīng)力區(qū)位置無約束條件，是對實(shí)際應(yīng)用有利的重要優(yōu) 點(diǎn)，使得3X3"園"保偏光纖耦合器極具吸引力。制造此種光纖耦合器完全避免 了調(diào)整多條應(yīng)力區(qū)幾何關(guān)系的極其繁復(fù)的技術(shù)問題。這一特點(diǎn)對將園保偏光纖耦 合器各光纖臂熔接于用"園"保偏光纖構(gòu)成的傳感器光纖回路中亦極為有利，因 它只要求纖芯對纖芯即可。圖2b示3X3 "園"保偏光纖耦合器的另一結(jié)構(gòu)形式，其中三根光纖位于同 一平面上，即三根纖芯的橫截面連成一直線。和圖2a中三纖芯形成三角形的情 況相同，圖2b所示直線幾何亦只要求調(diào)整纖芯準(zhǔn)確平行，而對三組應(yīng)力區(qū)的相 對幾何則無約束性要求。圖2b的直線幾何在工藝上更為簡單，因所需三根光纖 的夾具更為簡單。另一方面，圖2b中園偏振光宜由居中的光纖入端饋入，以利 于在二側(cè)光纖中入射光功率等分。所述3X3 "園"保偏光纖耦合器，即圖1中的標(biāo)號14，是光纖全"園"偏振 光Sagnac干涉型傳感器結(jié)構(gòu)的核心，同時(shí)起著"園"偏振光分光和"園"偏振 光路無源偏置之作用。圖1中標(biāo)號11是提供線偏振光的光源，通過"零到快"光纖四分之一波片12 (發(fā)明專利中國ZL01112680.9;美國7,206,468)變換為 園偏振光，饋給整個(gè)光纖全園偏振光回路。不言而喻，此光纖四分之一波片12 的"零旋"(即不旋)端可固定接于線偏振光源11，從而使兩者構(gòu)成一個(gè)集成單 元，即成為一臺提供園偏振光的特種光源。所述3X3 "園"保偏光纖耦合器14從所述光纖四分之一波片12的"快旋" 端接受園偏振光。此園偏振光束于是被分成三束園偏振光。 一光束直接傳到耦合 器中間光纖臂的另一端(系一匹配端，如前述)，其功率消耗在此匹配端中。耦 合器二側(cè)光纖臂中的兩束園偏振光則進(jìn)入到由園保偏光纖繞成的光纖探測環(huán)(或 傳感環(huán))15在此光纖環(huán)中分別按順、逆時(shí)針方向環(huán)行，然后分別從該探測環(huán)15 的另二端(即交替端)射出。此二束載有信號的返回園偏振光從反向進(jìn)入3X3 "園"保偏光纖耦合器，在其中耦合區(qū)重新疊合并進(jìn)行干涉，然后從二側(cè)光纖臂 分別提供光功率P!和P2，由平衡光電檢測器13a和13b進(jìn)行檢測，經(jīng)熟知的簡 單信號處理得到由(P, — P2) / (P, + P2)代表的信號光功率。所述全"園"保偏 光纖干涉型傳感器的工作點(diǎn)近于斜率最陡點(diǎn)，其靈敏度與動態(tài)范圍和利用有源偏 置的常規(guī)光纖Sagnac干涉型傳感器的相關(guān)指標(biāo)相近。圖1所示無源偏置干涉型傳感結(jié)構(gòu)既可用為電流傳感器，也可用為陀螺。在 電流傳感器應(yīng)用中，傳感機(jī)制依賴于Faraday效應(yīng)，因此用"園"保偏光纖繞成 的探測環(huán)具有獨(dú)特的優(yōu)越性，可探測由于相位改變而產(chǎn)生的信號，并可將已探測 到的信號在園保偏光纖環(huán)中加以保持。園保偏光纖(發(fā)明專利中國ZL88107839.X和美國5,452,394)的本征模式是右旋和左旋園偏振光。考慮一束園偏振光以順時(shí) 針或逆時(shí)針方向在園保偏光纖探測環(huán)中繞行，此園偏振光束的橫向場結(jié)構(gòu)(即偏 振態(tài)SOP)在整個(gè)傳輸過程中始終維持不變；所改變之量僅為園偏振光束之相位。 求解耦合模式方程(參見黃宏嘉著Microwave Approach to Highly Inrgeular Fiberoptics， Wiley出版，1998，第159頁)?？芍渲衏po代表起始相位；cpg,因園保偏光纖波導(dǎo)效應(yīng)而產(chǎn)生的相位改變；cpF， 因Faraday效應(yīng)而產(chǎn)生的相位改變，式中(AT)代表產(chǎn)生磁場的電流安培一匝數(shù)， V是Verdat常數(shù)。此外，重要的是，因波導(dǎo)效應(yīng)而出現(xiàn)的相位改變cpg是一互易過E(O):，麵E(丄)-71程，然而因Faraday效應(yīng)而出現(xiàn)的相位改變cpF則是一 "非互易"過程，因此分別 在順逆方向通過園保偏光纖探測環(huán)的二園偏振光束，其互易相位改變將抵消，而 其由于Faraday效應(yīng)而產(chǎn)生的"非互易"相位改變則將加倍，即等于2V (AT)。對于其工作機(jī)制基于Sagnac效應(yīng)的陀螺應(yīng)用而言，現(xiàn)時(shí)已成功運(yùn)行的光纖干 涉型陀螺(即角速度傳感器)全部都是(包括光纖探測環(huán))利用線保偏光纖制成。 線保偏光纖，不管任何類型，都能保持主軸線偏振本征模式。 一個(gè)由線保偏光纖 繞成的光纖探測環(huán)可探測出入射主軸線偏振光因Sagnac效應(yīng)而產(chǎn)生的相位改變， 且可保持此探測到的相位改變。對Sagnac效應(yīng)的一種唯象描述是光纖環(huán)的旋 轉(zhuǎn)使一束光的環(huán)行路徑縮短，而使另一束光的環(huán)行路徑加長。光纖探測環(huán)的轉(zhuǎn)動 不會影響環(huán)行光束原來的線偏振態(tài)，而發(fā)生改變的僅是其相位。本發(fā)明中示于圖1的傳感器光纖回路全部由園保偏光纖制成。此種支持園偏 振光的傳感器結(jié)構(gòu)和上段所述由線保偏光纖制成的支持線偏振光傳輸?shù)母缮婀?路結(jié)構(gòu)一樣，同樣適用于陀螺應(yīng)用。園保偏光纖探測環(huán)的轉(zhuǎn)動不影響環(huán)行光束的偏振態(tài)(SOP)，所改變的只是其相位。所述兩種類型的陀螺，其一是基于線保偏光纖中的主軸線偏振光，其二是基 于園保偏光纖中的園偏振光，其中因Sagnac效應(yīng)而發(fā)生的相位改變可用下列唯 象公式表述<formula>formula see original document page 11</formula>式中第一和第二行分別指線本征態(tài)傳輸和園本征態(tài)傳輸，其偏振態(tài)SOP在二種不同本征態(tài)情況下均保持不變，所改變的只是相位。(在公式中，(PQ， (Pg和CPs分別代表起始相位，波導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的相位改變和Sagnac效應(yīng)所產(chǎn)生的相位變化。) Sagnac效應(yīng)同樣是"非互易"過程，因而前文針對電流傳感Faraday效應(yīng)所述關(guān) 于互易與非互易相位改變的基本不同點(diǎn)同樣適用于陀螺中的Sagnac效應(yīng)。參照 圖l，由平衡光電檢測器測出的整個(gè)相位移可表示為[2;rZZ)/(lc)]Q，其中丄是光 纖長度；D，光纖環(huán)直徑；A,自由空間波長；c，自由空間光速；Q，陀螺所測 的旋轉(zhuǎn)速率。從"集成光纖技術(shù)"的觀點(diǎn)來看，圖1所示光纖傳感器結(jié)構(gòu)極具吸引力，因其全部光纖回路可由二段園保偏光纖組成。 一段是短纖，作為3X3"園"保偏光 纖耦合器中間光纖臂之用，它的入端與光纖四分之一波片12的"快旋"端相熔 接(只需芯對芯，無需調(diào)準(zhǔn)兩邊之應(yīng)力區(qū))，而它的出端則以斜角截?cái)喑蔀槠ヅ?端(一般>10° ，直到45°或更斜)。另一段則是很長一段園保偏光纖，其全長 需包括耦合器二側(cè)光纖臂之相加長度，此外，還需包括探測環(huán)的整個(gè)園保偏光纖 總長。此長段園保偏光纖的中間部分用于繞成光纖探測環(huán)，兩頭留出二段"尾纖"(約l米長或略短)，以供下一步程序中利用成熟的工藝技術(shù)，即"并攏光纖， 加熱熔融并伸拉"，以制成所需的3X3"園"保偏光纖耦合器。(僅需纖芯平行， 而無需考慮應(yīng)力區(qū)幾何方位)。如此，耦合器的兩側(cè)光纖臂加上整個(gè)光纖環(huán)可集 成為一體而不含熔接點(diǎn)或接頭?？梢哉f，所述基本上無接頭的光纖Sagnac干涉回路，如不利用本申請人先前發(fā)明的園保偏光纖，則將無法構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)室制造園保偏光纖(發(fā)明專利中國ZL88107839.X,ZL01132102.4和美 國5,452,394)的進(jìn)展達(dá)到可保持園度優(yōu)于0.95的園偏振光，從而對利用圖1所 示全園偏振態(tài)光纖回路構(gòu)成電流傳感器和陀螺(旋轉(zhuǎn)速率)傳感器提供了先決條 件。顯而易見，圖1所示傳感器代表了適用于電流傳感和陀螺的極為簡單、牢固 和低成本結(jié)構(gòu)，因而具有很大的潛在價(jià)值。所述全園偏振光傳感器結(jié)構(gòu)由于其潛在優(yōu)越性，故有深遠(yuǎn)之發(fā)展前景。不過， 在目前，傳感器結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀還是主要建立在線保偏光纖技術(shù)的基礎(chǔ)上。此為不可 忽視的事實(shí)，因?yàn)榫€保偏光纖技術(shù)遠(yuǎn)比園保偏光纖技術(shù)要成熟得多，而且光纖回 路結(jié)構(gòu)中的元器件絕大部分在現(xiàn)時(shí)都是用線保偏光纖制成。至于3X3線保偏光 纖耦合器，前及述及，此種耦合器之制造由于工藝程序上不僅要求三根纖芯準(zhǔn)確 調(diào)準(zhǔn)平行，同時(shí)還要求由多條應(yīng)力區(qū)確定的三對鏡像對稱主軸準(zhǔn)確調(diào)整平行，故 其技術(shù)難度太大而不易達(dá)到實(shí)用，故國內(nèi)外僅極少數(shù)此種商品問世，而其各光纖 臂通線偏振光所達(dá)消光比尚不足20分貝，未能滿足實(shí)用要求。有鑒于現(xiàn)時(shí)此種3 X3線保偏光纖耦合器的技術(shù)水平，本發(fā)明披露一種3X3光纖耦合器的變化型式， 即一種3X3混合光纖耦合器，其結(jié)構(gòu)包含二根線保偏光纖結(jié)合一根單模光纖， 示于圖3a， 3b和4。圖3a是所述混合光纖耦合器的一種型式，其中標(biāo)號4是一節(jié)單模光纖，標(biāo)號 5和標(biāo)號6是二節(jié)線保偏光纖，此二節(jié)線保偏光纖縱截面上劃斜線，以示其區(qū)別于單模光纖。對每根光纖，數(shù)字后的a和b表示該光纖的端點(diǎn)。注意圖中單模光 纖兩端以大于IO。之斜角截短，從而形成匹配端面。此單模光纖可截短到足以全 部置于熱封套管10內(nèi)部，使得所制混合光纖耦合器的外部如同一 2X2線保偏光 纖耦合器?；蛘?，所述單模光纖段可在截短時(shí)仍留有略長之尾纖，例如，作為光 功率監(jiān)視之用。在此種情況下，混合光纖耦合器中單模光纖段的尾纖需加以固定， 這是因?yàn)?，單模光纖不具有抵抗外界微擾的能力，即使很短也要求其位置牢靠固 定，以保證傳感器光纖回路中偏振態(tài)的穩(wěn)定性。圖3a所示為3X3混合保偏光纖耦合器之側(cè)視圖。相應(yīng)的橫截面圖示于圖3b, 其中三根光纖4， 5和6置于同平面上，于是三根纖芯40， 50和60位于一直線 上。這種結(jié)構(gòu)使工藝上所用扣住三根光纖的夾口易于制作。注意在圖3b中，單 模光纖不是對稱地居中置于二線保偏光纖之間，而是置于二緊靠的線保偏光纖的 任一側(cè)。采取這種布局的理由很簡單，就是為了使二線保偏光纖之間的功率耦合 轉(zhuǎn)換更為有效。圖4示3X3混合保偏光纖耦合器的橫向幾何，其中單模光纖4連同二線保偏 光纖5和6三者形成一三角形；單模光纖4的位置對稱于線保偏光纖5和6的位 置。在制造此3X3混合保偏光纖耦合器時(shí)，三根纖芯均需調(diào)整為相互準(zhǔn)確平行， 而"應(yīng)力區(qū)平行"或"主軸平行"的要求只涉及二線保偏光纖的二對主軸，從而 極大地簡化了原來3X3線保偏光纖耦合器所要求的三對主軸相互準(zhǔn)確平行的技 術(shù)難點(diǎn)。與圖4相應(yīng)的側(cè)視圖未示出；以上結(jié)合圖3a和3b所述對其中單模光纖 短段的限制規(guī)定同樣適用于圖4所示的實(shí)施例。基于線保偏光纖回路的干涉型傳感器結(jié)構(gòu)示于圖5。此光纖回路之核心即是 以上結(jié)合圖3a， 3b和4所述的特種混合光纖耦合器。 一主軸線偏振光注入此混 合光纖耦合器18之一個(gè)臂。此線偏線振光由光源11提供，通過了單模光纖耦合 器16和起偏器17?；旌瞎饫w耦合器將入射線偏振光束分成三束線偏振光。 一束 光進(jìn)入單模光纖， 一直通向匹配端，并在此端消耗掉其功率。同時(shí)，另二束光耦 合到所述特殊混合光纖耦合器的二線保偏光纖臂，隨之進(jìn)入探測光纖環(huán)之二端， 如箭頭20a和20b所示，然后分別以順逆時(shí)針方向環(huán)繞探測光纖環(huán)。對于陀螺應(yīng) 用，此光纖環(huán)是由線保偏光纖繞成；但對于電流傳感器應(yīng)用，此光纖環(huán)則是用"園" 保偏光纖繞成，環(huán)的二端均熔接以光纖四分之一波片，以便再與混合光纖耦合器二線保偏光纖臂相熔接。在環(huán)繞探測光纖環(huán)之后，二線偏振光束在和箭頭20a與 20b相反方向返回，在混合光纖耦合器的耦合段中重新合并并發(fā)生干涉。于是， 返回并載有已傳感信號的光束重新通過起偏器和單模光纖耦合器16，最后由光電 檢測器13加以檢測。標(biāo)號16a是匹配端面；標(biāo)號19則或?yàn)橐黄ヅ涠嗣?，或再?接一檢測器，使之在所述干涉型光纖回路中構(gòu)成雙路檢測，從而增強(qiáng)靈敏度和擴(kuò) 大動態(tài)范圍。重新參考圖5中的混合光纖耦合器，其中短的一段單模光纖，表面看來似乎 "閑置"在光纖干涉回路之中。但實(shí)際上，此"閑置"單模光纖段起著提供所需 120°相位關(guān)系的重要作用，正是此不可缺少的相位關(guān)系使在光纖干涉結(jié)構(gòu)中實(shí) 現(xiàn)了無源偏置。以上所述本發(fā)明實(shí)施例之特點(diǎn)是以兩種3X3光纖耦合器在光纖傳感器中同 時(shí)起分光和無源偏置作用。以下披露本發(fā)明另一實(shí)施例，其特點(diǎn)是用一集成 Faraday旋轉(zhuǎn)器專門起偏置作用，而在此之前，則以一常規(guī)2X2線保偏光纖耦合 器起分光作用。所述起無源偏置作用的集成旋轉(zhuǎn)器單元，含一精細(xì)光學(xué)磁光旋轉(zhuǎn) 單元，兩邊分別接以"零到快"和"塊到零"光纖四分之一波片(參見發(fā)明專利 中國ZL011126S0.9;美國7,206,468)。實(shí)驗(yàn)室小批量樣品已達(dá)到的指標(biāo)是，在 集成旋轉(zhuǎn)器單元兩端線偏振光消化比近30分貝，在中間部分園偏振光的園度優(yōu) 于0.95。圖6a是所述集成旋轉(zhuǎn)器單元的一種樣品，圖中中間部分是一精細(xì)光學(xué)45。磁 光旋轉(zhuǎn)器，標(biāo)號22a和22b分別是"零到快"和"快到零"光纖四分之一波片。 標(biāo)號23是纖芯；標(biāo)號24是應(yīng)力區(qū)。 一主軸線偏振光進(jìn)入第一個(gè)光纖四分之一波 片22a的"零旋"即不旋端，在此光纖波片的另端即快旋端變換為園偏振光。此 園偏振光進(jìn)入并通過精細(xì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)器后發(fā)生45。非互易相位改變。然后，從旋轉(zhuǎn) 器射出的園偏振光進(jìn)入第二個(gè)光纖四分之一波片22b的快旋端，在通過光纖波片 后又變回為主軸線偏振光。顯而易見，所述集成Faraday旋轉(zhuǎn)器適于熔接在一主 要由線保偏光纖構(gòu)成的常規(guī)干涉光纖回路之中。在此種光纖回路中接入所述集成 Faraday旋轉(zhuǎn)器單元只需用標(biāo)準(zhǔn)的保偏光纖熔接機(jī)即可。圖6b和6c是所述集成旋轉(zhuǎn)器單元的兩種變化型式。圖6b的結(jié)構(gòu)是在中間精 細(xì)光學(xué)磁光旋轉(zhuǎn)單元的一邊接以光纖四分之一波片22a，而另一邊則接以"園"保偏光纖22c。這種型式的集成Faraday旋轉(zhuǎn)器適于接入一種光纖干涉光路，其 中旋轉(zhuǎn)器的"零旋"即不旋端與光路中線保偏光纖元件或器件相熔接，而旋轉(zhuǎn)器 的園保偏光纖端則與光路中園保偏光纖元件或器件相熔接。圖6c的結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn) 器兩邊均為園保偏光纖，適合接入一主要由園保偏光纖構(gòu)成的光纖回路。所述集成旋轉(zhuǎn)器單元的一個(gè)典型的應(yīng)用例示于圖7。比較圖7和圖5可見， 此二圖中所示之光纖干涉回路在光源一邊和光纖探測環(huán)一邊都很相似。但在此二 圖之中間部分則有很大的不同。圖5中的3X3混合光纖耦合器不單起著分光作 用，同時(shí)還造成120°相位關(guān)系，從而提供無源相位偏置。但從圖7可見，分光 和無源相位偏置則分別由2X2線保偏光纖耦合器25和集成45°旋轉(zhuǎn)器21完成。圖7中標(biāo)號25a或?yàn)槠ヅ涠嘶蚪右粤硪还怆姍z測器，從而構(gòu)成一雙路檢測， 用以提高靈敏度和擴(kuò)大動態(tài)范圍。在中間精細(xì)光學(xué)磁光旋轉(zhuǎn)單元兩邊，兩個(gè)字母 c和c表示通過此旋轉(zhuǎn)單元的光束始終保持園偏振態(tài)，僅其相位發(fā)生45。變化。 圖中豎虛線上方的二大寫字母丄和丄表示在集成Faraday旋轉(zhuǎn)器的二端均出現(xiàn)主 軸線偏振光，故適合接入圖7所示主要由線保偏光纖構(gòu)成的干涉光路之中。圖7右邊的二水平箭頭27a和27b表示圖中光纖回路右邊端點(diǎn)接于一光纖探 測環(huán)(圖中未示)。先前結(jié)合圖5所述，對圖7同樣適用，即在陀螺應(yīng)用中， 該探測環(huán)是用線保偏光纖繞成；而在電流傳感器應(yīng)用中則該探測環(huán)是由園保偏光 纖繞成，但需在探測環(huán)的兩端熔接二光纖四分之一波片，以使從探測環(huán)射出的順 逆時(shí)針二束園偏振光變換為線偏振光(如圖中二豎箭頭所示)，以適合與圖7中 之光纖干涉回路相互匹配。圖8示無源偏置傳感器結(jié)構(gòu)的一種變化形式，含集成旋轉(zhuǎn)器單元26，其整體 結(jié)構(gòu)示于圖6b。比較圖8與圖7可見，二者區(qū)別僅在于從集成旋轉(zhuǎn)器單元射出光 束的偏振態(tài)SOP。對于圖8，所述SOP是園偏振態(tài)，如大寫字母C所示，因此旋 轉(zhuǎn)器單元的端點(diǎn)20b可直接與一由園保偏光纖繞成的探測環(huán)相接，從而省去光纖 探測環(huán)一端的"快到零"光纖四分之一波片。以下簡述集成45。非互易Faraday旋轉(zhuǎn)器的數(shù)學(xué)物理原理。集成旋轉(zhuǎn)器中間 一段精細(xì)光學(xué)磁光無源Faraday旋轉(zhuǎn)單元，其性能可表示為下列旋轉(zhuǎn)矩陣cos91 sin8R =一sinS cos 9式中S是旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角，可取(+ )或(一)值，其一代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另 一則代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。x-主軸和少-主軸線偏振光的列矩陣為<formula>formula see original document page 16</formula>圖偏振光的列矩陣為<formula>formula see original document page 16</formula> 其中9。為園偏振光的起始相位，土代表右旋和左旋園偏振光。 一主軸(如，jc)方向的線偏振光通過Faraday旋轉(zhuǎn)器后變?yōu)?<formula>formula see original document page 16</formula> 此結(jié)果表示線偏振光通過Faraday旋轉(zhuǎn)器保持其線偏振態(tài)而不產(chǎn)生相位改 變，所改變的只是它的方位角。式中&稱為Faraday旋轉(zhuǎn)角。 一園偏振光(如，右旋光)通過Faraday旋轉(zhuǎn)器變?yōu)?<formula>formula see original document page 16</formula> 此結(jié)果表示園偏振光通過Faraday旋轉(zhuǎn)器始終保持其園偏振態(tài)，所改變的僅 為其相位，此即Faraday效應(yīng)對園偏振光的影響?，F(xiàn)考查圖6a所示之集成旋轉(zhuǎn)器，含兩邊"零到快"和"快到零"光纖四分之 一波片和居中的精細(xì)光學(xué)磁光旋轉(zhuǎn)單元。下列關(guān)于光纖四分之一波片的矩陣表示 式是引自黃宏嘉專著Microwave Approach to Highly InrgeularFiber Optics,Wiley InterScience 1998, p.246:<formula>formula see original document page 16</formula> 式中結(jié)構(gòu)參量p-f兀[l + 4(Lj^)Y^是指波長^，旋距4和光纖全長丄的函數(shù)；T和土的上下標(biāo)分別表示光纖"零到快"和"快到零"四分之一波片。 一主軸(如，x)方向的線偏振光通過所述集成旋轉(zhuǎn)器后變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 16</formula> 式中T,， 丁2是光纖"零到快"和"快到零"四分之一波片的變換矩陣；R是Faraday旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角9，取為45° ; E,是入射x主軸方向線偏振光，其起始相位為 ；(p,+p。是線偏振光由于二光纖四分之一波片的波導(dǎo)效應(yīng)而產(chǎn)生的相 位改變最后的45°是Faraday旋轉(zhuǎn)器所產(chǎn)生的相位改變。此處的一個(gè)帶有基本 性質(zhì)的重要之點(diǎn)是波導(dǎo)效應(yīng)所產(chǎn)生的相位改變是互易性，而Faraday效應(yīng)所產(chǎn) 生的相位改變則是非互易性；因而，如往返兩次通過集成旋轉(zhuǎn)器單元，則總的互 易性相位改變將互相抵消為零，而總的非互易性相位改變則將加倍。由此可見， 所述集成45。旋轉(zhuǎn)器單元在光纖Sagnac干涉回路中提供一最佳即90°的無源偏置。對于圖6b所示另一形式的集成45。旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)行為可類似推導(dǎo)如下<formula>formula see original document page 17</formula>其中p是光纖四分之一波片的結(jié)構(gòu)參量，此波片由一x主軸方向的線偏振光 所激發(fā)；Pt是園偏振光通過輸出端園保偏光纖段所產(chǎn)生的相位改變；其余符號的意義均與以上針對前一公式所作說明相同。以上是本發(fā)明的詳細(xì)描述，由此顯然而見，本發(fā)明尚可以多種方式加以描述。 這些變化不能認(rèn)為是不同于本發(fā)明的精神和內(nèi)容，因而所有這些對本專業(yè)人員不 言而喻的改動均應(yīng)列入下列權(quán)利要求所述之范疇。
權(quán)利要求
1. 一種無源偏置光纖傳感器，包括一提供線偏振光的光源；一“零到快”光纖四分之一波片，其不旋端與所述光源相連接，從而使此光纖四分之一波片提供一園偏振光注入光纖回路；一3×3“園”保偏光纖耦合器，其中間光纖臂之一端與所述光纖四分之一波片之快旋端相連接，另一端截短為匹配端；一光纖探測環(huán)，其兩端與所述3×3“園”保偏光纖耦合器二側(cè)光纖臂的各一端相連接；以及一對光電探測器，接于所述3×3“園”保偏光纖耦合器二側(cè)光纖臂的各另一端，用以探測返回光束所攜載之信號光功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述3X3"園"保偏光纖耦 合器的三根園保偏光纖之位置相互對稱，使所含三個(gè)纖芯的橫截面幾何成為三角 形，所述三根園保偏光纖之中任一根均可作為接受園偏振光激發(fā)的輸入端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述3X3"園"保偏光纖耦 合器的三根園保偏光纖位于同一平面，使所含三個(gè)纖芯的橫截面幾何成為一直 線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)為園保偏光 纖探測環(huán)，用以探測此光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動速率，所述光纖環(huán)中二園偏振光束在順、逆 時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Sagnac效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差正比于被測的光纖環(huán)轉(zhuǎn)動速率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)為園保偏光 纖探測環(huán)，用以探測此光纖環(huán)所環(huán)繞的電流，所述光纖環(huán)中二園偏振光束在順、 逆時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Faraday效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差正比于被測電流的安培匝數(shù)。
6. —種無源偏置光纖傳感器。包括 一提供線偏振光的光源；一 2X2單模光纖耦合器，其中一光纖臂受所述線偏振光之激發(fā)；一與所述2X2單模光纖耦合器經(jīng)由一起偏器相連接的3X3混合光纖耦合器， 含一根單模光纖和二根線保偏光纖，此二根線保偏光纖起分光作用，同時(shí)因與單 模光纖相互耦合而產(chǎn)生120°相位關(guān)系，從而提供傳感器干涉光路中的無源偏置；一光纖探測環(huán)，其二端與所述3X3混合光纖耦合器中二線保偏光纖輸出端相 連接；以及一光電探測器，接于所述2X2單模光纖耦合器的另一光纖臂，用以探測返回 光束所攜載之信號光功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述3X3混合光纖耦合器 的橫截面結(jié)構(gòu)是由二線保偏光纖和一單模光纖相互緊靠組成，所含三個(gè)纖芯相互 間等距離，形成一三角形，其中單模光纖兩端以斜角截短，成為二匹配端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述3X3混合光纖耦合器 的橫截面結(jié)構(gòu)是由二線保偏光纖和一單模光纖在同一平面上緊靠組成，所含三個(gè) 纖芯形成一直線，其中單模光纖兩端以斜角截短，成為二匹配端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)是用線保偏 光纖繞成，用以探測此光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動速率，所述光纖環(huán)中二線偏振光束在順、逆 時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Sagnac效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差正比于被測的光纖環(huán)轉(zhuǎn)動速率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)是用園保偏 光纖繞成，且所述光纖環(huán)的二端均接以"快到零"光纖四分之一波片，從而使傳 感器干涉光路中線偏振光變換為園偏振光后進(jìn)入光纖環(huán)用以探測此光纖環(huán)所環(huán) 繞的電流，所述光纖環(huán)中二園偏振光束在順、逆時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Famday效 應(yīng)而產(chǎn)生的相位差正比于被測電流的安培匝數(shù)。
11. 一種無源偏置光纖傳感器，包括 一提供線偏振光的光源；一 2X2單模光纖耦合器，其中一光纖臂受所述線偏振光之激發(fā)； 一2X2線保偏光纖耦合器，用為線偏振光分束器； 一集成Faraday旋轉(zhuǎn)器，起無源偏置作用；一光纖探測環(huán)，該光纖探測環(huán)的一端接于所述2X2線保偏光纖耦合器的一個(gè)輸出端，該光纖探測環(huán)的另一端經(jīng)由所述集成Faraday旋轉(zhuǎn)器接于所述2X2線保 偏光纖耦合器的另一輸出端；以及一光電探測器，接于所述2X2單模光纖耦合器，用以探測返回光束所攜載之 信號光功率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述集成Famday旋轉(zhuǎn)器含 一居中的精細(xì)光學(xué)磁光45。旋轉(zhuǎn)單元，此單元之一邊接以"零到快"光纖四分之 一波片，另一邊接以"快到零"光纖四分之一波片，從而使所述集成Faraday旋 轉(zhuǎn)器適于接入由線保偏光纖構(gòu)成的傳感器干涉光路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述集成Faraday旋轉(zhuǎn)器含 一居中的精細(xì)光學(xué)磁光45。旋轉(zhuǎn)單元，此單元之一邊接以"零到快"光纖四分之 一波片，使其不旋端與傳感器干涉光路中線保偏光纖相匹配，而另一邊則接以園 保偏光纖，使之與光纖探測環(huán)相匹配。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述集成Faraday旋轉(zhuǎn)器含 一居中的精細(xì)光學(xué)磁光45。旋轉(zhuǎn)單元，此單元之二邊均接以園保偏光纖，使所述 集成Faraday旋轉(zhuǎn)器適于接入由園保偏光纖構(gòu)成的傳感器干涉光路。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)是用線保 偏光纖繞成，用以探測此光纖探測環(huán)的轉(zhuǎn)動速率，所述光纖探測環(huán)中二線偏振光 束在順、逆時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Sagnac效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差正比于被測的光纖 探測環(huán)轉(zhuǎn)動速率。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述光纖探測環(huán)是用園保 偏光纖繞成，用以探測此光纖探測環(huán)所環(huán)繞的電流，所述光纖探測環(huán)中二園偏振 光束在順、逆時(shí)針方向環(huán)行時(shí)由于Famday效應(yīng)所產(chǎn)生的相位差正比于被測電流 的安培匝數(shù)，進(jìn)一步，所述光纖探測環(huán)的二端均接以"快到零"光纖四分之一波 片，從而使傳感器干涉光路中線偏振光變換為園偏振光后進(jìn)入所述光纖探測環(huán)。
全文摘要
無源偏置光纖陀螺和電流傳感器的實(shí)施例之一，其核心是由“圓”保偏光纖構(gòu)成的3×3“圓”保偏光纖耦合器。該耦合器在Sagnac干涉型傳感器光纖回路中同時(shí)起分光和無源偏置之作用。作為一種變換的3×3混合光纖耦合器由二根線保偏光纖和一根常規(guī)單模光纖構(gòu)成。其中二根線保偏光纖的尾纖均接在基于線保偏光纖的干涉光纖回路中，而單模光纖的二端則均以斜角截為短段，從而在二端形成匹配端面。無源偏置光纖傳感器的另一實(shí)施例其核心是集成Faraday旋轉(zhuǎn)器，含精細(xì)光學(xué)磁光45°旋轉(zhuǎn)單元，其一端接以“零到快”光纖四分之一波片，另一端接以“快到零”光纖四分之一波片。無源偏置的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，無需人工調(diào)諧，工作穩(wěn)定等。
文檔編號G01C19/64GK101275834SQ200710111969
公開日2008年10月1日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者黃宏嘉 申請人:黃宏嘉