一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路的制作方法
【專利摘要】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波導集成光學器件，光纖環(huán)采用折射率導引型光子晶體光纖，光纖環(huán)繞制時采用繞制一層固化一層的方式，Y波導尾纖采用和光纖環(huán)相同結構形式的同類型光纖。光子晶體光纖的設計在滿足陀螺的雙折射要求同時，模場與Y波導芯片的模場相匹配，并通過縮孔的方法進一步擴大光纖的模場，減小光纖接續(xù)帶來的附加損耗。所設計的干涉光路具有偏振穩(wěn)定性好、磁場靈敏度低、抗輻照等特點，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、磁場靈敏度低的特點，特別適合于衛(wèi)星等空間飛行器應用的高精度光纖陀螺。
【專利說明】一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路
【技術領域】
[0001] 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 領域。
【背景技術】
[0002] 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，已經(jīng)成為慣 性系統(tǒng)領域的主流儀表之一，在海陸空天各個領域得到廣泛應用。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波導集成光學器件、光纖環(huán)和光電探測器，其 中光纖環(huán)是光纖陀螺的敏感部件，光纖陀螺通過檢測光纖環(huán)中相向傳輸?shù)膬墒庵g的相 位差來檢測陀螺所敏感的角速度。與光纖環(huán)相關的最重要的誤差就是Shup e效應，該誤差 與光纖環(huán)繞制的對稱性及光纖本身的溫度系數(shù)直接相關。在采用相同的繞制工藝的前提 下，構成光纖環(huán)的光纖的溫度特性就是首要的關注對象。
[0003] 現(xiàn)有技術中，光纖環(huán)通常采用應力型保偏光纖，包括領結型、熊貓型、橢圓包層型 等，通過在包層內(nèi)添加不同形狀的應力區(qū)，人為地在光纖纖芯上施加非圓對稱應力，由于光 彈效應，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。由于光纖截面上 材料的膨脹系數(shù)不同，導致在溫度環(huán)境下，光纖的雙折射發(fā)生變化，從而引起光纖環(huán)誤差。
[0004] 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 也稱為微結構光纖，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。 從光纖導光機制的不同，可以將光子晶體光纖分為折射率導引型和光子帶隙型，前者纖芯 由純SiO 2構成，包層由周期分布的空氣孔和石英構成，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的光限制在空氣纖芯中傳輸。光 子帶隙型光纖的工藝相當復雜，到目前為止，光纖的損耗比較大，保偏的性能也不理想，而 折射率導引型實芯光子晶體光纖相對比較成熟，具備在光纖陀螺中應用的基礎。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，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、磁場靈敏度低、抗輻照等優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，包 括：Y波導集成光學器件和光子晶體光纖環(huán)，光信號經(jīng)過光子晶體光纖耦合進Y波導芯片， 然后從Y波導芯片等比例耦合進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波導輸入的光經(jīng)光纖環(huán)傳輸后返回到Y波導進行干涉，形成光纖陀 螺的干涉光路，其特點在于：
[0007] (1)所述光纖環(huán)采用折射率導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°C ;光 子晶體光纖的端面結構設計同時考慮光纖的雙折射特性、模場面積和形狀，即光纖的雙折 射不小于4χ1〇Λ模場面積不小于20 μ m2,模場橢圓度不大于0. 6 ;
[0008] (2)所述Y波導也采用保偏光子晶體光纖制備尾纖，光纖的結構類型和光纖環(huán)相 同，尾纖端部采用縮孔的方法變成無芯光纖，一方面進一步擴大模場，另一方面防止光纖磨 拋時空氣孔被污染；
[0009] (3)光纖環(huán)和Y波導采用熔接的方式進行耦合，熔接過程中采用較小的能量和較 短的時間，即能量控制在16W內(nèi)，時間控制在3. Os內(nèi)，防止光纖出現(xiàn)空氣孔塌縮造成較大的 損耗和模場畸變。
[0010] 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力。
[0011] 所述步驟（2)中Y波導采用的光子晶體尾纖與Y波導芯片進行對軸耦合時采用快 軸奉禹合。
[0012] 所述步驟（2)中用光子晶體光纖制備Y波導尾纖時，在光纖磨拋前進行縮孔，縮孔 利用熔接機的熱場復掃或是采用光纖拉錐機復掃，縮孔光纖的長度控制在10?15 μ m。
[0013] 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波導集成光學器件，光纖環(huán)采用折射率導引型光子晶體光纖（TIR-PCF)或是帶 隙型光子晶體光纖（PBG-PCF)，光纖環(huán)繞制時采用繞制一層固化一層的方式，Y波導尾纖采 用和光纖環(huán)相同結構形式的同類型光纖。光子晶體光纖的設計在滿足陀螺的雙折射要求同 時，模場與Y波導芯片的模場相匹配，并通過縮孔的方法進一步擴大光纖的模場，減小光纖 接續(xù)帶來的附加損耗。所設計的干涉光路具有偏振穩(wěn)定性好、磁場靈敏度低、抗輻照等特 點，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、磁場靈敏度低的特點，特別 適合于衛(wèi)星等空間飛行器應用的高精度光纖陀螺。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果在于：
[0015] (1)本發(fā)明由于采用了保偏光子晶體光纖繞制光纖環(huán)，通過采用較小的繞制張力 和繞制一層固化一層的固化方式，解決了光子晶體光纖環(huán)多孔結構在應力作用下易改變傳 輸特性的問題。
[0016] (2)通過采用縮孔后磨拋的技術，解決了光子晶體光纖磨拋過程中空氣孔污染導 致的光纖損耗增大和模場畸變的問題。
[0017] (3)通過單次熔接解決了光子晶體光纖熔接時容易出現(xiàn)塌孔的問題。
[0018] (4)采用該發(fā)明實現(xiàn)的光子晶體光纖陀螺與采用傳統(tǒng)應力型保偏光纖的陀螺相比 具有溫度穩(wěn)定性好、磁場靈敏度低、抗輻照等特點，另外，由于光子晶體光纖較好的抗彎性 使光纖陀螺具有更小的體積，非常適用于小體積、高精度的空間應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為光子晶體光纖陀螺的構成示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明采用的光子晶體光纖的端面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 與傳統(tǒng)的干涉式光纖陀螺相比，光子晶體光纖陀螺最大的差異就是采用光子晶體 光纖繞制光纖環(huán)，基于光纖類型的差異，可以分為折射率導引型和帶隙型，本發(fā)明采用折射 率導引型光子晶體光纖。以采用500米光子晶體光纖的光纖陀螺為例，闡述具體的實施方 式。
[0022] (1)光子晶體光纖端面結構設計
[0023] 采用有限元數(shù)值計算方法對光子晶體光纖的基模進行求解，通過模場分布及基模 等效折射率得到光纖的雙折射B、模場面積A rff和限制性損耗L，它們可以表示為：
【權利要求】
1. 一種基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，包括：Y波導集成光學器件和光 子晶體光纖環(huán)，光信號經(jīng)過光子晶體光纖耦合進Y波導芯片，然后從Y波導芯片等比例耦合 進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 輸入的光經(jīng)光纖環(huán)傳輸后返回到Y波導進行干涉，形成光纖陀螺的干涉光路，其特征在于： (1) 所述光纖環(huán)采用折射率導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°C ;光子晶 體光纖的端面結構設計同時考慮光纖的雙折射特性、模場面積和形狀，即光纖的雙折射不 小于5xl(T4,模場面積不小于25 ii m2,模場橢圓度不大于0. 6 ; (2) 所述Y波導也采用保偏光子晶體光纖制備尾纖，光纖的結構類型和光纖環(huán)相同，尾 纖端部采用縮孔的方法變成無芯光纖，一方面進一步擴大模場，另一方面防止光纖磨拋時 空氣孔被污染； (3) 光纖環(huán)和Y波導采用熔接的方式進行耦合，熔接過程中采用較小的能量和較短的 時間，即能量控制在16W內(nèi)，時間控制在3. Os內(nèi)，防止光纖出現(xiàn)空氣孔塌縮造成較大的損耗 和模場畸變。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，其特征在于： 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力。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，其特征在于： 所述步驟（2)中Y波導采用的光子晶體尾纖與Y波導芯片進行對軸耦合時采用快軸耦合。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體光纖的新型光纖陀螺干涉光路，其特征在于： 所述步驟（2)中用光子晶體光纖制備Y波導尾纖時，在光纖磨拋前進行縮孔，縮孔利用熔接 機的熱場復掃或是采用光纖拉錐機復掃，縮孔光纖的長度控制在10?15 ym。
【文檔編號】G01C19/72GK104316040SQ201410484241
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權日:2014年9月19日
【發(fā)明者】張志鑫, 秦偉亮, 李晶, 楊學禮, 張智華, 黃韜, 汪飛琴 申請人:北京航天時代光電科技有限公司