一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路

1.一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路的制作方法，其特征在于：
所述干涉光路包括Y波导集成光学器件和光子晶体光纤环，光信号经过光子晶体光纤耦合进Y波导芯片，然后从Y波导芯片等比例耦合进两根光子晶体光纤中输出，两根输出光纤分别与光子晶体光纤环的两端连接，从Y波导输入的光经光纤环传输后返回到Y波导进行干涉，形成光纤陀螺的干涉光路；
所述光纤环采用折射率导引型保偏光子晶体光纤绕制而成，光纤环绕制过程中张力控制在3～5g范围，采用带胶的方法固化光纤环，胶液的温度控制在40～60℃；光子晶体光纤的端面结构设计同时考虑光纤的双折射特性、模场面积和形状，即光纤的双折射为
4.07x10-4，模场面积为23μm2，模场椭圆度不大于0.6；
所述Y波导也采用保偏光子晶体光纤制备尾纤，光纤的结构类型和光纤环相同，尾纤端部采用缩孔的方法变成无芯光纤，一方面进一步扩大模场，另一方面防止光纤磨抛时空气孔被污染；
光纤环和Y波导采用熔接的方式进行耦合，熔接过程中采用较小的能量和较短的时间，即能量控制在16W内，时间控制在3.0s内，防止光纤出现空气孔塌缩造成较大的损耗和模场畸变。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路的制作方法，其特征在于：所述光纤环在绕制过程中在线层层固化，即光纤环绕完一层固化一层，避免光纤层间反螺纹交叉给光纤带来的应力。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路的制作方法，其特征在于：所述Y波导采用的光子晶体尾纤与Y波导芯片进行对轴耦合时采用快轴耦合。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路的制作方法，其特征在于：用所述光子晶体光纤制备Y波导尾纤时，在光纤磨抛前进行缩孔，缩孔利用熔接机的热场复扫或是采用光纤拉锥机复扫，缩孔光纤的长度控制在10～15μm。

一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路，属于光纤陀螺技术领域。\n背景技术\n[0002] 光纤陀螺由于具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等一系列特点，已经成为惯性系统领域的主流仪表之一，在海陆空天各个领域得到广泛应用。光纤陀螺的原理框图如图1所示，光路部分包含光源、光纤耦合器、Y波导集成光学器件、光纤环和光电探测器，其中光纤环是光纤陀螺的敏感部件，光纤陀螺通过检测光纤环中相向传输的两束光之间的相位差来检测陀螺所敏感的角速度。与光纤环相关的最重要的误差就是shupe效应，该误差与光纤环绕制的对称性及光纤本身的温度系数直接相关。在采用相同的绕制工艺的前提下，构成光纤环的光纤的温度特性就是首要的关注对象。\n[0003] 现有技术中，光纤环通常采用应力型保偏光纤，包括领结型、熊猫型、椭圆包层型等，通过在包层内添加不同形状的应力区，人为地在光纤纤芯上施加非圆对称应力，由于光弹效应，纤芯材料的折射率呈现出各向异性，从而产生较高的双折射效应。由于光纤截面上材料的膨胀系数不同，导致在温度环境下，光纤的双折射发生变化，从而引起光纤环误差。\n[0004] 光子晶体光纤的发展，使采用光子晶体光纤绕制光纤环成为可能。光子晶体光纤也称为微结构光纤，是一种具有二维缺陷的光子晶体，由Knight J C于1996年研制成功。从光纤导光机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率导引型和光子带隙型，前者纤芯由纯SiO2构成，包层由周期分布的空气孔和石英构成，由于空气孔的存在，使包层的等效折射率低于纤芯，故光可以按照传统的全内反射机制传输；后者纤芯为空气孔，包层也是周期分布的空气孔和石英，通过布拉格衍射的原理将一定波长的光限制在空气纤芯中传输。光子带隙型光纤的工艺相当复杂，到目前为止，光纤的损耗比较大，保偏的性能也不理想，而折射率导引型实芯光子晶体光纤相对比较成熟，具备在光纤陀螺中应用的基础。\n发明内容\n[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路，具有温度稳定性好、磁场灵敏度低、抗辐照等优点。\n[0006] 本发明的技术解决方案是：一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路，包括：Y波导集成光学器件和光子晶体光纤环，光信号经过光子晶体光纤耦合进Y波导芯片，然后从Y波导芯片等比例耦合进两根光子晶体光纤中输出，两根输出光纤分别与光子晶体光纤环的两端连接，从Y波导输入的光经光纤环传输后返回到Y波导进行干涉，形成光纤陀螺的干涉光路，其特点在于：\n[0007] (1)所述光纤环采用折射率导引型保偏光子晶体光纤绕制而成，光纤环绕制过程中张力控制在3～5g范围，采用带胶的方法固化光纤环，胶液的温度控制在40～60℃；光子晶体光纤的端面结构设计同时考虑光纤的双折射特性、模场面积和形状，即光纤的双折射不小于4x10-4，模场面积不小于20μm2，模场椭圆度不大于0.6；\n[0008] (2)所述Y波导也采用保偏光子晶体光纤制备尾纤，光纤的结构类型和光纤环相同，尾纤端部采用缩孔的方法变成无芯光纤，一方面进一步扩大模场，另一方面防止光纤磨抛时空气孔被污染；\n[0009] (3)光纤环和Y波导采用熔接的方式进行耦合，熔接过程中采用较小的能量和较短的时间，即能量控制在16W内，时间控制在3.0s内，防止光纤出现空气孔塌缩造成较大的损耗和模场畸变。\n[0010] 所述步骤(1)中光纤环在绕制过程中在线层层固化，即光纤环绕完一层固化一层，避免光纤层间反螺纹交叉给光纤带来的应力。\n[0011] 所述步骤(2)中Y波导采用的光子晶体尾纤与Y波导芯片进行对轴耦合时采用快轴耦合。\n[0012] 所述步骤(2)中用光子晶体光纤制备Y波导尾纤时，在光纤磨抛前进行缩孔，缩孔利用熔接机的热场复扫或是采用光纤拉锥机复扫，缩孔光纤的长度控制在10～15μm。\n[0013] 本发明的原理：一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路，包括光子晶体光纤环和Y波导集成光学器件，光纤环采用折射率导引型光子晶体光纤(TIR-PCF)或是带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)，光纤环绕制时采用绕制一层固化一层的方式，Y波导尾纤采用和光纤环相同结构形式的同类型光纤。光子晶体光纤的设计在满足陀螺的双折射要求同时，模场与Y波导芯片的模场相匹配，并通过缩孔的方法进一步扩大光纤的模场，减小光纤接续带来的附加损耗。所设计的干涉光路具有偏振稳定性好、磁场灵敏度低、抗辐照等特点，采用这种干涉光路的光纤陀螺具有抗辐照、温度稳定性好、磁场灵敏度低的特点，特别适合于卫星等空间飞行器应用的高精度光纤陀螺。\n[0014] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：\n[0015] (1)本发明由于采用了保偏光子晶体光纤绕制光纤环，通过采用较小的绕制张力和绕制一层固化一层的固化方式，解决了光子晶体光纤环多孔结构在应力作用下易改变传输特性的问题。\n[0016] (2)通过采用缩孔后磨抛的技术，解决了光子晶体光纤磨抛过程中空气孔污染导致的光纤损耗增大和模场畸变的问题。\n[0017] (3)通过单次熔接解决了光子晶体光纤熔接时容易出现塌孔的问题。\n[0018] (4)采用该发明实现的光子晶体光纤陀螺与采用传统应力型保偏光纤的陀螺相比具有温度稳定性好、磁场灵敏度低、抗辐照等特点，另外，由于光子晶体光纤较好的抗弯性使光纤陀螺具有更小的体积，非常适用于小体积、高精度的空间应用。\n附图说明\n[0019] 图1为光子晶体光纤陀螺的构成示意图；\n[0020] 图2为本发明采用的光子晶体光纤的端面结构示意图。\n具体实施方式\n[0021] 与传统的干涉式光纤陀螺相比，光子晶体光纤陀螺最大的差异就是采用光子晶体光纤绕制光纤环，基于光纤类型的差异，可以分为折射率导引型和带隙型，本发明采用折射率导引型光子晶体光纤。以采用500米光子晶体光纤的光纤陀螺为例，阐述具体的实施方式。\n[0022] (1)光子晶体光纤端面结构设计\n[0023] 采用有限元数值计算方法对光子晶体光纤的基模进行求解，通过模场分布及基模等效折射率得到光纤的双折射B、模场面积Aeff和限制性损耗L，它们可以表示为：\n[0024]\n[0025]\n[0026]\n[0027] 其中，Re[neff]为基模折射率的实部，Im[neff]为基模折射率的虚部。 为x向的等效折射率， 为y方向的等效折射率，λ为光波长，E为光的传输能量。光纤的基本结构如图2所示，设计光纤的端面结构为：小孔之间的间距Λ1＝5.2μm,大孔直径d2＝5.6μm，小孔直径d1＝2.8μm，大孔间距Λ2＝10.4μm，通过数值计算得到。所示结构的保偏光子晶体光纤双折射为4.07×10-4，模场面积约为23μm2，模场椭圆度为0.53。\n[0028] (2)光子晶体光纤环的绕制及固化\n[0029] 按照四极对称的方法绕制光纤环，张力控制在4g±0.5g。基于其多孔结构，浸胶过程中真空及压力环境易损伤光纤的结构，采用绕制过程中刷胶或是带胶的方式进行固化，胶黏剂采用紫外固化胶，胶液的温度控制在50℃，为了减小层间反螺纹对光纤造成的额外应力，绕制一层后，采用紫外光进行固化，固化灯的功率为1500W，固化时间为5分钟，然后绕制下一层。直至整个光纤环绕制完毕。\n[0030] (3)Y波导尾纤制备\n[0031] 首先，将光子晶体光纤置于熔接机，选择放电能量为12W，复扫次数为3次，复扫时间为1s，复扫范围为50μm，完成光子晶体光纤的缩孔。将缩孔后的光纤安装于磨抛夹具，磨抛深度为35～40μm，夹具的磨抛角度按照如下公式计算：n1·sinθ1＝n2·sinθ2[0032] 其中n1为铌酸锂的折射率，n2为光子晶体光纤的折射率，θ1为铌酸锂芯片的切割角，θ2为光子晶体光纤的磨抛角度。代入θ1＝10°，n1＝2.14，n2＝1.45，故θ2＝14.7°。按照粗磨——精磨——抛光的流程制备Y波导尾纤，并完成光纤的对轴耦合。\n[0033] (4)干涉仪光路连接耦合\n[0034] 由于光纤环与Y波导均采用相同的光子晶体保偏光纤，因此熔接时设置加热位置居中，放电能量为16W，加热时间为1.0s，以同样的参数加热2次，完成光子晶体光纤的熔接。\n光纤的熔接损耗为0.4dB。\n[0035] (5)采用该干涉仪光路的陀螺测试结果\n[0036] 按照光纤陀螺的测试流程进行光纤陀螺的测试，与普通光纤陀螺有明显优势的测试结果如表1所示。\n[0037] 表1\n[0038]\n[0039] 总之，采用光子晶体光纤绕制光纤环，同时Y波导的尾纤也采用相同的光子晶体光纤，可以有效减小熔接损耗和偏振误差。通过结构设计，获得具有较高双折射和与Y波导芯片模场相匹配的光子晶体光纤，由于光子晶体光纤温度敏感系数和磁场敏感度均较低，故可以有效提升光纤陀螺的温度稳定性、降低磁场灵敏度。另外，光子晶体光纤由纯石英和空气孔构成，因此在辐照条件下不存在色心沉积问题，具有较好的抗辐照性能，非常适合于空间应用。