（光学工程专业论文）谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔偏振耦合测试系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 谐振式光纤陀螺作为新一代惯性旋转传感器的代表，是近年来光纤陀螺研究的重要方 向。光纤谐振腔是谐振式光纤陀螺的核心部分，对光纤谐振腔内偏振耦合的测量与控制是 实现谐振式光纤陀螺高品质谐振的重要基础。 本文基于谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔偏振耦合测试的应用背景，采用白光干涉法 实现对保偏光纤谐振腔偏振耦合的检测，设计了基于白光干涉法的m i c h e l s o n 光纤干涉仪 保偏光纤偏振耦合测试系统，通过实验证明了光纤结构的白光偏振耦合测试系统能够有效 地检测出保偏光纤及保偏光纤谐振腔中寄生的偏振耦合点的位置和耦合强度，能够为制造 良好谐振特性和偏振特性的保偏光纤谐振腔提供测试手段，提高谐振式光纤陀螺的性能。 论文首先介绍了课题的研究意义和应用背景，简要介绍了保偏光纤及其偏振耦合现 象；然后对m i c h e l s o n 白光干涉法偏振耦合测试的原理进行分析，得到投影角度对耦合系 数测量灵敏度的影响、测试系统的测量范围和空间分辨率。其次对9 0 0 对接的双耦合器的 保偏光纤谐振腔的偏振耦合进行了理论分析，得到了各偏振模式干涉项的理论公式，建立 了理论计算模型；进而对9 0 0 对接的双耦合器的保偏光纤谐振腔的谐振理论进行分析，得 到保偏光纤谐振腔的谐振响应曲线，为进行光纤谐振腔偏振耦合测试及保偏光纤谐振腔谐 振特性和偏振特性测试提供了理论基础。在理论分析的基础上，设计搭建了基于白光干涉 法的m i c h c l s o n 光纤干涉仪偏振耦合测试系统，进行了单耦合点、多耦合点、小耦合系数 的保偏光纤偏振耦合测试实验和光纤耦合器偏振耦合测试实验，得到投影角度为4 5 0 时系 统的耦合系数探测灵敏度可达7 0 d b ，测量误差小于2 5 的较好结果，验证m i c h c l s o n 白 光光纤干涉法偏振耦合测试的可行性和准确性。 最后，我们利用该测试系统对谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔9 0 0 对接过程进行检 测，制作出9 0 0 对接误差0 3 7 0 的保偏光纤谐振腔，对其谐振和偏振性能进行测试，得到 谐振精细度为2 4 、谐振深度为o 9 6 和相位间隔1 7 9 6 5 0 的稳定的保偏光纤谐振腔，具有良 好的偏振特性，能满足中低精度谐振式光纤陀螺的应用要求。 关键词：谐振式光纤陀螺；光纤谐振腔；保偏光纤；偏振耦合：白光干涉 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t r e s o n a n t o rf i b e ro p t i cg y r o s c o p ei st h er e p r e s e n t a t i v eo fan e w g e n e r a t i o ni n e r t i a lr o t a t i o n s e n s o r , w h i c hi sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no ff i b e ro p t i cg y r o s c o p ei nr e c e n ty e a r s f i b e r r e s o n a t o ri st h ec o r eo fr e s o n a n t o rf i b e ro p t i cg y r o s c o p e t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo f p o l a r i z a t i o nc o u p l i n g i nf i b e rr e s o n a t o ri sa n i m p o r t a n tb a s i so fa c h i e v i n gh i g l l 一q u a l i t y r e s o n a n c e i nt h i sp a p e r , w h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r yi su s e dt or e a l i z ep o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e r r e s o n a t o rp o l a r i z a t i o n c o u p l i n g t e s tb a s e do nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fp o l a r i z a t i o n c o u p l i n gt e s to fp m fr e s o n a t o ri nr e s o n a t o rf i b e ro p t i cg y r o s c o p e t h e nat e s t i n gs y s t e mo f p o l a r i z a t i o nc o u p l i n gb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw h i t e - l i g h tf i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m c t e ri s d e s i g n e d t h e nt h ev a l i d i t yo ft h ep o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s t i n gs y s t e mb a s e do nw h i t e - l i g h tf i b e r m i e h e l s o ni n t e r f e r o m c t e ri sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s a n dp a r a s i t i cp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gp o i n t l o c a t i o na n dc o u p l i n gs t r e n g t hi np m fa n dp m fr e s o n a t o rc a r lb ee f f e c t i v e l yd a e c t e d u s i n gt h i s s y s t e m t h e ni tc a np r o v i d et e c h n o l o g ys u p p o r to nt h ep r o c e s so fm a k i n ga nu p s t a n d i n g r e s o n a n c ec h a r a c t e ra n dp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e ro fp m fr e s o n a t o ra n dt h e ni m p r o v ep e r f o r m a n c e o ft h er e s o n a n tf i b e ro p t i cg y r o s c o p e 。 f i r s t l y , p a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hm e a n i n ga n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t a n dt h e np m f , p o l a r i z a t i o nc o u p l i n go fp m fa r eb r i e f l yd e s c r i b e d t h e nt h et e s t i n g p r i n c i p l eo f p o l a r i z a t i o nc o u p l i n gb a s e do nw h i t el i g h tm i c h e l s o ni n t c r f e r o m c “c r ya r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d a n dt h ea f f e c to fp r o j e c t i o nd e g r e et ot h em e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yo fc o u p l i n gc o e f f i c e n t , t h e m e a s u r er a n g ea n di n t e r s p a c er e s o l v i n gp o w e ra r eg a i n e d s e c o n d l y , t h ep o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s to f9 0d e g r e es p l i c ep m fr e s o n a t o rw i t ht w o c o u p l e r si st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n do b t a i n st h et h e o r yi n t e r f e r e n c ef o r m u l ao fp o l a r i z a t i o n m o d e ，t h e nr e s o n a n c et h e o r yo f9 0d e g r e es p l i c ep m fr e s o n a t o r 嘶t ht w oc o u p l e r si sa n a l y z e d a n dt h er e s o n a n c ec a lv eo fp m fr e s o n a t o ri sg o t , w h i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef i b e r r e s o n a n t o rp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s ta n dt h et e s to fr e s o n a n c ec h a r a c t e ra n dp o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s ts y s t e mb a s e do n w h i t el i g h tf i b e rm i c h e l s o ni n t c r f e r o m e t e ri sd e s i g n e df o r p o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s t so f as i n g l e c o u p l i n gp o i n t ，m u l t i - c o u p l i n gp o i n t ，as m a l lc o u p l i n gc o e f f i c i e n to fo p t i c a lf i b e ra n dp m f c o u p l e r , a n dt h e no b t a i n sag o o dr e s u l to f7 0 d bd e t e c t i o ns e n s i t i v i t ya n dl e s st h a n2 5 m e a s u r e m e n tb a i sw h e nt h ep r o j e c t i o nd e g r e ei s4 5d e g r e e ，w h i c hv 舐匆t h ef e a s i b i l i t ya n d v e r a c i t yo fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gt e s t i n gb a s e do nw h i t e - l i g h tm i e h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r f i n a l l y , t h et e s t i n gs y s t e mi su s e dt oi n s p e c tp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gi n d u c e db y9 0d e g r e e s p l i c eb i a sd u r i n gt h ep r o c e s so fm a k i n gap m fr e s o n a t o ri nr f o gt op r o d u c eap m f 国防科学技术大学研究生院学位论文 r e s o n a t o rw i t ht h es m a l l e s t0 3 7d e g r e es p l i c eb i a s t h e ni t sr e s o n a n c ec h a r a c t e ra n dp o l a r i z a t i o n c h a r a c t e ra r et e s t e da n dh a v eo b t a i n e ds t a b l ep m fr e s o n a t o rw a v e f o 加、i 也2 4f i n e s s e ， o 9 6 r e s o n a n td e p t ha n d17 9 6 5d e g r e ep h a s ei n t e r v a l t h ef i b e rr e s o n a t o rh a sg o o dp o l a r i z a t i o n p e r f o r m a n c e ，a n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fl o w o rm e d i u mp r e c i s i o nr - f o g k e yw o r d s ：r e s o n a t o rf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ；f i b e rr e s o n a t o r ；p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g f i b e r ：p o l a r i z a t i o nc o u p l i n g ：w h i l e - l i g h ti n t c r f e r o m c t r y 第x 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表 目录 表1 1 影响保偏光纤性能的因素7 表1 2 保偏光纤偏振耦合测试方法8 表4 1 被测保偏光纤参数4 7 表4 2 被测保偏光纤耦合器的参数_ 51 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 光纤谐振腔基本结构图1 图1 2 偏振波动引起谐振峰不稳定。2 图1 3 理想的谐振特性曲线3 图1 4 光纤双折射主轴旋转9 0 0 对接的保偏光纤谐振腔结构4 图1 5 保偏光纤偏振耦合现象7 图2 1 典型的白光干涉条纹1 2 图2 2 光源非单色性对干涉条纹的影响1 2 图2 3m i c h e l s o n 白光干涉法偏振耦合测试的原理图。1 3 图2 4m i c h e l s o n 白光光纤干涉仪偏振耦合测试系统结构图：。1 4 图2 5 两个偏振态干涉示意图16 图2 6 单耦合点干涉图。1 6 图2 7 起偏角度与耦合系数等效图1 8 图2 8 耦合系数和入射起偏角的关系图：1 9 图2 9 耦合系数和入射角误差的关系图19 图2 1 0 起偏角度为a 时经检偏后的偏振态振幅分布1 9 图2 1 l 起偏角度为口时经检偏后的两干涉峰干涉位置1 9 图2 1 2 两个偏振态与投影角度的相对位置关系2 0 图2 1 3 条纹对比度与投影角度关系2 1 图2 1 4 不同耦合系数对比度与投影角度关系2 1 图2 1 5 相对光强和投影角度的关系2 1 图2 1 6 归一化可探测耦合强度与投影角度矽的关系图2 2 图2 1 7 耦合强度的相对测量误差与投影角度及其误差之间的关系曲线2 2 图2 18 系统空间分辨率与光源线宽和光纤双折射系数的关系2 4 图3 1 保偏光纤谐振腔的结构示意图2 6 图3 2 光传至c 点时的偏振态。2 7 图3 3 光传至d 点时的偏振态2 7 图3 49 0 0 理想对接时光过e 点后的偏振态2 8 图3 59 0 0 非理想对接时光过e 点后的偏振态2 8 图3 6 光传至f 点时的偏振态2 9 图3 7 光传至g 点时的偏振态。2 9 图3 8 光传至h 点时的偏振态3 0 图3 9 投影后的波列分布3 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 1 0 双耦合器保偏光纤谐振腔输出光发生干涉的过程3 1 图3 1 l 双耦合器保偏光纤谐振腔偏振耦合干涉图3 4 图3 1 2 法布里珀罗干涉仪3 5 图3 1 3 法布里珀罗干涉仪透射和反射响应与光程和波长比值的关系3 6 图3 1 49 0 0 对接保偏光纤谐振腔姗，的谐振频率间隔。3 9 图4 1 直线电动台和步进电机驱动器实物图4 2 图4 2 探测器光电采集电路实物图4 3 图4 3 实验系统的实物图4 3 图4 4 初步熔接的光纤系统4 4 图4 5 红光对准调节光路实验4 4 图4 6 宽谱光源调节光路实验4 5 图4 7 窄带光源的干涉性观察实验4 5 图4 8 窄带光源干涉波形4 5 图4 9 宽谱光源干涉实验4 6 图4 1 0 宽谱光源仿真图和扫描干涉图4 6 图4 1 l 保偏光纤偏振耦合测试系统4 7 图4 1 2 单耦合点偏振耦合仿真结果和实验结果。4 7 图4 1 3 保偏光纤偏振耦合测试数据处理所得干涉波形图4 8 图4 1 4 双耦合点偏振耦合仿真结果和实验结果4 8 图4 1 5 三耦合点偏振耦合仿真结果和实验结果4 9 图4 1 6 小偏振耦合系数的偏振耦合测试实验系统4 9 图4 1 7 未接通光路时b 值的噪声本底5 0 图4 1 8s l d 、a s e 和e d f a 光源干涉图5 0 图4 1 9s l d 、a s e 和e d f a 光源小耦合系数测试结果5 1 图4 2 0 保偏光纤耦合器偏振消光比测试结果。5 2 图4 2 1 双耦合器谐振腔结构图5 2 图4 2 29 0 0 对接偏振耦合测试结果5 3 图4 2 3 微调后得到的最小9 0 0 对接误差偏振耦合测试结果5 3 图4 2 4 光纤谐振腔性能测试实验系统框图5 4 图4 2 5 光纤谐振腔输出响应曲线5 4 图4 2 6 环境变化引起的谐振曲线的相对位置的变化5 6 图4 2 7 光纤谐振腔谐振特性曲线5 6 图4 2 8 实测光纤谐振腔谐振曲线。5 6 图4 2 9 实测集成波导环谐振曲线5 6 图4 3 0g a s a n d e r s 光纤谐振腔谐振曲线5 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 造拯式巍红瞳坚堡堡左红造拯膣堡拯担佥测达歪统盈窒 学位论文作者签名： 登! 壹! 翌日期：夕年，月多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：造拯式左红睦蠼堡堡龙红造堑膣堡拯揖佥趔达丕统叠窥 学位论文作者签名：叠霞：望日期：矽矽年月力日 作者指导教师签名：丑2 过扯 日期：沙。年， 月哆日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景 光纤陀螺是基于光学s a g n a c 效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学 传感器，可用于不同精度应用场合，而保持较高的性能价格比。谐振式光纤陀螺( r e s o n a t o r f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，r f o g ) 是第二代光纤陀螺，是利用谐振腔的谐振特性及其在转动 时产生的s a g n a c 效应实现对转动角速度的测量【1 1 。它利用一个循环的环形谐振腔来增加旋 转引起的s a g n a c 效应，检测精度高，动态范围大，可以用较短的光纤、很小的体积实现高 灵敏度的转动检测，有着巨大发展潜力【2 】。正是由于r - f o g 在提高精度和降低成本上所具 有的突出特点，被认为是新一代光纤陀螺的代表而被广泛研究，吸引了不少国家的科研和 开发力量，期待着大的突破，目前r f o g 的研究还处于由实验室向实用化的转变。 光纤谐振腔是r - f o g 的核心元件，为多光束干涉系统，其原理与传统的f p 干涉仪 类似，是利用循环光波之间的多波干涉代替了反射光波之间的多波干涉，采用低损耗的光 纤耦合器代替了反射镜【3 】。多波束干涉仪的特性更像一个谐振腔，具有很窄的响应峰，当 干涉仪的厚度等于二分之一波长的整数倍或是谐振腔的传播一圈的光程等于光波长整数 倍时，产生谐振效应，对于特定的谐振波长，光被完全透射。目前光纤谐振腔的结构主要 有两类：反射式与透射式，如图1 1 所示。反射式光纤谐振腔利用谐振腔的反射谱，在谐 振频率点处的光功率将会下降，输出波形是亮背景下的暗峰；透射式光纤谐振腔利用谐振 腔的透射谱，输出波形是暗背景下的亮峰【4 】。 。反射”端 环形腔 ( a ) 反射式谐振腔( b ) 透射式谐振腔 图1 1 光纤谐振腔基本结构图 在实际应用中，由于采用高相干光源，它不能像i f o g 那样采用宽带弱相干光源简单 有效地降低各种寄生效应，谐振式光纤陀螺面临更为艰难的技术挑战，存在着诸多非互易 性噪声影响陀螺的性能，例如后向反射和散射、交叉偏振耦合、f a r a d a y 效应和k l 耵效应等 等。尤其是由于交叉偏振耦畲产生的偏振噪声，它不仅造成信号的衰减，而且还会产生一 个寄生的相位差，引起信号漂移，因此，环形谐振腔中影响性能的主要问题来自于偏振和 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 双折射，偏振波动是r - f o g 中的主要噪声源之一。 在光纤谐振腔中，要产生谐振，要求光波在光纤环中传输一周后其偏振态保持不变。 我们将满足这一条件的光波偏振态称为光纤谐振腔的本征偏振态【5 】( e i g e n s t a t eo f p o l a r i z a t i o n ，e s o p ) 。众所周知，单模光纤实际上传输两种偏振模式，由于光纤中的双折 射，这两种偏振模式的传播速度略有不同，会引起在光纤中传输光波的偏振态的变化，相 应地，在光纤谐振腔中存在两个本征偏振态e s o p i ， 6 1 ，这两种偏振模式传输一圈的光程不 同，两个本征偏振态分别产生各自的谐振波形，会产生两个独立的谐振频率，当环形腔旋 转时，会产生两个频差厶：尘至q ，其中n 为环形腔匝数，d 为环形腔的直径，q 为旋 n u 2 转速率，l i ，为两个不同的折射率，谐振频率值将由两本征偏振态的双折射系数n a 和，1 2 决 定。 除非光纤谐振腔中只存在一个本征偏振态，否则，由于环境扰动和温度变化等因素的 影响，光纤中的双折射发生变化，使得两本征偏振态e s o p , ：的双折射系数，l i 和，1 2 也发生 变化，引起两本征偏振态谐振峰之间的相对位置发生漂移，有时分离，有时交叠，从而导 致光纤谐振腔谐振峰的不稳定和非对称性，如图1 2 所示。 宣 兰 著 图1 2 偏振波动引起谐振峰不稳定 但是，谐振中心频率的精确测量不允许尖峰或陷波响应有任何很小的不对称性，否则 由于这种变化对于两个相反方向传播光束顺时针方向波和逆时针方向波来说不是完全一 致的，可能在陀螺输出中引入了由此偏振波动造成的频率差。而在理想的谐振特性曲线中， 谐振腔中选择性激励一个本征偏振态，如图1 3 所示，如果我们能选择性的激起两个偏振 本征态中的一个，那么，上述问题也就解决了。但是，这种方法是不可行，因为偏振本征 态的形状改变是由环境的波动引起的，而环境的变化是很难控制的。实际上，由于输入光 波的附加偏振误差，总会有一部分光耦合进交叉的偏振模式中去，而这种寄生交叉模式对 谐振响应产生影响，降低了主谐振信号的对称性。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 e s o p l选择激励的谐振e s o p l 图1 3 理想的谐振特性曲线 所以要获得光纤谐振腔的稳定谐振，还要考虑谐振腔的偏振特性。为了减少偏振波动 引起的的光纤谐振腔谐振峰的不稳定和非对称问题，有以下方法被提出来。 ( 1 ) 在光纤环内加入偏振控制器 7 1 偏振控制器不但能控制偏振方向，而且还能有意地选择偏振方向。因此，利用安放在 光纤环内的偏振控制器，可使光纤环中只存在一个本征偏振态，从而达到选择性激励一个 本征偏振态的要求。这种方法对偏振控制器的控制精度和消光比均有很高的要求，在实际 中是很难做到的。 ( 2 ) 保偏光纤构成谐振腔，并且在谐振腔入射端加入光纤起偏器【8 】 在没有模式耦合的情况下，保偏光纤谐振腔的本征偏振态将为两个线性极化态。这 时，通过在光纤谐振腔的输入端加入光纤起偏器，可以使得环形腔中只能选择性地激发一 个本征偏振态。然而，在实际系统中，保偏光纤环中仍然存在少量模式耦合和光纤熔接偏 振轴对准误差，这时另一本征偏振态仍将出现。因此，采用这种方法对光纤起偏器、保偏 光纤和光纤熔接均有相当严格的要求。 ( 3 ) 单偏振单模光纤谐振腔 9 1 在单偏振单模光纤中，一个偏振轴方向上的损耗远大于另一个偏振轴，从而能有效 地抑制一个方向上的偏振，使得在光纤环中只产生一个本征偏振态。但单偏振单模光纤价 格很高且光损耗较大，这将增大谐振腔损耗，使谐振精细度和谐振深度受到影响。 ( 4 ) 偏振轴旋转9 0 0 熔接保偏光纤谐振腔【l o 】f l l 】 在这种结构中，对应于两个本征偏振态的谐振峰之间的频率间隔不再随环境因素而 变化，两者之间频率间隔固定为f s r 2 ，环路相移差固定为石。一个偏振态的谐振峰正 好位于另一偏振态谐振峰的中间对称的位置，谐振腔的谐振波形保持稳定和对称。 ( 5 ) 缠绕的单模光纤谐振腔【1 2 l 此种结构的光纤谐振腔由一个两部分沿相反方向缠绕的单模光纤组成。由耦合器和 光纤熔接点将谐振腔光纤分成两部分，其中一部分光纤向左缠绕，另一部分光纤向右缠绕， 两个本征偏振态分别为左旋和右旋圆偏振态。为了使两个本征偏振态的谐振峰之间的频率 间隔稳定，光纤环两部分的长度差设置为圆双折射拍长的一半。这种方法的问题在于， 光纤的弯曲、非理想半波元件和输入光束的不完整圆偏振等都会使谐振峰之间的间隔产生 偏离，且这些参数会随着谐振环长度的变化( 长度会随温度变化) 而变化。 ( 6 ) 由写入光诱导双折射光栅的保偏光纤组成的谐振腔【1 3 】 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用逐点写入技术写入光诱导双折射光栅( 把双折射光纤周期性地曝光于相干紫外光， 其周期等于双折射光纤的拍长) 的保偏光纤做成光纤谐振腔，且使光栅长度等于谐振环长 度，这样整个谐振腔就成了一个转换效率很高( 高于9 5 ) 的模功率转换器。当光在谐振 腔中传输时，两本征偏振态的模功率逐渐转换，而模功率的完全转换能使相邻谐振点的间 隔固定不变，从而使谐振腔输出稳定。但是，就目前的技术水平来说，要得到写入光诱导 双折射光栅的保偏光纤并不容易。从技术及成本两方面考虑，此种方案在实际应用中并不 实用。 上述的各种方法中，理想的办法是采用单偏振光纤来构成谐振腔【5 】，但是这种光纤的 实际应用十分棘手，目前大多数谐振腔采用保偏光纤【1 4 1 。光纤陀螺常用的大多数保偏光纤 均基于光纤薄层中附加的应力结构引起的线性双折射。当一束线偏振光在光纤输入端沿其 中一个双折射主轴耦合进光纤时，能在光纤中保持这个偏振态。在光纤陀螺中，这种偏振 保持特性提供了互易性主波的大部分功率，避免了信号衰减，只有少量功率转化为交叉的 非互易光波。如上所述，通过采用保偏光纤，大部分光功率基本上存在于谐振腔的一个偏 振模式中，但由于寄生的偏振交叉耦合，仍有部分光波进入交叉模式中。这样，主谐振信 号上会叠加一个小的寄生谐振凹陷，随着温度的变化，寄生凹陷的位置会对主模式的谐振 响应发生漂移，导致谐振尖峰的不稳定性。 在目前的技术条件下，采用偏振轴旋转9 0 0 熔接保偏光纤谐振腔的方法是比较可行的， 它在谐振腔的加工制作上比较容易，不需要在光纤环中增加偏振控制器等光学元件，通过 采用专用的高性能光纤熔接机可以将偏振轴对准误差控制在较小的范围内。在谐振腔采用 保偏光纤基础上，在环形腔内增加一个光纤主轴旋转9 0 0 的熔接点，可以通过补偿延迟来改 善其谐振特性。光波沿环形腔传播一周的完整光程由两部分组成：一部分沿环形腔中的快 轴模式传播，另一部分沿环形腔的慢轴模式传播。以单耦合器保偏光纤谐振腔为例，其结 构如图1 4 所示。 c o u p l e rc p mf i b e r r i n g s p l i c e 图1 4 光纤双折射主轴旋转9 0 0 对接的保偏光纤谐振腔结构 耦合器c 为保偏光纤耦合器，厶、三：分别为端d 4 、3 的保偏光纤长度，两段保偏光 纤熔接偏振轴对准角度为9 0 。，角度以为耦合器的偏振交叉耦合。在制作过程中，耦合器 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的偏振交叉耦合和光纤熔接点的偏振轴对准误差等非理想因素，均影响到实际效果。 文献【1 5 】对9 0 0 对接的保偏光纤谐振腔进行了理论分析，要得到性能良好的保偏光纤谐 振腔，提高光纤陀螺的测量精度，除了对光纤偏振轴旋转9 0 0 对接外，在制作光纤谐振腔时 还需要遵循以下原则：两光纤尾端旋转9 0 0 对接时，要求熔接角对准误差小：耦合器输出端 预留适当长度的光纤，并且严格控制耦合器两输出端口光纤的长度，使两者等长；耦合器 要求消光比尽可能高，损耗尽量小；保偏光纤谐振腔输入光波要有良好的偏振特性。 由上述分析可知，光纤谐振腔的偏振波动是影响光纤陀螺精度的重要因素，而采用保 偏光纤偏振轴旋转9 0 0 对接的方法是目前解决光纤谐振腔偏振波动的最为可行的方法，但 是目前对保偏光纤谐振腔的偏振耦合现象和9 0 0 对接的角度对接质量却没有比较确实可 行的方法进行测量。本课题就是为了改善保偏光纤谐振腔的性能，提高陀螺精度，对保偏 光纤的偏振耦测试系统进行研究，设计一套保偏光纤偏振耦合测试系统，利用偏振耦合测 试系统，可以准确给出耦合点位置及耦合强度，能够实现对保偏光纤谐振腔的各种因素引 起的偏振耦合进行分布式测量，同时也可以对光纤偏振轴旋转9 0 0 对接时的保偏光纤谐振 腔的偏振耦合进行测量控制，在两光纤尾端旋转9 0 0 对接时减小对接误差角度进而减小由 此产生的偏振耦合，为制作出高精细度、高谐振深度和良好偏振特性的保偏光纤腔、改善 谐振式光纤陀螺性能提供技术支持。 1 2 保偏光纤及偏振耦合简述 一般的轴对称单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式h e ii x 和h e l l v ，若光纤是理想 的轴对称，即几何形状为理想圆，折射率均匀分布，则这两个正交模式在光纤中将会以相 同的速度传播，因而在传播过程中偏振态不会变化。但是，实际的光纤在制造过程中多少 总存在着非对称性，同时由于外部环境存在弯曲、压力等外部扰动，就会产生无序的双折 射，偏振光在光纤中的偏振态会不断变化，使输出偏振态在长时间周期上变得不稳定，光 纤的出射偏振态与入射偏振态有着极大的差异。因此一般的单模光纤不能用来传输偏振 光，需要想方法实现对光纤偏振态的保持。 随着光纤通信和光纤传感技术的发展，发展了能保持光波偏振态传输的单模光纤的研 究，这种特殊的单模光纤被称为保偏光纤( p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r ，p m f ) 。保偏光 纤具有对其内部传播光束偏振态的保持能力，使光的偏振态在光纤的输入端和输出端保持 致，广泛的应用于各个领域，光纤陀螺便是保偏光纤的重要应用领域。7 0 年代末，人们 通过理论分析提出了以固有高双折射来消除影响偏振状态的微扰双折射的方案【1 6 j 。保偏光 纤制造的基本思想是在制造单模光纤时，使得光纤中两个偏振基模间产生较大的差异，即 具有较大的双折射率。当忽略光纤损耗时，设沿z 轴传输的两个正交本征模h e , 和h e y ，根 据场型麦克斯韦方程组和耦合方程可以得到相应的串光比即模式耦合功率比为1 1 7 1 ： 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 叩= 彘= 丽4 k 万2 s 访0 5 厮) ( 1 。) 式中k 为耦合系数，为固有传播常数差，z 为传播距离。筇与固有模式双折射，l 有 如下关系： 筇= 等( 一b ) = 等，l n 卫) 其中， 以，靠。分别为光纤两个正交方向的折射率。从式( 1 1 ) ( 1 2 ) 可知，夕越大， ，7 越小，固有模式双折射刀越大则光纤保偏性能就越好。这样不简并的两个偏振分量基本 上可以独立传输，不容易发生模式耦合，在高双折射保偏光纤中，线偏振态被强制保持， 这就是高双折射光纤的保偏原理。当一束偏振光只激励两个偏振基模之中的一个时，在理 论上这束偏振光的能量将在对应的偏振基模中传输至出射端，这样就使得该偏振光束保持 了偏振性。 保偏光纤的偏振相关的特性参数有：固有模式双折射a n ( 拍长。) 和偏振串扰c t 。 ( 1 ) 固有模式双折射n 固有模式双折射n = i - - n y i ，心和b 分别为x 方向和y 方向的折射率。如果在保偏光 纤中同时激发有h e l l x 和h e l l v 模时，沿光纤中传输光波的偏振态将是周期性变化的，那么 每变化一个周期对应的光纤长度称为拍长，其定义为：乙= 么万，其中旯为传输光在真 空中的波长。在实际应用中，一般均测量保偏光纤的拍长并将其作为衡量光纤保偏能力的 一个重要参数，目前测量拍长的方法主要有散射法、偏振色散法、扭转法、压力法、光弹 性调制法、电磁法和剪断法等【1 8 】，利用偏振耦合测试方法也可以对保偏光纤拍长进行测量。 ( 2 ) 偏振串扰c t 偏振串扰是保偏光纤的重要参数之一，在保偏光纤一端只激励h e l l x 模的情况下，由 于存在正交模式耦合，输出端会有两个偏振分量h e l l x 和h e l l ”定义它的串音为 c r = 1 0 l g ( 多) ，式中，弓分别表示激励模h e t - x 和耦合模h e t y 的功率。 近年来，由于高双折射保偏光纤对沿其特征轴传输的线偏振光具有较强的偏振保持能 力，并且与普通单模光纤有良好的相容性，而在光纤通信、光纤传感等领域取得了广泛应 用。但是，即使在保偏光纤中，由于各种内外部干扰如光纤内部结构的不完善、工作波长 以及非线性效应；外部温度变化、机械扰动和电磁效应等原因，如表1 1 所示，引起保偏 光纤偏振态的扰动。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1 1 影响保偏光纤性能的因素 分类因素起源 内部结构不完善纤芯变形、应力形变 波长变化归一化频率值、光源相干性 非线性效应克尔效应 外部温度变化双折射不稳定 机械扰动弯曲、扭曲、张力 电磁效应法拉第效应、克尔效应 保偏光纤内部光信号的偏振态对外界的干扰非常敏感，当外界的干扰强度不断增加且 不以光纤轴对称，就会降低保偏光纤的偏振保持能力，在其内部依然会发生偏振模能量耦 合现象，即在保偏光纤中一种偏振态的能量将会耦合到另外一种偏振态中去，保偏光纤偏 振耦合现象如图1 5 所示。 光纤偏振耦合 图1 5 保偏光纤偏振耦合现象 保偏光纤的这种偏振耦合现象在各种系统中将表现为噪声、信号漂移、信号衰减等现 象，导致系统偏振消光比降低，进而影响系统性能。在光纤陀螺中就会引起保偏光纤谐振 腔的偏振波动，影响到陀螺的测量精度和稳定性。 1 3 保偏光纤偏振耦合检测方法 由上述分析可知，保偏光纤谐振腔的偏振特性对光纤陀螺的性能对陀螺的测量精度有 着重要的影响，因而需要对保偏光纤中的偏振耦合进行检测。从第一种测试光纤中双折射 分布的方法偏振时域反射法开始，己有多种检测原理和方案用于偏振耦合测试。各种方案 的共同目标均为有效检测保偏光纤中的偏振耦合现象，测量保偏光纤双折射的空间分布， 改善测量系统信噪比，提高空间分辨率、定位精度和探测灵敏度。通过对保偏光纤中偏振 耦合现象的检测，可以作为保偏光纤制造及使用中的一种有效检测手段，提高保偏光纤产 品的出厂质量，同时，也可为保偏光纤器件提供一种定量的衡量参数，以期提高系统整体 性能。另一方面，还可以利用光纤中光信号偏振态对外界干扰的敏感性，通过检测光纤内 部偏振耦合现象来实现对外界温度、压力、电磁场等微小变化的高精度检测，在分布式传 感领域具有良好的应用前景。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 目前，对偏振耦合的检测方法有以下几种【19 】：偏振光时域反射仪( p o t d r ) 、迈克尔逊 ( m i c h e l s o n ) 白光干涉仪、马赫泽德干涉仪、调频载波( f m c w ) 法、锁模光纤环激光 器法、基于k e n 效应的耦合点位置检测、光学相干偏振检测仪( o c d p ) 和波长扫描法。各 个方法的参数和特点如表1 2 所示。 表1 2 保偏光纤偏振耦合测试方法 耦合系数 测试距离空间分辨率 特点 灵敏度 偏振光时域反 1 0 k m3 0 0 r a m2 0 6 d b 信号微弱、系 射( p o t d r ) 统较复杂 m i c h e l s o n 白 l k m6 0 m m8 0 d b结构简单 光干涉法 m a t h z e h n d e r 2 2 0 m - 1 5 d b 光器法合点 基于k e n 效应 的耦合点位置 1 0 0 m6 0 0 r a m信号较强 检测 光学相干偏振 6 0 0 m1 2 0