（测试计量技术及仪器专业论文）消偏光纤陀螺的偏振态研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 本文对消偏光纤陀螺中的偏振特性进行了分析，包括单模光纤环和消偏器中 的偏振态演变、保偏光纤的消偏性能、单模光纤环的双折射和耦合、输出光强和 非互易性相位误差与偏振态的关系。 首先，本文分析了l y o t 消偏器对完全偏振光与非完全偏振光的消偏作用，由 此得出了关于l y o t 消偏器的长度和结合角、光源光谱以及与消偏器配合的起偏 器消光比的一些结论。结合偏振模分析仪的测量原理以及l y o t 消偏器的性能和 单模光纤环的偏振状况，提出了一种利用偏振模分析仪设计消偏光纤陀螺中消偏 器长度的方法。 接着本文根据偏振模色散的理论，对消偏光纤陀螺中，单模光纤敏感环的双 折射和耦合与外界环境变化之间的关系进行了分析，从中得出了一些有益的结 论。 结合以上对消偏器与单模光纤环的分析，本文从整体上分析了消偏光纤陀螺 中的偏振态，并对非互易性相位误差与消偏器和单模光纤环的关系进行了深入的 讨论。最后，分析了偏振误差与解调之间的关系。 关键词：偏振态，光纤陀螺，保偏光纤，、单模光纤 浙江大学硕t 学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep o l a r i z a t i o ni nt h ef i b e r - o p t i cd e p o l a r i z e dg y r o sh a sb e e na n a l y z e d s e v e r a l a s p e c t s a r eu n d e rd i s c u s s i o n ，s u c ha st h e p o l a r i z a t i o n e v o l u t i o ni nt h e d e p o l a r i z e r a n dt h e s i n g l e m o d e f i b e r s e n s i n gc o i l ，t h ed e p o l a r i z a t i o n i nt h e p o l a r i z a t i o n - m a i n t a i nf i b e r , t h eb i r e f r i n g e n c ea n dc o u p l i n gi nt h es i n g l e - m o d ef i b e r , t h en o n r e c i p r o c a lp h a s ee r r o ra n dt h eo u t p u ti n t e n s i t y f i r s t l y , t h ed e p o l a r i z a t i o ne f f e c to f t h el y o td e p o l a r i z e rt ot h ep o l a r i z e dl i g h ta n dt h e p a r t i a l l yp o l a r i z e dl i g h th a sb e e na n a l y z e d s o m ec o n c l u s i o n s a b o u tt h el e n g t ha n dt h e s p l i c ea n g l eo ft h ed e p o l a r i z e r , t h es p e c t r u mo ft h el i g h ts o u r c ea n dt h ee x t i n c t i o n r a t i oo ft h e p o l a r i z e ra r eo b t a i n e d a s s o c i a t e dw i t h t h ep o l a r i z a t i o ni nt h es e n s i n gc o i l a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ep m d a n a l y z e r , o n em e t h o d t od e s i g nt h el e n g t ho ft h el y o t d e p o l a r i z e r h a sb e e n p u t f o r w a r d b a s e do nt h et h e o r yo ft h ep m d ，t h ei n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n to nt h ec o u p l i n g a n db i r e f r i n g e n c ei nt h es i n g l e m o d es e n s i n gc o i li sa n a l y z e d ，a n ds o m ec o n c l u s i o n s a b o u ti th a v eb e e nd r a w n b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ep o l a r i z a t i o ni nt h ew h o l ef i b e r - o p t i cd e p o l a r i z e d g y r o s h a sb e e ns t u d i e d t h er e l a t i o n s h i po ft h en o n r e c i p r o c a lp h a s ee r r o rt ot h e d e p o l a r i z e ra n dt h es i n g l e m o d es e n s i n gc o i l i st h ee m p h a s i so ft h i s p a r t i t a l s o i n v o l v e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed e m o d u l a t i o na n dt h ep o l a r i z a t i o ne r r o r k e yw o r d ：p o l a r i z a t i o n ，f i b e r o p t i cg y r o s ，p o l a r i z a t i o n m a i n t a i nf i b e r , s i n g l e m o d e f i b e r i i 致谢 本文的研究工作是在导师刘承教授的悉心指导和关心下完成的。在两年多 的学习和生活中，刘教授自娥至终给予了巨大的帮助和鼓励。导师实事求是的治 学精神，豁达乐观的处世态度，耳滴目染之中更在为人与治学方面部让学生终 身受益。在丑乏谨彝够魉静悉，心栽培穰谆谆教滋表示衷心熬感谢! 在此，还要特别 感谢杨国光教授，杨教授高腱建瓴的学术视野、敏锐的科学洞察力对作者产生了 深刻靛彩豌。 在二年多的工作中，作者还得到了课题组中舒晓武副教授，牟旭东副教授 酶攒等和无稻帮韵。诸位老繇翡悉，指导绽作者在滚谈域技术戆掌撵上获蕊鹾 浅，在此向他们表示深深的感谢和敬崽。 作者还爱特剐感谢白剑老师、左丹薇老师、侯西云老师、毛彩虹博士、胡慧 珠撼士、王冬云博士、富兆涛博士、岑松原媾士、张鼗伟博士、杨建华硕士、邱 高理硕士、陈江波硕士、尹世刚硕士、陈文海硕士、划军硕士、朱辉硕士、陆绍 华等嗣学在辩磅工 枣中所给予的帮助。这个充满团结，活泼气氛的群体，为作者 的学习、研究提供了良好的环境。 鼓店，塞心感澎我茨父母趱努婆，感澎趣键多年懿赛窍、恶熬静关心霸支撂， 并将此文献给他们。 王淑敏 2 0 0 3 年3 胃子浙江丈学 浙江火学坝i = 学位论文 0 1 背景与意义 绪论 光纤陀螺( f o g ) 作为新一代惯性器件，在航天、航海和航空等领域广受青睐，现正在全 世界范围内进行生产研究”j 。它利用两束相向传播的光之间的相位差( s a g n a c 效应) 进行惯 性转动的测量。这种全固态装置具有寿命长和大批量生产成本低、抗干扰、无转动部件等优 点。最重要的是，光纤陀螺仪可以很容易地改变标度，满足各种应用的要求。 高性能产品的研制显示出光纤陀螺在满足应用要求方面取得了极大进步。撮重要的方 面是飞机、陆地车辆与宇宙飞船等用的惯性导航( 偏值稳定性 0 0 1 ( 。) h ) 。保偏光纤技术 已经在高性能的应用中受到了最大的重视。对于惯导级精度要求的光纤陀螺。一般采用接近 1k m 长的保偏光纤绕制成多匝的光纤环来满足高精度的要求口”，虽然使用保偏光纤技术已 经被证明取得了相当大的进步，但达到导航等级性能又使敏感器成本足够低以至使人们以其 替代目前的传感器，仍然有很大的问题。虽然自动化技术非常重要，但降低光纤陀螺设计的 固有成本是同样必要的。减小费用最重要的方面之一就是敏感线圈本身的价格。 f o g 发展中的重大突破是由于充分理解f o g 误差机理的结果，从而使用单模光纤获得 导航级性能h l 【“。这就是在以低成本满足性能目标方面的进步。h o n e y w e l l 公司已经开始在 回路中使用标准单模光纤线圈进行偏振随机化即消偏光纤陀螺技术。在消偏光纤陀螺 中，光波在进入光纤环前首先进行消偏，这是通过l y o t 消偏器或者说一段与起偏器以4 5 度 绞合的保偏光纤实现的1 6 】。这一进步中的多数是与p m 陀螺仪所共有的，如互易设计、线圈 技术、热暂态调节以及信号处理技术。但是，有几项是消偏陀螺仪所独有的。由于在消偏光 纤陀螺中，单模光纤的h e 偏振模式的本征双折射不具有类似与保偏光纤的显著差异，致使 在环圈中使用单模光纤取代保偏光纤后，不仅要解决消偏这一关键问题，而且对全光纤消偏 陀螺中的随机噪声、偏值稳定性、磁灵敏度、标度因数、信号衰减、波长稳定性、随时间变 化的非互易性、以及偏振误差必须进行控制和采取降噪措施这是由于单模光纤陀螺较保偏 光纤陀螺有更为复杂的偏振演变过程和噪声源。 在保偏设计中，在整个线圈中光纤沿某一轴保持着光的偏振，而在消偏设计中，在单 模回路在两端都消偏器将单模光纤线圈中的光的偏振态进行随机化”1 。尽管在保偏陀螺仪 中，光以某一偏振态穿过整个干涉仪，对准于光纤的主轴，但在敏感线圈中的接合处或由于 长距离传输，在保偏光纤中会出现偏振交叉耦合，一些光会耦合至错误的偏振状态，但是被 领江尢学硕上学位论文 起偏器消除了”。这使得对保偏陀螺仪中偏振特性的描述相对简单一些。_ 币i 消偏陀螺的偏 振分析要复杂的多，这是由于程单模光纤中偏振态没有控制，在双辑射存在的情况，它可能 在单模敏感线圈中的任何地方改变。单模线圈中双折射的存在是由于单模光纤中固有的缺陷 以及连部或外部产生蛇应力，如：光纤弯曲或挝转。在线圈中取辑射的特性与大小会隧礤境 不问而改变，如随着渝度的变化戚者线圈内应力的增加，线圈结构中光纤的双折射可能线性 增大。一个存在甄又经常被忽褫麴嚣素楚，双辑裁躲变讫雾霪莰，鞋至 二可缢在据对传矮熬 光波中引入相位误差f 即“时间变化的非亘易性”) ”j 。 在演箍毙纾院嫘中，不燕子保镶毙纾陀螺，梅藏赛带毙潜瓣备令渡长龚孽毙在予涉饺中锋攒时 会有不同的偏振演变过程。当通过陀螺仪的检偏器时，这种偏振演变导致不同波长的光波有 不潮瓣攒耗，蒺至导致莱释波长浆完全耗尽。因魏改交了光源魏琢始光谱。遮藏带来凡个闷 题，陀螺仪光的丢失或信号减弱、中心波长不稳定( 8 1 以及新光谱中噪声强度的相对增加【9 1 等。 薪驭在清编阮螺饺中静偏振误羞毙傈偏陀螺便中赛杂褥多。 由上分析可知，消偏光纤陀螺与保偏光纤陀螺的差别在于前者采用了单模光纤为敏感元 件的材料，使得它的偏振态更魏复杂且不可控稍。又因为嵬纤陀螺是通过对两柬相向传播的 光的干涉强度的测量来获得旋转角速度的德，丽输出光的偏振状态将囊按影响输出的干涉强 度，阂此对光纤陀螺中偏振态的研究，对于认识和分析光纤陀螺的非飘易性相位误差有煎要 意义，同时它也为光纤环的绕制提供了理论上的指导，为光终陀螺的袋些测量误差进霉理论 上的解释。 作为消馕必纾陀螺的关键搜部件：l y o t 瀵偏器，它对镝振态的影响，即它的港偏豫塌， 将成为消偏光纤陀螺偏振态研究的焦点，因为消偏光纤陀螺中对偏振误差的抑制都来自于这 个濮僚嚣豹设诗，磐熊濒德嚣将会产生裹壤度的游靛光纾陀螺，反之，将降低陀螺的耩度， 0 。2 本课题的主要任务 本谍联需要完成的任务如下： 1 对l y o t 消偏器的偏撤态的分析 l y o t 消镳器的主要作用是游除镳振发，潢偏悖瘸受到镶镳光纾本身鳇性能，光源瓣冁 频和相频特性，保偏光纾的长度，两段光纤之间的缀合角以及与其配合的起偏器的特性等因 素携疆剿。因藏要设计食理的游稼器，磐簇分辑这墼因素冬l y o t 瀵镛器躲输避镶撮瘦之阕 的关系。 2 为消偏器的设计提供方案 2 浙江大学硕上学位论文 起偏器消除了”。这使得对保偏陀螺仪中偏振特性的描述相对简单一些。而消偏陀螺的偏 振分析要复杂的多，这是由于在单模光纤中偏振态没有控制，在双折射存在的情况，它可能 在单模敏感线圈中的任何地方改变。单模线圈中双折射的存在是由于单模光纤中固有的缺陷 以及内部或外部产生的应力，如：光纤弯曲或扭转。在线圈中双折射的特性与大小会随环境 不同而改变，如随着温度的变化或者线圈内应力的增加，线圈结构中光纤的双折射可能线性 增大。一个存在而又经常被忽视的因素是，双折射的变化非常快，以至于可以在相对传播的 光波中引入相位误差f 即“时间变化的非互易性”) ”j 。 在消偏光纤陀螺中，不同于保偏光纤陀螺，构成宽带光谱的各个波长的光在干涉仪中传播时 会有不同的偏振演变过程。当通过陀螺仪的检偏器时，这种偏振演变导致不同波长的光波有 不同的损耗，甚至导致某种波长的完全耗尽。因此改变了光源的原始光谱。这就带来几个问 题，陀螺仪光的丢失或信号减弱、中心波长不稳定目以及新光谱中噪声强度的相对增加9 1 等。 所以在消偏陀螺仪中的偏振误差比保偏陀螺仪中复杂得多。 由上分析可知，消偏光纤陀螺与保偏光纤陀螺的差别在于前者采用了单模光纤为敏感元 件的材料，使得它的偏振态更加复杂且不可控制。又因为光纤陀螺是通过对两束相向传播的 光的干涉强度的测量来获得旋转角速度的值，而输出光的偏振状态将直接影响输出的干涉强 度，因此对光纤陀螺中偏振态的研究，对于认识和分析光纤陀螺的非互易性相位误差有重要 意义，同时它也为光纤环的绕制提供了理论上的指导，为光纤陀螺的某些测量误差进行理论 上的解释。 作为消偏光纤陀螺的关键性部件：l y o t 消偏器，它对偏振态的影响，即它的消偏作用， 将成为消偏光纤陀螺偏振态研究的焦点，因为消偏光纤陀螺中对偏振误差的抑制都来自于这 个消偏器的设计，好的消偏器将会产生高精度的消偏光纤陀螺，反之，将降低陀螺的精度， 0 2 本课题的主要任务 本课题需要完成的任务如下： 1 对l y o t 消偏器的偏振态的分析 l y o t 消偏器的主要作用是消除偏振度，消偏作用受到保偏光纤本身的性能，光源的幅 频和相频特性，保偏光纤的长度，两段光纤之间的绞台角以及与其配合的起偏器的特性等因 素的限制。因此要设计合理的消偏器，必须分析这些因素与l y o t 消偏器的输出偏振度之间 的关系。 2 为消偏器的设计提供方案 2 一一墼盔登黧：! ：鲎笙连塞 警谤戎游德器鹿掰剥渍犏毙纾陀臻时，妇予难耩光纾环对编箍建帮褶予麓秘影确，l y o t 漓绱藉的设计将氍热复杂e 由予荦模毙纤垮申的豫丰厅辩和随撬辆会，它瓣编搬态瓣改变将焉 法预计，围戴足能希j 确对光纤环内昀偏攮模色散静实酥测蟹结浆，来避行消偏器妖度静没计。 3 对溜偏光纾院螺中的荤攒光缚玮进行德擐态分攒 虫予袋鼹了零摸光纤维为敏感元搏，其孛静躞辑瓣帮髓桩掇合蒋成为势将懿爨点。黢j ” 在艇霄尊摸光终中都存我的偏振搂魏数外，成环的单模光好受至8 绕剃过掇中外力的影响，以 及骥臻毁螽滋与瑟之蠲鲍辐互佟爝，将寝瑗趱与般攀摸搬纤不疑的蛙袋，邈将懿这辩分憩 磺究的爨点。 4 对溃德必纾藏螺中麴璃摄态避露分掇 霞对消镶巍野憨嫖弱两争耋要帮雩 ：tl y o t 潢豫耩鞍零横兜纾环赫赫掇态进行努橱激最， 最麓我褥竣湾德鼹纾陀螺终凳一令蘩体+ 砖箕孛鳃绱爨态避孬势掇，著嚣考纛溃镶嚣对整个 溥编巍簿陀蠛输爨嚣茧嚣靛裰程瀑蓑熟攀蝻，黻波肇摸竞野环辩瀵褊器满镛牲藐翁黟嫡。簸 鑫分辑了释谪镶麓每偏攘态之瓣静笑系。 参考文献 f 1lh l e f e v r e , 叩融f i b e r o p t i cg y r o s c o p e 转o s t o n ，m a ：a 牲hh o u s e , 1 9 9 3 f 2 jr ，ml i u ，tee t * w 赫l l y ，辅r 。c d a n k w o r t ，“r e s u l t so fh o n e y w e l lf i r s t - g e n e r a t i o n ，h i g h p e r f o r m a n c e i n t e r f e r o m e t r i c f i b e r 喇c g y r o s c o p e , s p i e p r o c ，v o l ，1 5 8 5 。p p - 2 6 2 - 2 7 5 ，t 9 9 1 【3 】a c o r d o v a , r ，p a t t e r s o n ，j r a h u ，l l a i n 和d 。r o z e l | e ， p r o g r e s si nn a v i g a t i o ng r a d e f o g p e r f o r l l a n c e , ”s p 撼p m c ，r o t 。2 8 3 7 。p p 2 0 7 - 2 1 7 , 1 9 9 6 【4 】b 。s z a f r a n i e e ，j f e t h , r b e r g h , 敷j b l a k e ， p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t si nd e p o l a r i z e d f i b e r g y r e 妒s p i e p r o c 。f i b e r o p t i c a n d l a s e r s e n s o r s x l l l , v 0 1 2 5 l 。 弹3 7 - 4 8 ，1 9 9 5 ， 黔；g ta 。s a n d e r s ，8 s z a f r a n i e c ，l 。s t r a n d j o r d ，r 。s e r g a ，a + k a u s k , r j ) a n k w o r t , c 。l a n g e ，翻 1 3 k i m m e l p r o g r e s si nh i g hp e r f o r m a ef i b e r 删eg y r o s c o p e s , o s ap r o c 。，v o l ，o f s 一1 6 ； f i b e r o p t i cs e n s o r s ，弹。1 1 6 - 1 2 1 ，1 9 9 7 。 嘲k ，b o h m ，em a r t e n ，& p e l e r r n a n n , 嚣，w e i d e ，簌廷。u l r i c h ， l o w - d r i rf i b e rg y m 戚罐8 s u p e r l u m i n e s c e n t d i o d e ，”e l e c t r o n 。l e t t , ，v o l 。t 7 ，n o ，1 0 ，黼。3 5 2 - 3 5 3 ，1 9 8 1 ， 戮j ，b l a k e ，b s 翰翩l 斌，帮，f e t h , “p a r t i a l l yp o l a r i z ll i b e ro p a e 群r o , o p t , l e f t + ，v 。l 。2 1 ，n o 。 浙江大学碱士学位论业 1 5 、p p 1 9 2 1 t 9 4 - 1 9 9 6 f 8 1g 。a 。s a n d e r s , b s z a f r a n i e c r ；一y tl i u ，c 、l a s k o s k i e , l ，s t r a r 蟠j o r d , 勰g w e e d , f i b e r o p t i cg y r o sf o rs p a c e ，m a r i n e a n da v i a t i o na p p l i c a t i o n s , s p l ep r o c ，v 0 1 2 8 3 7 ；f i b e ro p t i cg y m s ： 2 0 t ha n n i v e r s a r y 铷旺；1 9 9 6 ，p p ，6 l 寸l ；1 9 9 6 ，p p - 1 孙2 3 【9 】j b l a k e 和b s z a f m n i e c ，“r a n d o mn o i s ei np m a n dd e p o l a r i z e df i b e rg y r o s ，”o s ap r o c ， v o ! o f s - 1 6 ；f i b e r o p t i c s e # s o r s ，p p t 2 2 - t 2 5 ，t 9 9 7 。 【1 0 】s l a c a r r a r a ，by k i m 和h j s h a w , “b i a sd r i f tr e d u c t i o ni np 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 g y r o s c o p e , ”o p t l e l t ，v o l 。1 2 , 。3 ，辨2 1 4 - 2 1 6 , 1 9 8 7 。 4 浙江大学硕：学位沦文 第一章光纤陀螺的光学原理 陀螺憝一秭溺鐾角速瘦的羹要传惑器，萁茇鼹过程主簧经历7 互个除莰：第一阶段是早 期的机电陀螺，它是根据力学的惯性定律，利用惯性元件赢速转动的机械转予具有定向性和 进动性来测定飞行体相对于惯性空问静转速、加速度和穷向。由仪表指出导航所需的航向、 姿态、速度秘位置等参数；第= 阶段是6 0 年代激光出现詹，研制出舱环形激光陀螺仪，从 此汗始了光学陀螺的研制时代。光学陀螺在原理上嗣机电黻螺是完垒不同的，没有机械活动 转孑，丽是判用激光荣在运行豹光齄疼搿产生靛平涉效盛岽测定靛箱体在靛稽中赝嚣要的参 数。由于激光陀螺仪媳有结构简单、体积小、重鬣轻、灵敏度高等优点，受到广泛重视并已 褥封实耀；藜三黔段燕在遣纾按拳发展糖基础上研制黪光纾陀螺。 光纤陀螺是一种煎要的光纤传感器。光纤传感技术照利用光纤作为载光媒介或光信号 静调稍器，对搀辕竞瓣某一特性壤捃袭浏璧参数鹃交纯避符谖裁，然蓐检灏爨萁交纯麓铸惑 技术。它具有光学测凝与光学传输的共i 砑特点。另外光纤传艨器的瀚灵敏度性能可使些高 精度器溅量缮骧方授鲸实瑷。 光纤陀螺有如下的优越性：1 随着光纾技术的发展，光纤的损耗已接近其极限值，因丽 可避过麴枝毙舞寒放大鞠整差。2 。全霹态器俘，轰转萄帮转。蘸嚣萄纛挂离、寿套长。3 。臻 热时间短。4 动态范围大，可达3 0 0 1 0 0 0d e n s 。5 不受煎力加速魔的影响。6 威本低、尺 寸小、精凌鬻。 1 1 干涉型光纤陀螺熬覆褒 1 1 。1s a g n a c 效斑 毙纤怼蠛鲍基本瑟壤基子s 8 蠲簸褒。s 3 辨辩效寝建1 9 3 年整现秘晖灏 1 蠹轴g n a c 干 涉仪示意图： 圈l _ 1 s a g n a c 干涉仪示意网 浙江犬学颐。 学位论文 在一个环形干涉仪中，由光源发出的光被分求器一分为二，两柬光将分别沿顺、逆时 钟方淘运动，弗虱到分柬器蹙。当该环形竞黪辐辩哥餐瞧空趣静止对，簸、遴对话麴光程是 相撵的。当簸个干涉仪( 连同光源和观浆者) 以角速度q 相对于惯性参考系作旋转运动时， 娥涨、遂蠢铃麓竞褪不等，产垒邀程羞； 矗：塑q 其中s 为光路包围的赋积，c 为光速，o 为转动角速度。只龚测出一对曩先发起光柬的光摆差 a l ，就可知该环路籀对予惯技空阐豹藤转角速虞0 。 1 。1 。2 予涉壅巍纤陀螺 光纤陀螺嘲4 魏主要形式可以舟为干涉型( t n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，简称 i - f o g ) 和谐振腔型( r i n g r e s o n a t o r f i b e r o p t i c g y r o s c o p e , 简称r - f o g ) 两大兴。 海激光嚣靛豳秘浇出分束嚣分为两采，分剐耦台进入雾驻先纤舛= 的两端，两相反方向的 光束经光纤传输后，按照路是终网至探测器处，形贼干涉型必纾陀蝶。当光纾环戳受速度q 旋转时，沿顺、逆时针方向在光纤中传输的两柬光产生的光程差为： 艇：墅擞 c ( 1 2 ) 其中n 遗竞纾龋数。垂式( 1 。2 ) + 嚣束巍产生辩稽位差炎： 妒等鲥嘲芸扭3 ，艇 ) 由于光纤的圈数n 的作照，灵敏度比单环路的激光陀螺高n 僚。 i - f o g t - 1 9 7 6 年出璩丑h 大学静v a l i 牵i 1 s h o r t h i l l l 5 崤先实瑗，经过l s 颦努力，孬清了各种误 差源并找 i j t 解决办法；提出信号的解调、器件制造等实用他技术。 i 1 3 互易性 嘏一次显示实验现飙的光纤陀螺是使用单光纤环的干涉仪。但在铀构上是非互易的。在 嚣个瓣霜能否蠛察到予涉蘩纹穰簸于环熙纾馥放置瓣侥置。魏鸯s a 帮箍c 籀移本身是一稷小的 效应( 对应于o 1d e g h r 约1 0 7r a d 臌) ，因而腰求在静止时两光荣应完金同相位e 由 于这个阏蔻熬存在，掇犬连羧懿了精度鹃艇藏。不过这个闻鼹可敬通过所谓筑显霹缩构来解 决，圈1 2 所示即为最小甄易结构。 6 浙江大学坝j + 学位论文 图t , 2f o g 的最小豆易结梅 在这个干涉仪中。光能量的输入和信号的输出都通过同个单模波导。这可以保证环静 e 辩，在分隶器存在潜在的袋礁对，返圈浆薅支毙柬总其有穗两的惑裰莅。在普通斡输入赣 出翻上加了个单模滤波器，以防止高阶模与低阶模之间发生干涉。由于普通的单模光纤实 踩上怒黢璃掇模式竞纾，辑鞋单横滤滚嚣照含一个擎楗空阔滤波器鄢一个穰掭滤波器。在这 个干涉仪中，使用保偏光纤可以提高干涉仪的精度。不过这也同样可以用去偏的方法窝现， 鼯使臻l y o t 去傣器( 在第二章中祷详纲讨论) 攘上簧通单模竞纾环。露荔蕈褥需要第二个势 束器( 也就魁光源分柬器) ，将返回的光分束，井送入探测器。这样会带来6 d b 的损耗。从 理谂上漤擘模露易结稳并菲必要，亟是实际上它愚实魂霹禳性我熬娥挺便斡方式。 随着微细加工技术及集成光举的发展，今天光扦陀螺多采用集成光学器件( i o c ) ，使 得党纤陀螺麓囱小型往、轻型纯、实用往。蟊翦较多采臻y 型集成光学器侔构成陀螺，结构 如图1 1 3 所示。 踅1 3y 裂缝梅黪巍纡照螺 这里取消了常用的3 d b 环耦合器，直接用集成光学器件来实现各种功能，起偏器、调制器都 妻搂潮痒在上蕊，嚣就攘个走路的损耗较，j 、。 1 。1 。4 输感信号 党源发出的光经过镳振爨魅变戏线镶援光，线偏摄光褥经过集成光学芯片后分成两求 光，分别从两端进入光纤敏感环。当这两柬沿相反方向传输的光再次汇合于耦台器时产生千 7 塑坚点堂塑兰鲎焦丝苎 涉效应，此干涉光中包禽r 由s a g n a c 致废而产生的相移以，以及由相位调制器引入的调制 相德a 或。将于涉光疑过检测器进 亍必魄变换，并经过逶洳的信号处理后鄂霹褥鲻陀螺的 旋转角速度nn 图1 4 所示为光纤陀螺的基本结构投其检测信号与旋转角速艘之间的关系【6 ， 一 二套 ， o 豳1 4i - f o g 检溅信号与旋转热速凌之闯静关系 l ，l 。s 噪声、漂移 海了提麓梭溅精度，壤小噪声影噙，必须对各糖繇声滚进行分糖，并采取一定黪撬藏对 其所引起的误差加以抑制或补偿。表1 所示为各种噪声的特性及相荧的抑制城补偿措施。 表1 1 干涉型光纤陀螺中的各种噪声及其相应的抑制手段 i 噪声因素 产生机理 l l 相应的抑制措施 l 瑞莉背离散 i 射f 7 j 毙纾内帮夯蕨或敬瓣体豹不均匀毪引起 | 低相干光源8 l d 隗学宽零散 0 ：或c c w 光强不平衡纛引起兜纾传输常数敲徽撬l 鬣摆干巍灏s l d i 斑 造成 偏振波动光纡及光勰 串的不稳定造成 | l 运用偏振器，p m 光好! 法投第效斑 | 光纾中静非互磊敢折射 越l | 傈偏竞纤及磁屏蔽 温度辩穗滠度分搿不均匀造成 | 曝心对称的光纡绕制技 t 。1 ，6 炎纤环的绕裁方法嘲 光纤巧龅绕懿方法一般采鹰“q u a d r r a p d o rw i n g i n g ”疆辙予绕法，如毽1 。s ： 8 浙江犬学硕士学位论文 鼹1 ，5 戆缍鼙蹬辍手绕法 与革极绕法( 从头至越) 之误萋比为： a n j l a n l4 m ( m 1 ) 萁中m 兔环静藤毂。与对称绕法( 交替穰缀绕法) 之误蕊玩为： a q 3 娥2 2 m 环的绕制隧时瓣考虑环绕制半经r 与光功率损糕关系，其损耗系数必： 搿。( a 4 r ) e x p ( - b r ) 遂骰懿： “；节1 ( 一1 8 7 8 3 5 十3 3 0 1 6 8 v 一1 9 1 4 2 v 2 + 4 2 8 i v 3 ) 4 a b ：a - - ( o 7 7 8 3 1 8 3 8 v + i 1 9 4 4 v 2 0 1 4 5 5 v 3 1 a 其中躜璃l 一纯频率，矗为芯毽瓣折射率蓑，8 为野棼半径。 1 1 7 光源烈 ( 1 4 ) 。5 ) ( 1 6 ) 1 了) 对竞纾辩螓系统蹬 挎竞豫斑满是下掰要慕： l 、能发射出台避的光波妖。使光纤的传输损耗和色散尽可能小； 2 、发瓣毙嚣竞谱特性瘦遗癍于是释陀螺竞学系统翡蘩泉； 3 、能发燃足够的光功率。并具有爨好的定肉发光能二c ，使注入u 光纤中舱光功攀足够 犬，蕊为高扮输出功举丽使光缚纯螺在离速旋转中典有蔫的精度和敞感性 4 、光澈鹣性能燮琴境影酶( 掘遗度+ 湿琏。搬旗等) 小、工作毒愈长； s 、体积小，价格便宜。 瞧于宽谗毙源提予长度较链，不其磐产生寄生干涉效黩嘏霉懿条始，趺嚣较好避城小了 寄生千涉效赢的影响，冈此光童千陀螺通常采用宽谱光源。菇予光源波长的选择，对于耐藤光 9 一塑鎏态鲎堡主鲎焦堡壅 纤通常存在肴8 5 0 n m 1 3 0 0 、1 5 5 0 n m 两个低损耗窗口。理论上光纤陀螺的灵敏度与波氏 呈发魄，僵璺一方蘑，对于绘定翡光功攀；毙子噪声反滗予液嚣= 的平方摄。对予低藏奉携蓖 螺，漂移要求在0 2 。h r - i 。h r ，应该采用o8 u r n 波蚝。但是波长短会导致光纤与光源耦合 懑难等不秘掰紊，对手镤牲缀瞎螺，翔皮餍于馁憔导靛系缝，漂移婺求4 、予0 0 1 。h n 强 此考虑采用长波长s l d 。s l d 是一种自发辐射的单程光放火器件，发出光强比单纯的自发 辐翁光酌竞缀大褥多。舞一方嚣，它魏有源区具毒毙菠大幸# 用。盎予在整个发光谨区巍靛长 波长部分受激辐射放大倍数大，所以它的线宽比臀通l e d 帑，这种器件输出功率大，发射 波裳瓷瘦窄，线宽窑，特弱适合与擎模蠢纾辐合。因憩s l d 的光谱燕一个连缕光谱。为接 述光源谱线特性将辐射光相对光强最强点的波长xo 称为光源中心波长，相对辐射光强为最 大德的一学赴涎夺渡长之滴滚最莲值a 称鸯该党源的线窝。一般为3 0 5 0 h m 。线宽随注入 电流增加而变宽。s l d 光源的光谱特性如图1 6 骈示： 图1 6s l d 光谱曲线 光源没长翁稳定性是影鹂攀模淡镶光野陀螺刻度毽予一个重要爨素。魏时s l d 弱光谱 特性w 以近似表示为： 跏，= 而1 唧( 一譬 式中v 表示，毪波静频率，。o 为中心频率，av 为光源的线宽。 器的作用，则输出光功率可以表示走( 详见第五章) ； p = f ( 矿) s ( v ) d l ， 式中， 脚) = 圭+ a , c o s ( 2 - ，r v - r , ) a 舡姆光波盎光纤环中传播有关酶参数， 心波长所对褒的光频率可以表示为： i = 古- p 脚) 双畛矗矿 ( 1 8 ) 由于此时光路中的消偏 ( i ，9 ) ( 1 1o ) f i 为与消偏器的长度有关的参数e 藤输出光的中 塑坚点堂堡主鲎蝗堡塞一 经过归一他处理后，( 1 。9 ) 式可以化为 p 2 言十口跚) - c o s ( 2 咖d v ：委+ 挤r 瓴) ( 1 1 2 ) 式中，f 瓴) 为与f l 鸯关的槎荚函数，则由予s l d 宽谱特挂；l 起功率波动可以表示梵； 等毋“( t ) ie 代入( l o 式，霪得： 等= 2 a - c o s ( 2 t 一如啾_ j r 2 a v 2 ) 同璃，可得此时光源中心波长的波动为： ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 譬。2 咿撂芝。s i n ( 2 , g r , v o e 1 ) 。e x p ( 畸z 。矗y ：。) ( 1 1 5 ) p y 0 1 2 消偏光纤陀螺 漓偏竞纾陀螺静结构示意潮如下： 匿l + 7 消偏光烀陀螺静结梅示意图 比较翻1 7 与囤1 3 ，可以发糯难一酶不同在于在圈1 7 中，光纤环的两端加入了两个消 偏嚣，这是潢德陀螺褥褒的由来，瞧是濮德陀螺撺裁各种误麓，达i 惯导级璇凄的关键。由 于消偏器是针对单模光纤环中的偏振误蓑而设计的，因此，好的消偏嚣必须与单模光纤环的 性质糯匹配。 阁此在以下各部分中我将主要对消偏器及单棋光纤环中的偏振懋进行分析，当然也会触 爱y 波导及建源竞谱。 塑塾奎堂堡主鲎照鲨茎 参考文献 f 1 】8 ，jp o s t ，s a g n a ce f f e c t ，r e ：m o d e mp h y s 。，1 9 6 7 ，3 9 ，4 7 5 4 9 4 1 2 1 s e z e k i e l ，h j a r d i t t y , f i b e r - o p t i cr o t a t i o ns e o s o l s ，f i b e r ”o p t i cr o t a t i o ns e n s 0 1 sa n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e s 1 9 8 2 2 2 6 【3 b c u l s h a w , i p _ g i l e s ，f i b e ro p t i cg y r o s c o p e s ，j o u r n a lo fp h y s i c se ：s c i e n t i f i ci n s t r u m e n t s ， 1 9 8 3 ，t 6 ( 1 ) ，s 1 5 【4 r a l p ha b e r g l l ，h c l e f e v r e 。h e r b e r tj s h a w , a no v e r v i e wo ff i b e r o p t i cg y r o s c o p e s ， j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ；1 9 8 4 , l t - 2 ( 2 ) ；9 1 1 0 7 5 v v a l i d 、n s h o r t h i l l ”f i b e rr i n g i n t e r f e r o m e t e r ”，a p p l - o p t t ，1 5 ，1 0 9 9 - 1 1 0 0 ，1 9 7 6 1 6 】簸慧婧巍纤陀螺滋度噪声褥瞧及箕祷偻方案研究：磺士学佼论文 。翡索：裴方交运 犬学，1 9 9 7 。1 1 1 7 7 1 k b o h m ，e r u s s e r ，e n c e i d e l r u l r i t h “l o w d r i f tf i b e rg y r o u s i n gs u p e r l u m i n e s c e n td i o d e ” e l e t r o n 。l e t t 。，1 7 ，3 5 2 - 3 5 5 ( 1 9 8 1 ) 【8 】o l i v i e rej 。t i r a t , j e a n - m i c h e le m e u v e r t e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h e r m a lt r a n s i e n te f f e c t i nf i b e ro p t i cg y m ，s p i e , 1 9 9 6 ，2 8 3 7 ，2 3 0 2 3 8 【明c bm o r r i s o n e ta l ，h i g h - p o w e rs u p e r - l u m i n e s c e n td i o d ew i t hr e d u c e dc o h e r e ml e n g t h , s p i e 1 9 8 5 ，p 9 9 1 0 1 浙江太学帧士学位论文 第二章l y o t 消偏器的偏振态分析 在现我淹糖痉漕绱光纾诧螺串，漓镝器作为一个关键嚣荇得戮了越来越多的重裁f l 。 它在消偏陀螺中起n t 消除信号消失，抑制偏摄误差，稳定中心波长等作蹦。 在先纤陀螺孛健掰矮多静怒l y o t 受光纤消偏器，它由长度眈为1 ：2 ，联折射主辅夹角 为4 5 0 的两段藤双折射光纤梅成其工作原理是健输入偏搬党的不随潜成份在输出端淡现出 不瀚偏振态，因而姨糕个谱的平均来看输出光黧现消偏特性，朝没有一种偏振态占优势。 从物理意义上说，光纤淡偏器的工作骧璞是到用漤保偏光纤两主轴债输静光鲍对延特蛙，将 保镝光纤中的两种偏搬本征态( x 轴偏振态，y 轴偏振态) 从时间上拙开，使出射光的相干度为 零，戴外逶避使巍段离双h 折射光终主轴之趣的夹霸为4 5 。：键必能在嚣个正交的偏振方砖上等 量分布，最终襄现对输入光的消偏。 2 1 偏振度和褶干度船 考虑平均频率为鞲的准单色光波沿i ez 方向传播，设： 萎；8 ) = 壤静。陆卜2 嘏，e ，= 露2 ( f 弦。卜2 础1 2 、 ) 假定使y 分擞相对于x 分量有一推迟量s ，并使光通过一个取向为口的起偏掇器，则输出电 场为： e ( t ；o ，占) = e , ( t ) c o s o + 。( f 弦”s i n o 暾 广 吼 甜 l i i 又1 1 g致髟 浙江大学硕j 1 学位论文 其中7 f 口曲为疗，占的函数。 完全德掇巍熬镳掇度鸯| ，完全嚣僚振巍嚣镶壤褒为0 。它镪魏张于楚簿努翘为： f g ，耋：一。如，a 仃2 ：g “1 s n 1 i 0 2 l 0 1 ；1 c 。， i g ；g ：e 一”仃；j ” 。7 任何非完全偏搬光的相干嫩阵可以袭示为完全偏振光和完全非偏振光的相干矩阵的线 健薨加。 从以上的分析中，可以看出：相干度代表了斌柬干涉光之间的棚关程度；丽偏振艘则反 竣了于涉窝梯的对既髓。 2 。2保偏光纤 在普通麟模光纤广泛应用予光纤通信的同时，人们开发了在相干光通信和干涉型光纤传 惑器等应群场台孛僳掩稳定编籁状态静镝叛保持党野一稼偏毙纾( p m f ) ，域提高僖弩检测 灵敏度和精度，抵抗外界环境蹙化引起的偏振态变化。目前的工艺已经可以镁p m f 同时获 褥搿保偏性髓和低损耗。保谪滟纤种类徽多，营前应用最多的主要是高双折射p m f ，它嗣 用威力感生戏采用糖卿蕊的方法在光纾虑获得高双折射，使焱纤中嬲个正交的镳振模的掘位 传播常数差别很大，减少了由弯纳、微弯曲、扭绞替干扰引起的模式藕合。保偏光纤主簧有： 熊猫受是纤，领结型必野，糖援包崖型始终，椭鳗芯光绎等。 椭圆肉芯光纤椭阐包层竞纤颧结塑光纤 熊猫型滟纤 圈2 t攥镐竞纾弦狡图 2 。2 1傺德原理及保德性能分攒 鸯密至0 党矢量摄动方向酶分解，在肇摸先纤串实际存农甄个芷交的艘l l 模，分剃称为 h e m 和# 嗡l ，。理想的单模光纤的眉露m 和h e l l ，的传播常数相等，两个模是高度简并 1 4 ，一塑婆杰堂堡! ：登堡堡茎 静，它帮豫 光纤传输辩被茈简榍，因诧总的偏强态保持不变。然而，实际的单模光纤总存在 一姥不完善阈题，比如说光纤舱不圆攫，光纾内豁的残