光子晶体光纤陀螺的环境适应性与熔接对轴技术研究

光子晶体光纤陀螺的环境适应性与熔接对轴技术研究

0光子晶体光纤法这种结构的摩擦是一种完全固体和真的的摩擦。它具有可靠性高、寿命长、动态范围宽、抗冲击、振动、体积小、质量轻、适合大规模生产的特点。可以达到高度稳定的生产。图1(a)为用于光纤陀螺的保偏光纤(PMF)的端面图。其导光和偏振保持性能均通过在特定区域掺杂实现,使得这种光纤在温度和外界应力变化时产生各向异性的寄生应力,引起导波参数变化。当用这种光纤作为陀螺光纤环时,会在敏感环路中产生非互易误差。光子晶体光纤一般由纯石英管或/和棒制成,通过改变空气孔的排列方式和尺寸,可以制成各种特殊的光纤。光子晶体光纤的这种独特结构和传光方式使其具备许多独特的优点基于光子晶体光纤的光纤陀螺的研究已成为国际上的研究焦点。公开报道的研究结果表明1在紫晶表面的研究中1.1光子晶体光纤的近场模式实心光子晶体光纤具有无限单模特性,可克服传统单模光纤中对传输光谱宽度的限制。由于陀螺中的相对强度噪声与光谱宽度的平方根成反比,采用这种光纤的陀螺可以在使用超宽谱光源的情况下进一步降低相对强度噪声。为了验证这种光纤的无限单模特性,用扫描激光器作光源,对一种保偏光子晶体光纤的近场模式进行了观测,其典型的模式如图2所示。实验所用的入射光波长选用了光纤陀螺所用的两个主要波段,波长扫描范围为1270~1350nm(谱宽80nm)和1490~1590nm(谱宽100nm)。在这两段测量波长范围内,光纤模场均为单模,只是模场直径有变化。表明采用光子晶体光纤能实现超宽谱单模模式传输,进而实现对相对强度噪声的有效抑制。光子晶体光纤中的光能量只能被局限在晶体缺陷之中传播,因此这种光纤允许出现小于直角的光路弯曲,在光路中可以极大地降低弯曲损耗。实验中,将实心和空心的样品光子晶体光纤分别在直径5mm、10mm、20mm、40mm的环上缠绕50圈,测量不同波长光功率的损耗。结果表明:在实验波段内,光纤损耗无明显变化。说明采用这种光纤可以绕制直径非常小的光纤环而不影响其传输特性,为减小光纤陀螺的体积创造了很好的条件。1.2半导体制冷器和保偏光纤温度敏感性测试光子晶体光纤由纯石英材料制成,无内应力,预期的温度稳定性优于传统光纤。为了验证这一特性,设计了如图3所示的温度实验装置。该装置采用开环光纤陀螺的典型结构及大功率超荧光光纤光源和多功能调制器,用锁相放大器实现信号检测。利用光纤陀螺的“Shupe”效应测量被测光纤的温度敏感性。参考光纤和被测光纤被分别固定在大尺寸半导体TEC制冷器的两个工作面上,涂上导热脂并用隔热材料密封,当给半导体制冷器加电流时,两个工作面会产生较大的温度变化,测量温度的变化率和“陀螺”零偏的变化即可确定待测光纤的温度敏感性。实验中,参考保偏光纤和被测光纤的长度约为10m,光纤环长度约为400m,半导体制冷器的工作面温度差和“陀螺”的输出由计算机实时记录。被测光纤为普通熊猫保偏光纤和保偏光子晶体光纤。测试结果表明,光子晶体光纤的温度敏感性比保偏光纤约小3倍。1.3光子晶体光纤磁场强度测定采用开环光纤陀螺结构进行了磁敏感性测试,被测光纤分别为普通单模光纤和光子晶体光纤,如图4所示。磁场采用多层电磁线圈产生,待测光纤长约5m,多次穿过线圈以产生较大的偏振面旋转,线圈内的磁场强度用磁强计测量。测得光子晶体光纤的维尔德常数(磁光系数)比普通光纤约小10倍。1.4辐射敏感度低空间惯性系统迫切需求抗辐射的光纤陀螺。光子晶体光纤由纯石英制成,没有掺杂,预期对核辐射敏感度低。为此,对不同光纤的辐射特性进行对比实验。将5种不同的光纤置于辐射室内,经过总剂量5krad的辐射,测量辐射前后的损耗变化,实验结果如图5所示。可以明显看出:在相同的辐射条件下,空心光子晶体光纤的损耗变化较小,在抗辐射方面具有明显的优势。2采用分布式光学连接技术2.1构和导光机理光子晶体光纤与普通光纤的熔接是组成光纤陀螺和进行相关研究的前提。光子晶体光纤的结构和导光机理不同于传统光纤,在熔接方式和参数上也存在很大的区别。为此,专门塔建了熔接实验平台,通过改变不同熔接时段的电流和熔接时序来研究低损耗、高可靠的熔接技术,单点熔接最低损耗可达0.7dB,已接近传统保偏光纤的熔接损耗值。2.2光子晶体光纤在熔接机显示上的问题偏振光纤在熔接时保证其应力轴对准是保证光纤陀螺光路质量、减小偏振非互易的基本要求。在采用保偏光子晶体光纤时,也需要首先解决这个问题。图6(b)所示为保偏光纤和保偏光子晶体光纤在熔接机显示屏上的侧面图像。这两种光纤的侧面图像存在很大差异,在进行熔接时,按照常规的方法,存在无法对轴的问题。为解决这个问题进行了理论仿真,确定了保偏光子晶体光纤的POL曲线特征,通过手动调节的方法实现了普通保偏与光子晶体保偏光纤偏振轴的精确对准。图6(a)和6(c)为对轴熔接后,在熔接点两端切断得到的截面图。两种光纤的偏振轴实现了平行对准,熔接点的偏振串音可达-25dB。3用石英光纤代替螺钉3.1光子晶体光纤螺钉为了进一步研究和验证光子晶体光纤陀螺的特性和环境适应性,设计并制作了闭环光子晶体光纤陀螺,陀螺及光源方案分别如图7、8所示。陀螺采用宽谱掺铒光纤光源,谱宽30nm,输出功率3.4mW,工作波段1.55μm,所用光子晶体光纤为实心的保偏光子晶体光纤,长度约180m,陀螺环直径约100mm。信号检测电路为全数值闭环方案。为了进行对比,采用同样的方案设计制作了一只保偏光纤陀螺,这两种陀螺的具体技术参数和主要性能指标如表2所示。采用180m光子晶体光纤(PCF)环的陀螺零漂为0.210(°)/h;采用200m保偏光纤的陀螺零漂为0.208(°)/h。测试结果证明了光子晶体光纤陀螺的可行性。在考虑光纤长度的情况下,光子晶体光纤陀螺的精度和性能优于同技术参数的传统保偏光纤陀螺。为了进一步检验采用光子晶体光纤在温度稳定性方面的优势,设计了图9所示的实验系统。用于对比的光纤环分别为保偏光子晶体光纤环和普通保偏光纤环。实验时,两只光纤环被安装在温箱中,以保证其经历的温度相同,陀螺的其他部分被安装在实验板上,两套实验陀螺采用同种光纤光源、探测器、耦合器和Y波导,检测电路也为同批次的全数字检测电路,其输出信号和温度箱的温度被采集计算机同步记录。实验温度为-40~+60℃,连续进行3次高低温循环实验,3次的升降温速率分别为:±0.5℃/min、±1℃/min、±2℃/min,信号采集时间间隔为1s。进行了两次实验,每次实验的时间约为12h,实验现象重复度较好,典型的输出结果如图10所示。其中,图10(a)为光子晶体光纤环的输出曲线;图10(b)为保偏光纤环的输出曲线。可以看出:在整个实验温度下,采用保偏光子晶体光纤环的实验陀螺零偏的波动峰值明显小于采用普通保偏光纤环。表明光子晶体光纤环在温度稳定性方面具有较明显优势。3.2光子晶体光纤环在上述研究的基础上,设计并研制出实用的光子晶体光纤陀螺样机,如图11所示。其中,图11(b)为样机的照片;图11(c)为光子晶体光纤环。所用光源为光子晶体光纤光源(图11(a))和国产的实心保偏光子晶体光纤(约707m),陀螺零漂为0.09(°)/h,标度误差小于10×