用於光纖陀螺的新型偏振環行y波導結構的製作方法
2023-10-19 00:52:47 2
用於光纖陀螺的新型偏振環行y波導結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，包括一Y形分支波導和一半圓形波導，以及一輸入尾光纖和兩輸出保偏尾光纖，半圓形波導位於Y形分支波導的輸出端，半圓形波導傳輸光的低損耗線偏振方向與現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向垂直。該半圓形波導的兩端與Y形分支波導的兩輸出端相切，這樣保證半圓形和現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向與保偏輸出尾光纖的偏振方向一致。與現有Y分支波導技術相比，本發明用於幹涉型保偏光纖陀螺能有效抑制偏振串擾、Faraday效應等非互易誤差，並且能使傳感線圈長度加倍。
【專利說明】用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種慣性導航器件用組件，尤其是涉及一種用於幹涉型保偏光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構。
【背景技術】
[0002]光纖陀螺是以敏感線圈和集成光學器件為基礎的慣性導航器件，用於自主測量載體相對於慣性空間的旋轉運動(旋轉角速度)，對慣性系統計算載體的精確位置，方向等具有關鍵性作用。它的基本原理是基於Sagnac效應，幹涉型光纖陀螺(IFOG)主要是以幹涉儀為基礎，在光纖線圈中以順時針和逆時針傳輸的兩束光，由於載體的旋轉而產生相位差，在檢測埠發生幹涉，進而計算出載體的旋轉角速度。IFOG以其在精度、抗衝擊、價格、尺寸、重量以及長壽命上所具有的明顯優點，適合規模化生產的優勢，在工業與軍事應用中拓展了許多較新的用途，成為目前發展最為迅速的慣性器件之一。
[0003]集成光學器件(Y波導)是光纖陀螺的關鍵器件。器件通常採用鈮酸鋰(LiNbO3)為基底，採用質子交換等工藝製成Y形狀的光波導，將光束分/合，光波相位調製和光的起偏/檢偏多項功能集為一體。起偏使傳感線圈的輸入光近似為線偏振光，檢偏能抑制傳感線圈中光波耦合產生的正交偏振態的影響，減小陀螺的偏振誤差。但是現有的Y波導器件不能抑制傳感線圈中偏振串擾和Faraday效應等非互易誤差，隨著光纖陀螺系統的實用化，對Y波導集成光學器件的性能要求也越來越高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為了克服上述現有Y波導技術存在的缺陷而提供一種能抑制傳感線圈中偏振串擾和Faraday效應等非互易誤差的新型偏振環行Y波導分支器件結構。
[0005]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0006]用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，包括一 Y形分支波導和一半圓形波導，以及一輸入光纖和兩輸出保偏尾光纖，半圓形波導位於Y形分支波導的輸出端，半圓形波導傳輸光的低損耗線偏振方向與現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向垂直。該半圓形波導的兩端與Y形分支波導的兩輸出端相切，這樣保證半圓形和現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向與保偏輸出尾光纖的偏振方向一致。
[0007]所述的半圓形波導和Y形分支波導的襯底材料是鈮酸鋰或其它襯底材料，襯底材料可以相同，也可以不同。
[0008]所述的半圓形波導和Y形分支波導可以採用質子交換、或離子交換、或內擴散、或外擴散、或離子植入平面光波導製作工藝技術。
[0009]所述的半圓形波導和Y形分支波導可以採用不同的或相同的平面光波導製作工藝技術半圓形波導的本徵偏振態與Y形分支波導的本徵偏振態正交，分別傳輸平行偏振方向的線偏振光和垂直方向的線偏振光。
[0010]所述的新型Y波導輸出端兩低損耗線偏振光方向與保偏尾光纖的快軸和慢軸一致，耦合對接。
[0011]當Y形分支波導臂中只傳播垂直線偏振光時，半圓形波導中只傳播平行線偏振光；當￥形分支波導臂中只傳播平行線偏振光時，半圓形波導中只傳播垂直線偏振光。當垂直線偏振光波從尾纖輸入時，垂直線偏振光從Y形分支波導輸出，平行線偏振光將從半圓形波導機構輸出，從Y形分支波導輸入的垂直線偏振光及從半圓形波導機構輸入的平行線偏振光均從尾纖輸出。由此可見，無論是從Y形分支波導中傳播的垂直方向線偏振光，還是從半圓形波導傳播的平行方向線偏振光，都由輸出埠耦合輸出到尾纖。可讓其中Y形分支波導與尾纖的慢軸耦合對接，半圓形波導與尾纖的快軸耦合對接。由輸出埠進入的線偏振光，慢軸光耦合到Y形分支波導臂中繼續傳播，快軸光耦合到半圓形波導機構中繼續傳播。
[0012]Y形分支波導只傳播垂直偏振方向的波導,傳播平行偏振光時損耗大於60dB,半圓形波導只傳播平行偏振方向的波導，傳播垂直偏振光時損耗大於60dB。
[0013]所述的Y形分支波導的兩個輸出埠呈10° -15°的斜拋設置，使兩Y分支波導長度不對稱，減小背向反射光波的相干性。
[0014]所述的尾纖還可以連接Sagnac傳感線圈，其中一個尾纖與傳感線圈90°對接，另一個尾纖與傳感線圈平行對接，實現傳感線圈的長度加倍，並且能很大程度上抑制偏振傳音、Faraday效應等。
[0015]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0016](I)由於為垂直線偏振光和平行線偏振光各自設置了通路，大大降低了偏振傳音的幹擾；
[0017](2)由於環行通路的存在，可讓光波在傳感線圈中環行兩次，使傳感線圈長度加倍;
[0018](3)採用這種新型Y波導的幹涉型保偏陀螺還能抑制Fauraday非互易相移，同時其隨機遊走也有明顯改善。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的結構示意圖。
[0020]圖中，I為輸入光纖、2為Y形分支波導臂、3為Y形分支波導臂、4為半圓形波導、5為尾纖、6為尾纖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0022]實施例 [0023]用於光纖陀螺的新型偏振環形Y波導結構，其結構如圖1所示。包括一 Y形分支波導和一半圓形波導，以及一輸入光纖和兩輸出保偏尾光纖。輸入光纖與Y形分支波導半圓形波導位於Y形分支波導的輸出端，半圓形波導傳輸光的低損耗線偏振方向與現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向垂直。該半圓形波導的兩端與Y形分支波導的兩輸出端相切，這樣保證半圓形波導和現有Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向與保偏輸出尾光纖的偏振方向一致。其中，襯底材料由鈮酸鋰或其它材料構成。半圓形波導4和Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3由鈮酸鋰構成，半圓形波導4的本徵偏振態與Y形分支波導臂2>Y形分支波導臂3正交,分別傳輸平行偏振方向的線偏振的光和垂直方向的線偏振光。令Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3的輸出端與保偏尾纖5、尾纖6的慢軸對接，半圓形波導4與保偏尾纖5、尾纖6的快軸對接。
[0024]Y形分支波導臂2、Υ形分支波導臂3中只傳播垂直線偏振光，傳播平行偏振光時損耗大於60dB,半圓形波導4中只傳播平行線偏振光,傳播垂直偏振光時損耗大於60dB。當光波從保偏尾纖5、尾纖6輸入時，垂直線偏振光從Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3輸出，平行線偏振光將從半圓形波導4輸出，從Y形分支波導臂2、Υ形分支波導臂3輸入的垂直線偏振光及從半圓形波導4輸入的平行線偏振光均從保偏尾纖5、尾纖6輸出。由此可見，無論是從Y形分支波導臂2、Υ形分支波導臂3中傳播的垂直方向線偏振光，還是從半圓形波導4傳播的平行方向線偏振光，都由輸出埠耦合輸出到保偏尾纖5、尾纖6。Y形分支波導臂2、Υ形分支波導臂3隻傳播垂直偏振方向的波導，另外，Y形分支波導臂2、Υ形分支波導臂3的兩個輸出埠呈10°斜拋設置，使兩Y分支波導長度不對稱，減小背向反射光波的相干性。
[0025]尾纖5、尾纖6還可以連接Sagnac傳感線圈,其中一個尾纖與傳感線圈90°對接，另一個尾纖與傳感線圈平行對接，實現傳感線圈的長度加倍，並且能很大程度上抑制偏振傳音、Faraday效應等。
[0026]新型偏振環行Y波導結構如附圖1，Α到C點光波導和B到D點的光波導有一樣的結構和特性，它們是Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3，D點到C點的半圓形波導4的本振偏振態與傳統波導正交。Y形分支波導有兩條分支臂2、3，半圓形波導4在輸出端成半圓形連接兩條分支，這三條波導構成偏振環行器，並在輸出端與保偏光纖耦合構成輸出尾纖。當在能實現偏振光環行的Y波導任一輸出埠加上90°旋光反射鏡後，從Y分支波導輸入的垂直線偏振光將變為平行線偏振光返回，但進入半圓形波導。
[0027]通常，我們用某方向的「切」表示晶體基片的取向，即表示晶體的某一軸向垂直於晶體的表面，例如χ切、y切和z切。目前常用的Y形分支波導，其中鈮酸鋰晶體基片的取向大多採用χ切，y傳播，新型Y波導的製備:首先與傳統的Y形分支波導製作方法相同，襯底由鈮酸鋰(LiNb03)或其他合適的材料組成。波導材料為鈮酸鋰，採用質子交換或其他工藝在襯底上擴散形成波導區。由於其構造和邊界條件，使得Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3中只能傳播垂直線偏振方向的光波,若傳輸平行偏振光則損耗在60dB以上。
[0028]接下來製備半圓形波導，由於深度擴散在工藝上難度比較高，所以採取拼接的辦法。在傳統Y形分支波導上挖去一部分，形成一個半圓形缺口。再製作一個能與半圓形缺口無縫對接，且大小完全相同的半圓形襯底塊，在半圓形襯底的圓弧面上進行擴散形成半圓形波導，再將半圓形塊4無縫對接到半圓形缺口上，這樣就製成了只傳播平行偏振方向光的半圓形波導，且Y形分支波導和半圓形波導在輸出端C、D實現重合。
[0029]
[0030]新型Y波導輸出端兩低損耗線偏振光方向與保偏尾纖的快軸和慢軸一致，耦合對接。波導的形狀和其他性能不作具體要求，只需要保證上述傳播特性要求。
[0031]尾纖5、尾纖6採用保偏光纖，這樣可以保證光波在光纖中傳播時保持它的偏振態。[0032]幹涉型保偏光纖陀螺的應用
[0033]將此新型偏振環行Y分支波導結構應用於幹涉型保偏光纖陀螺，即在Y波導保偏尾纖後連接光纖傳感線圈，傳感線圈必須為保偏光纖。其中一根尾纖與光纖線圈90°對接，即尾纖的慢軸與光纖快軸對接，尾纖的快軸與光纖的慢軸對接:另一根尾纖與光纖線圈平行對接，即尾纖的慢軸與光纖慢軸對接。尾纖的快軸與光纖的快軸對接。
[0034]參照附圖1，垂直線偏振光由A點進入偏振環行器，通過Y形分支波導臂2、Y形分支波導臂3來到C點，進入尾纖，由於其中一根尾纖與光纖是90°對接，因此光波經過線圈傳播變為平行線偏振光來到D埠。而後光波將經由半圓形波導4來到C埠並進入尾纖進行第二次傳輸，第二次經過線圈變回垂直線偏振光到達埠 D，接著經由Y形分支波導臂
2、Υ形分支波導臂3到達了 B點。這樣，由於在線圈中傳播兩次，相當於把線圈長度變成了原來的2倍。同理,垂直線偏振光由B點進入時,也將實現光波在光纖線圈中的2次環形。
[0035]上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，並不能以此限制此發明的保護範圍。凡是根據本發明想法所做的等效變換或是修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，包括新型Y波導，輸入光纖耦合連接到新型Y波導輸入端，兩保偏輸出尾光纖，耦合連接到新型Y波導兩輸出端，其特徵在於， 在Y形分支波導兩個輸出端之間連接了一半圓形波導，該半圓形波導的兩端與Y形分支波導的兩輸出端相切並與兩輸出保偏尾光纖耦合連接構成能實現偏振光環行的新型Y波導的輸出尾纖。
2.根據權利要求1所述的用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，其特徵在於，所述的半圓形波導傳輸光的低損耗線偏振方向與Y分支波導傳輸光的低損耗線偏振方向垂直。
3.根據權利要求2所述的用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，其特徵在於，所述的新型Y波導輸出端兩低損耗線偏振光方向與保偏尾光纖的快軸和慢軸一致，耦合對接。
4.根據權利要求1所述的用於光纖陀螺的新型偏振環行Y波導結構，其特徵在於，所述的Y形分支波導兩臂的長度不相等，兩個輸出埠呈10° -15°的斜拋設置。
【文檔編號】G02B6/125GK103837931SQ201410005173
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】胡宗福, 姜潤知 申請人:同濟大學