高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的製作方法
2023-04-28 16:59:11 3
高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔，特別是一種腔內同時集成偏振軸旋轉熔接和運用光子晶體光纖(PhotonicCrystalFibers，PCF)的諧振腔，諧振腔結構包括反射式和透射式兩種不同形式；光纖諧振腔腔內熔接方式為偏振軸旋轉90度2次熔接。在諧振式光纖陀螺應用中，要求光纖環形諧振腔具有低損耗、高清晰度、以及高偏振消光比特性。本發明減小了Kerr噪聲的影響，兩次90度熔接與光子晶體光纖能共同作用並抑制了偏振波動隨溫度的變化產生的噪聲，在諧振式光纖陀螺或者其他的傳感領域，具有重要的科學意義與應用價值。
【專利說明】高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖諧振腔，特別是具有抑制Kerr噪聲與偏振噪聲漂移功能與應用特種光子晶體光纖獲的光學諧振腔，諧振腔結構包括反射式和透射式兩種不同形式；光纖諧振腔腔內熔接方式為偏振軸旋轉90度2次熔接。
【背景技術】
[0002]光纖環形諧振腔作為諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,RF0G)的核心敏感部件，最簡單的諧振腔可以由一個2'2光纖耦合器的兩根尾纖簡單熔接而成。透射式諧振腔結構則由兩個2'2光纖耦合器構成。由於光纖製造工藝的問題，光在光纖諧振腔傳輸中會產生多種噪聲，主要包括瑞背散射噪聲，光學Kerr效應噪聲與偏振波動噪聲。為了克服背散射噪聲，雙頻相位調製的方法被應用到陀螺系統中，但是光學Kerr噪聲與偏振噪聲難以得到有效的抑制。光學Kerr效應是一種和功率有關的非線性有效應。當光波導直徑很小時，波導新區的光功率密度很大，光的折射率將發生變化，引起光的非線性傳播。如果諧振腔順時針(Clockwise, CW)和逆時針(Counterclockwise, CCW)方向光波功率不平衡，就會產生一個小的非互易相位差，從而使系統出現偽旋轉產生噪聲。偏振噪聲是由於在保偏光纖中，存在兩個本徵偏振態(Eigenstates of polarization, ESOPs),兩個ESOPs之間存在折射率差，其值隨著溫度波動發生變化，這會導致光纖諧振腔的兩個ESOPs各自所對應的諧振光波發生疊加與幹涉效應，引起諧振曲線的不對稱性和ESOPs之間的幹涉，進而引起諧振頻率點的檢測誤差與陀螺的輸出誤差。目前偏振波動噪聲與光學Kerr效應噪聲依舊是諧振式光纖陀螺系統中最重要的光學噪聲源之一。
[0003]為了克服光纖諧振腔的偏振波動噪聲，研究者們提出了多種方案。
[0004]專利申請US20100128277提出了基於起偏器與單次90°熔接的諧振腔結構。然而單次90°熔接技術與起偏器結構不能共存在一個諧振腔中(該專利申請實際上是提出了兩個方案，一次90°熔接方案與諧振腔加起偏器方案)。如果兩個方案合併在一個諧振腔中會導致所有的偏振態都被明顯衰減，使得諧振腔失去諧振功能。如果只使用一次90°熔接方案則不能有效抑制次偏振態的強度噪聲，只使用起偏器方案，則不能抑制兩個偏振態的幹涉噪聲。
[0005]專利申請CN 201210103664.1高偏振消光比的光學諧振與專利申請CN201210103665.6提出利用2次90°旋轉熔接技術，成功的將光纖起偏結構與偏振軸旋轉技術相結合，對上述兩種偏振噪聲(次偏振態強度噪聲和主次偏振態幹涉噪聲)進行了很好地抑制。然而起偏器的起偏效果有限，限制了陀螺輸出精度的提高。受限於目前器件的工藝水平，難以實現全溫度範圍抑制偏振噪聲到極限靈敏度以下(要求的消光比遠大於目前起偏器能提供的水平)。同時諧振腔中分立元件的加入，極大地增加了光纖諧振腔的繞制困難，不利於RFOG性能的改善和提高。
[0006]而且以上各個方案對於光學Kerr噪聲沒有有效地抑制作用。為了克服光學Kerr噪聲，功率反饋控制技術被提出，通過反饋減小諧振腔CW和CCW方向入腔光波功率差，最終減小和光波功率差相關的Kerr效應。但由於功率反饋方案不能有效抑制諧振腔內光的非線性傳播問題，諧振腔CW和CCW方向光波調製頻率差異所引起的光學Kerr噪聲仍然無法得到有效抑制，此外，功率反饋技術使得RFOG系統更加複雜和龐大。
[0007]近年來,有人嘗試利用特種光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)來解決偏振噪聲與光學Kerr噪聲的影響，但是效果並不理想。例如發表在JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY (VOL.30，N0.7，APRIL I, 2012)上的 Resonant Fiber Optic GyroscopeUsing an Air-Core Fiber—文，其性能還未達到上述專利申請CN 201210103665.6的水平。由於缺少可以商用的光子晶體光纖耦合器，直接使用光子晶體光纖構成諧振腔到目前為止尚無有突破的跡象。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種運用光子晶體光纖的高偏振消光比光學諧振腔，諧振腔結構包括反射式和透射式兩種不同形式，腔內熔接方式為旋轉2次90度熔接結構，目標在全溫度範圍內抑制諧振式光纖陀螺的偏振噪聲。
[0009]由於缺少光子晶體光纖耦合器，為進一步抑制保偏光纖耦合器的尾纖帶來的偏振波動噪聲，改善溫度穩定性，腔內採用偏振軸旋轉90度熔接的措施，特別是一種偏振軸旋轉2次熔接的透射式諧振腔結構，在應用光子晶體光纖後，能夠大大改善溫度穩定性抑制光的非線性折射現象。
[0010]—種高偏振消光比的反射式光子晶體光纖諧振腔，包括第一 PM光纖稱合器、第一90度熔接點、第二 90度熔接點、第一光子晶體光纖；第一光纖耦合器包括第一 PM光纖尾纖、第二 PM光纖尾纖、第三PM光纖尾纖、第四PM光纖尾纖；第三PM光纖尾纖、第二 90度熔接點、第一光子晶體光纖、第一 90度熔接點、第四PM光纖尾纖組成光纖環路。
[0011]所述的第三尾纖、第四尾纖的長度相等。
[0012]—種高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔，包括第二光纖稱合器、第三90度熔接點、第二光子晶體光纖、第三光纖耦合器、第三光子晶體光纖、第四90度熔接點；第二光纖耦合器包括第五PM光纖尾纖、第六光纖PM尾纖、第七光纖PM尾纖、第八光纖PM尾纖；第三光纖耦合器包括第九PM光纖尾纖、第十光纖PM尾纖、第十一光纖PM尾纖、第十二光纖PM尾纖；第七光纖PM尾纖、第三90度熔接點、第二光子晶體光纖、第九PM光纖尾纖、第十光纖PM尾纖、第三光子晶體光纖、第四90度熔接點、第八光纖PM尾纖組成光纖環路。
[0013]所述的第七尾纖、第八尾纖的長度之和與第九尾纖、第十尾纖的長度之和相等；或者第七尾纖、第八尾纖、第九尾纖、第十尾纖的長度相等。
[0014]—種高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔，包括第四光纖稱合器、第五90度熔接點、第四光子晶體光纖、第五光纖耦合器、第六90度熔接點；第四光纖耦合器包括第十三PM光纖尾纖、第十四光纖PM尾纖、第十五光纖PM尾纖、第十六光纖PM尾纖；第五光纖耦合器包括第十七PM光纖尾纖、第十八光纖PM尾纖、第十九光纖PM尾纖、第二十光纖PM尾纖；第十五光纖PM尾纖、第五90度熔接點、第四光子晶體光纖、第二十PM光纖尾纖、第十九光纖PM尾纖、第六90度熔接點、第十六光纖PM尾纖組成光纖環路。
[0015]所述的第十五尾纖、第十六尾纖的長度之和與第九尾纖、第十尾纖的長度之和相等；或者第十五尾纖、第十六尾纖、第十九尾纖、第二十尾纖的長度相等。[0016]本發明與現有技術相比具有的有益效果:
1)光子晶體光纖相對於普通光纖，以空氣作為傳光介質，這就意味著超低的傳輸損耗、超低非線性以及超低色散傳輸，這在傳統光纖中是難以實現的。在PCF光纖中，我們可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑(即PCF的有效面積)來降低單位有效面積上的光強，從而達到大大減少非線性效應的目的，從根本上減小光學Kerr噪聲，提高RFOG的穩定性；
2)在光纖諧振腔中運用光子晶體光纖，光纖本身就有優異的溫度穩定性。通過減少空氣孔數目或者改變空氣孔直徑的方式，可以製造出比常用的熊貓型保偏光纖高几個數量級的高雙折射率PCF保偏光纖。由於兩個ESOP之間的折射率差，不會隨著溫度波動發生劇烈變化，使得將全溫度範圍有效抑制偏振噪聲到極限靈敏度以下成為可能；
3)進一步，在光學諧振腔內採用兩次90度熔接技術，減弱了保偏光纖尾纖對於諧振相位的影響度，提高了諧振腔的溫度穩定性；
4)全光纖的結構，相對於分立器件，可以採用互易性諧振腔繞法提高系統精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的反射式的結構示意圖；
圖2是高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的透射式的一種實施方式的結構示意圖； 圖3是高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的透射式的另一種實施方式的結構示意
圖；
圖中:第一 PM光纖耦合器1、第一 PM光纖尾纖2、第二 PM光纖尾纖3、第三PM光纖尾纖4、第四PM光纖尾纖5、第一 90度熔接點6、第二 90度熔接點7、第一光子晶體光纖8、第二光纖耦合器9、第五PM光纖尾纖10、第六光纖PM尾纖11、第七光纖PM尾纖12、第八光纖PM尾纖13、第三90度熔接點14、第四90度熔接點15、第二光子晶體光纖16、第三光子晶體光纖17、第九PM光纖尾纖18、第十光纖PM尾纖19、第三光纖耦合器20、第十一光纖PM尾纖21、第十二光纖PM尾纖22、第四光纖耦合器23、第十三PM光纖尾纖24、第十四光纖PM尾纖25、第十五光纖PM尾纖26、第十六光纖PM尾纖27、第六90度熔接點28、第五90度熔接點29、第四光子晶體光纖30、第五光纖耦合器31、第十七PM光纖尾纖32、第十八光纖PM尾纖33、第十九光纖PM尾纖34、第二十光纖PM尾纖35。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，一種高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的反射式(集成腔內偏振軸2次旋轉90度熔接的反射式光子晶體光纖諧振腔)的結構示意圖，包括第一 PM光纖耦合器1、第一 90度熔接點6、第二 90度熔接點7、第一光子晶體光纖8 ;第一光纖耦合器I包括第一 PM光纖尾纖2、第二 PM光纖尾纖3、第三PM光纖尾纖4、第四PM光纖尾纖5 ;第三PM光纖尾纖4、第二 90度熔接點7、第一光子晶體光纖8、第一 90度熔接點6、第四PM光纖尾纖5組成光纖環路。
[0019]所述的第三尾纖4、第四尾纖5的長度相等，誤差在2cm內。熔接點兩側的光纖長度誤差控制在Icm之內能有效地補償保偏光纖引入的雙折射，降低了光纖諧振腔對溫度的敏感性。
[0020]如圖2所示，高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的透射式的一種實施方式的結構示意圖，包括第二光纖耦合器9、第三90度熔接點14、第二光子晶體光纖16、第三光纖耦合器20、第四90度熔接點15、第三光子晶體光纖17、第四90度熔接點15 ;第二光纖耦合器9包括第五PM光纖尾纖10、第六光纖PM尾纖11、第七光纖PM尾纖12、第八光纖PM尾纖13 ;第三光纖耦合器20包括第九PM光纖尾纖18、第十光纖PM尾纖19、第十一光纖PM尾纖21、第十二光纖PM尾纖22 ;第七光纖PM尾纖12、第三90度熔接點14、第二光子晶體光纖16、第九PM光纖尾纖18、第十光纖PM尾纖19、第三光子晶體光纖17、第四90度熔接點15、第八光纖PM尾纖13組成光纖環路。
[0021]所述的第七尾纖12、第八尾纖13的長度之和與第九尾纖18、第十尾纖19的長度之和相等；或者第七尾纖12、第八尾纖13、第九尾纖18、第十尾纖19的長度相等，誤差控制在2cm內。熔接點兩側的光纖長度誤差控制在Icm之內能有效地補償保偏光纖引入的雙折射，降低了光纖諧振腔對溫度的敏感性。
[0022]如圖3所示，高偏振消光比的光子晶體光纖諧振腔的透射式的另一種實施方式的結構不意圖，包括第四光纖I禹合器23、第五90度熔接點29、第四光子晶體光纖30、第五光纖耦合器31、第六90度熔接點28 ;第四光纖耦合器23包括第十三PM光纖尾纖24、第十四光纖PM尾纖25、第十五光纖PM尾纖26、第十六光纖PM尾纖27 ;第五光纖耦合器31包括第十七PM光纖尾纖32、第十八光纖PM尾纖33、第十九光纖PM尾纖34、第二十光纖PM尾纖35 ;第十五光纖PM尾纖26、第五90度熔接點29、第四光子晶體光纖30、第二十PM光纖尾纖35、第十九光纖PM尾纖34、第六90度熔接點28、第十六光纖PM尾纖27組成光纖環路。
[0023]所述的第十五尾纖26、第十六尾纖27的長度之和與第九尾纖34、第十尾纖35的長度之和相等；或者第十五尾纖26、第十六尾纖27、第十九尾纖34、第二十尾纖35的長度相等，誤差控制在2cm內。熔接點兩側的光纖長度誤差控制在Icm之內能有效地補償保偏光纖引入的雙折射，降低了光纖諧振腔對溫度的敏感性。
【權利要求】
1.一種高偏振消光比的反射式光子晶體光纖諧振腔，其特徵在於包括第一 PM光纖率禹合器(I )、第一 90度熔接點(6)、第二 90度熔接點(7)、第一光子晶體光纖(8);第一光纖耦合器(I)包括第一 PM光纖尾纖(2)、第二 PM光纖尾纖(3)、第三PM光纖尾纖(4)、第四PM光纖尾纖(5 );第三PM光纖尾纖(4)、第二 90度熔接點(7 )、第一光子晶體光纖(8 )、第一 90度熔接點(6)、第四PM光纖尾纖(5)組成光纖環路。
2.根據權利要求1所述的高偏振消光比的反射式光子晶體光纖諧振腔，其特徵在於所述的第三尾纖(4)、第四尾纖(5)的長度相等。
3.—種高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔,其特徵在於包括第二光纖稱合器(9)、第三90度熔 接點(14)、第二光子晶體光纖(16)、第三光纖耦合器(20)、第三光子晶體光纖(17)、第四90度熔接點(15);第二光纖耦合器(9)包括第五PM光纖尾纖(10)、第六光纖PM尾纖(11 )、第七光纖PM尾纖(12)、第八光纖PM尾纖(13);第三光纖耦合器(20)包括第九PM光纖尾纖(18)、第十光纖PM尾纖(19)、第^^一光纖PM尾纖(21 )、第十二光纖PM尾纖(22 );第七光纖PM尾纖(12 )、第三90度熔接點(14)、第二光子晶體光纖(16 )、第九PM光纖尾纖(18)、第十光纖PM尾纖(19)、第三光子晶體光纖(17)、第四90度熔接點(15)、第八光纖PM尾纖(13)組成光纖環路。
4.根據權利要求3所述的高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔，其特徵在於所述的第七尾纖(12)、第八尾纖(13)的長度之和與第九尾纖(18)、第十尾纖(19)的長度之和相等；或者第七尾纖(12)、第八尾纖(13)、第九尾纖(18)、第十尾纖(19)的長度相等。
5.一種高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔，其特徵在於包括第四光纖耦合器(23)、第五90度熔接點(29)、第四光子晶體光纖(30)、第五光纖耦合器(31)、第六90度熔接點(28);第四光纖耦合器(23)包括第十三PM光纖尾纖(24)、第十四光纖PM尾纖(25)、第十五光纖PM尾纖(26)、第十六光纖PM尾纖(27);第五光纖耦合器(31)包括第十七PM光纖尾纖(32)、第十八光纖PM尾纖(33)、第十九光纖PM尾纖(34)、第二十光纖PM尾纖(35);第十五光纖PM尾纖(26)、第五90度熔接點(29)、第四光子晶體光纖(30)、第二十PM光纖尾纖(35)、第十九光纖PM尾纖(34)、第六90度熔接點(28)、第十六光纖PM尾纖(27)組成光纖環路。
6.根據權利要求5所述的高偏振消光比的透射式光子晶體光纖諧振腔，其特徵在於所述的第十五尾纖(26)、第十六尾纖(27)的長度之和與第九尾纖(34)、第十尾纖(35)的長度之和相等；或者第十五尾纖(26)、第十六尾纖(27)、第十九尾纖(34)、第二十尾纖(35)的長度相等。
【文檔編號】G02B6/27GK103941343SQ201410186482
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】馬慧蓮, 嚴昱超, 汪泠瀾, 金仲和 申請人:浙江大學