谐振式光纤陀螺(RFOG)的介绍与单偏振双芯光子带隙光纤定向耦合器

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  谐振式光纤陀螺(RFOG)是一种基于光纤环形谐振腔(FRR)中 Sagnac 效应发展起来的新一代光纤惯性器件[1],通过测量光纤环形谐振腔中沿顺时针、逆时针方向传播的光束的谐振频率差实现对外界旋转角速率的测量。与干涉式光纤陀螺(IFOG)相比,RFOG 所需的光纤长度要短的多,通常只有几米到几十米,这在减小系统体积的同时也显著降低了谐振腔中因温度不均匀带来的热致非互异性噪声,因此,光纤环中骨架的影响也远远低于 IFOG。同时具有检测精度高、动态范围大、理论精度更高等优点[2]。然而,谐振腔中偏振波动[3,4]、光克尔效应[5]、瑞利背向散射[6]等噪声限制了 RFOG 的发展。其中,偏振波动噪声是影响 RFOG 长期稳定性的主要因素,也是限制 RFOG 性能的主要因素[7]。目前为止,克服 RFOG 中的偏振波动噪声,主要从以下方面着手[8~11]:使用保偏光纤技术,增大两个本征偏振态(ESOP)谐振点的相位差,减小其重叠的几率以及相互之间的串扰;降低保偏光纤谐振腔双折射的温度敏感性,对于传统的保偏光纤可以使用双 90°偏振轴旋转熔接技术;使用具有偏振消光比的器件制作谐振腔,一般在保偏光纤谐振腔中集成在线起偏器或者使用单模单偏振光纤增加次 ESOP 的绕腔损耗,破坏谐振腔中次 ESOP 的谐振条件。然而,无论通过何种方案,普通保偏光纤的双折射总是不同程度受到外界应力扰动、温度波动等因素的影响,温度波动引起的偏振串扰仍制约着 RFOG 的性能。而空芯带隙光子晶体光纤(PBF)[12~14]的出现为解决这一问题提供了新的方法。与普通保偏光纤的应力双折射不同,保偏空心带隙光子晶体光纤(PM-PBF)的双折射是由结构不对称引起,对温度、磁场、辐射等敏感性较低,且设计自由度大。更重要的是,PBF 将光局限在空气中,而非石英材料中进行传输,其弯曲损耗、光克尔效应、舒珀效应等比实芯光纤小得多[15~17],这也有助于谐振腔尺寸的小型化。鉴于 PM-PBF 在 RFOG 偏振波动噪声抑制中的重要价值,我们在前期提出了一种具有良好保偏特性和极低温度敏感性的 PM-PBF,这种具有极低拍长温度敏感系数的 PM-PBF 可以同时利用保偏光纤技术和降低谐振腔双折射温度敏感性的方案,有效降低谐振式光纤陀螺(RFOG)中热致偏振不稳定带来的误差[18]。

  本文研究的耦合器结构是在前期提出的 PM-PBF[18]基础上设计的,PM-PBF 及定向耦合器截面结构如图 1 所示。图 1(a)所示为 PM-PBF 结构,结构参数与文献[18]相同,此处不再赘述。双芯 PBF 定向耦合器结构如图 1(b)所示,该结构由 PM-PBF 改进而来,两个纤芯结构及包层参数与左图相同。与前期提出的偏振分束器[20]相类似,本文提出的双芯定向耦合器通过调整纤芯间微孔孔径及掺杂折射率获得良好性能。a 为双芯间掺杂微孔 x 方向轴长,b 为 y 方向轴长,定义椭圆率 η=b/a,在微孔为圆孔时,定义 d0=a=b。微孔掺杂折射率为 n0,其余气孔折射率为 1,基底材料为熔融石英,折射率设为 1.444,忽略波长对石英折射率的影响。

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