基于新型光子晶体光纤谐振式陀螺技术研究

发布时间：2020-09-21 13:53

　　谐振式光纤陀螺通过检测光纤谐振腔顺时针和逆时针两个方向的谐振频差来获取旋转角速率信息,同等精度下其所需要的光纤长度仅为干涉式光纤陀螺的几十到几百分之一,在未来高精度光纤陀螺小型化、集成化和低成本的发展趋势下极具竞争力。然而,谐振式光纤陀螺因受到背向散射噪声、偏振波动噪声等光学噪声的影响,性能受到了很大限制。近几年,光子晶体光纤以其辐射敏感性弱、热稳定性和偏振特性好以及磁敏感性弱等优势,在光纤陀螺领域展现出了巨大的应用潜力。论文探索将光子晶体光纤应用于谐振式光纤陀螺中,围绕提高谐振式光纤陀螺的整体性能展开相关关键技术研究。本文主要针对光子晶体光纤谐振腔结构参数优化、背向散射噪声的抑制、调相谱调制解调技术以及偏振波动噪声等若干问题展开分析,同时考虑到新型光子晶体光纤在谐振式光纤陀螺中的应用潜力,对光子晶体光纤结构及其特性也进行了相关研究。论文的主要研究工作如下:(1)为设计高性能的光子晶体光纤谐振腔,研究了光纤谐振腔的传输特性以及其性能与结构参数之间的制约关系。推导了光纤谐振腔建立最佳谐振状态时必需的幅值条件和相位条件,详细分析了结构参数对谐振腔输出光强、腔内循环光强度和精细度等方面的影响,为优化谐振腔结构提供了的理论基础。同时考虑到激光器谱线宽度和光子晶体光纤熔接损耗等因素,分析了谐振式陀螺由光电探测器散粒噪声决定的极限灵敏度,得出由于光子晶体光纤与传统保偏耦合器之间存在较大的熔接损耗导致其在精细度和理论极限灵敏度方面受到了一定限制。进一步,提出采用模场匹配技术减小光子晶体光纤的熔接损耗,并熔接制作了光子晶体光纤谐振腔,测试结果表明采用模场配技术使光子晶体光纤的熔接损耗有所降低,这在一定程度上提高了光子晶体光纤谐振腔的精细度。(2)针对谐振式光纤陀螺中存在的背向散射噪声问题,对其噪声产生的机理及抑制方法进行了研究。首先,为了抑制背向散射噪声中的干涉项,分析了载波抑制技术中调制参数对载波分量、频谱分布以及载波抑制比等的影响。其次,为了计算背向散射噪声引起的陀螺偏差,搭建了背向散射曲线测试平台,分别对光子晶体光纤谐振腔和熊猫光纤谐振腔的腔内背向散射系数进行了测量,测试结果表明光子晶体光纤谐振腔的背向散射系数相对较小。另外,理论仿真表明当调制信号的载波抑制比满足一定的要求,背向散射引起的陀螺偏差可减小至理论极限灵敏度的量级。(3)深入而全面地分析了谐振式光纤陀螺的信号检测过程,建立了基于调相谱调制解调技术的谐振腔动态响应模型,重点研究了调制参数对熊猫光纤谐振腔和光子晶体光纤谐振腔调制动态输出曲线和解调曲线的影响。分析结果表明,在调制频率逐渐变大的过程中,谐振腔的动态输出波形会出现严重的超调现象,而当调制频率过大时,解调曲线工作区的线性度变差,进而限制了陀螺输出的动态范围;在最优的调制参数下,较之普通熊猫光纤谐振腔,采用光子晶体光纤谐振腔的谐振式光纤陀螺拥有更大的理论动态检测范围,但是解调曲线较小的零点斜率意味着它的检测灵敏度较低。最后搭建了基于调相谱的信号检测实验平台,对建立的理论模型进行了实验验证。(4)研究了光子晶体光纤谐振腔的偏振特性,采用琼斯矩阵法建立了偏振分析模型,重点分析了熔接点对准误差角以及温度变化对谐振腔本征偏振态及其主轴旋转角度的影响。分析结果表明,谐振腔本征偏振态受多种因素的影响,可表现为线偏振、椭圆偏振或圆偏振;当温度引起的相位差为2?的整数倍时,本征偏振态的主轴最大程度地偏离了光纤偏振轴。进一步,分析了温度变化对谐振曲线的影响,发现随着温度的变化,次偏振态与主偏振态之间的位置和幅值也随之发生变化,并通过实际测试进行了验证。另外,针对谐振式光纤陀螺对光纤高双折射特性的需求,设计了一种具有缺陷纤芯的高双折射光子晶体光纤,仿真结果表明,该缺陷芯光子晶体光纤的双折射可高至10~(-2)量级。(5)针对传统保偏耦合器低消光比引起的偏振串扰问题,提出了一种新型单模单偏振双芯光子晶体光纤耦合器结构。通过全矢量有限元法和光束传播法,分析了耦合器结构参数对包层填充基模、单偏振工作区的截止波长以及双芯耦合特性等的影响,仿真结果表明该耦合器能够实现较大范围的单偏振工作带宽且工作区可自由调节,其为抑制传统保偏耦合器偏振串扰引起的波动噪声提供了一种潜在的解决途径。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

光子晶体光纤,全内反射,光子带隙

(a) (b)图 1.1 (a) 全内反射型光子晶体光纤 (b) 光子带隙型光子晶体光纤g. 1.1 (a) Schematic diagram of TIR PCF (b) Schematic diagram of PBG-在纤芯中的，它的传输纤芯通常为空气孔，因此，在理论上其拥有更高的温度稳定性。TIR-PCF的导光原理与传统阶跃型光纤类似，纤芯iO2材料，而包层中为含有按周期排列的空气孔的 SiO2材料，因此，料拉制而成。可通过调节空气孔大小或位置来实现各种复杂的表现出区别于传统光纤的优异特性，如无尽单模、高双折射、色散可性等[17-20]，大大增加了光纤结构设计的自由度，同时也拓宽了在等领域的应用范围。相较于传统光纤(如 PANDA 光纤)，PCF 表现出其在 FOG 中展现出了巨大的应用潜力，主要体现以下方面[21,22]：(1)前，光纤陀螺中使用的光纤和耦合器通常由保偏光纤或普通单模光纤为掺杂 Ge 的 SiO2材料，当光纤陀螺在高辐射等恶劣环境工作时，光逐渐向外扩散，导致纤芯折射率减小，从而引起光纤的损耗大大增加陀螺无法在辐射环境下长期工作[23-25]。不同于传统光纤，通常只

系统框图,谐振腔,单模光纤,系统框图

展现状螺通过检测谐振腔中顺时针和逆时针两个方向的谐振度的检测，按照系统中谐振腔采用的敏感部件介质的不集成光波导型[26]。集成光波导型谐振式陀螺采用半导谐振腔和检测电路等分别制成模块，可实现小型化和集形谐振腔存在较大损耗等问题，目前在实现高精度方面重点对全光纤型的谐振式陀螺展开研究。现状FOG研究的热潮主要发生在 20 世纪 80 年代左右，研究司和科研机构，主要包括美国Honeywell公司[27-34]、日本36]、东京大学[37-43]、德国 LITEF[44]、英国伦敦大学[45,46]于的文献报到来看，国外对研究的单位主neywell 公司[53-58]。

保偏光纤,单点,零偏稳定性,偏振波

图 1.3 单点 90°旋转熔接的保偏光纤chematic diagram of RFOG with PM fiber resonator of 90°rot针对单模光纤谐振腔存在的偏振波动而导致的无法实现长的 G. A. Sanders 等人提出使用保偏光纤代替单模光纤，首，并使用 LiNbO3相位调制器代替了体积较大的 PZT 调制器服温度变化引起的偏振波动问题，他们提出采用单点 90°熔[33]，如图 1.3 所示。为了抑制两个方向的背向散射噪声，该弦波通过 LiNbO3相位调制器对光路进行调制。测试结果表小时内陀螺的零偏稳定性为 10 °/h，该方案使用了体积较调谐激光器，在一定程度上提高了系统的集成度。 Tokyo Aircraft Instrument 的 T. Imai 等人提出了使用半导体方案[35]。1996 年，他们披露了关于该方案的测试结分别采用线宽为 5 kHz Nd-YAG 激光器和线宽为 30 kHz 的积分时间 10 s 条件下，可实现的短期零偏稳定性分别为 0.

【参考文献】