一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测量方法

摘要

本发明公开了一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测量方法及装置，属于光纤应用技术领域。所述测量方法是指光源输出光经过耦合器，在Y波导中分为两路，其中上路光在熔点A处反射，下路光在熔点B处反射，两路反射光经过Y波导，最终经过耦合器，利用光谱仪测量输出光谱，导出光谱仪测得光谱数据，然后对测量得到的光谱数据做快速傅里叶变换得到反射次波的光程差。所述的测量装置是指采用光谱仪接收耦合器的反射光，并计算反射次波的光程差。本发明通过精确测量反射次波间的光程差，从而指导控制反射次波光程差，消除了光子带隙光纤陀螺中由反射次波引起的偏置误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测量方法，属于光纤应用技术领 域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如 全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗 冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各 领域。

光纤是光纤陀螺中最主要的传输介质。现有光纤陀螺中通常采用普通熊猫型保偏光纤， 其导波特性对外界温度、电磁等物理场较敏感，因而导致光纤陀螺环境适应性较差。目前针 对这一问题主要采取被动防护的措施来解决，如添加防护罩等。这些措施虽然能够在一定程 度上提高光纤陀螺的环境适应性，但同时也带来了一些副作用，如体积、重量、功耗和成本 的增加。

光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型微结构光纤，通过SiO₂和空气孔的周期性 排列形成二维光子晶体结构，产生光子带隙效应，从而限制光波在中心空气孔缺陷(纤芯) 中传播。这种结构和导光机理上的独特性使得光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性， 如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等。因此，光子带隙光 纤是解决光纤陀螺环境适应性问题的理想选择，是光纤陀螺的未来发展趋势。

光纤陀螺的基本结构包括光源、耦合器、Y波导、光纤环和探测器共五大光学器件，它 们之间通过光纤熔接的方式进行连接。光纤熔接可借助成熟的商业熔接机完成，操作简单快 捷，是目前通用的光纤陀螺生产工艺。现有的光子带隙光纤陀螺中仅有光纤环是由光子带隙 光纤绕制而成，其余器件与传统陀螺无异，光子带隙光纤环与Y波导输出尾纤的连接也采用 了光纤熔接的方式，陀螺光路的构成方式与传统陀螺一致。

由于光子带隙光纤的纤芯为空气，与Y波导尾纤的纤芯折射率不同，由菲涅尔反射定律 可知熔点处会产生较大的端面反射。反射光波经Y波导汇合发生干涉，在陀螺输出信号中引 入了偏置误差，影响光子带隙光纤陀螺的静态精度和长期稳定性。针对这一问题的一般解决 方法是将反射光波的光程差拉开，使其去相干，即控制两个熔点的相对位置使反射光波不能 发生干涉。因此，如何精确控制反射次波间的光程差成为解决光子带隙光纤陀螺中反射次波 致偏置误差的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测 量方法。

本发明的一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一、记录并导出光谱仪所测的输出光谱数据；

利用光谱仪测量输出光谱数据。

步骤二、对测量得到的光谱数据做快速傅里叶变换得到反射次波的光程差；

设波长为λ的光反射到光谱仪时存在稳定的相位差则返回光强I为：

其中，

I_λ＝I_λ正+I_λ反+I_1λ+I_2λ

${I_{\lambda }}^{,}=2\sqrt{I_{1\lambda }{I}_{2\lambda }}$

I_λ正与I_λ反为光源输出的波长λ的光沿光路正向和反向经过，到达光谱仪的光强，I_1λ与 I_2λ为光源输出的波长λ的光经两个反射点反射后，到达光谱仪的光强，n_λ为波长为λ的光在 传输介质中的折射率，L为次波反射点距离，n_λ为波长为λ的光在传输介质中的折射率。因 此只需求解出光谱中所包含的周期信息，即可得到次波反射点距离，因此得到反射次波光程 差n_λ×L。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明只需使用光谱仪即可完成测量，降低了测量对实验器材的需求。

(2)本发明不需要对连接好的陀螺光路进行调整，降低了测试的复杂程度。

(3)本发明中光谱仪分辨率高，能够清晰地分辨次波反射点，保证了高测量精度。

附图说明

图1是本发明一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差的测量方法的流程图；

图2是本发明一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差装置的示意图；

图3是本发明仿真采用的光源输出光谱示意图；

图4是本发明仿真得到的光谱仪测量结果示意图；

图5是本发明对光谱仪仿真数据进行快速傅里叶变换结果取对数的示意图；

图6是本发明对图5中选取尖峰所在的较短区间的示意图。

图中：

1-光源；2-光纤耦合器；3-光谱仪；

4-Y波导；5-熔点A；6-熔点B；

7-光子带隙光纤环；8-未用输出端。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明首先提供一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差测量装置，用于高精度光纤熔 点位置测量，如图2所示，所述的反射次波光程差测量装置包括：光源1、光纤耦合器2、光 谱仪3、Y波导4和光子带隙光纤环7。光源1的输出光纤与光纤耦合器2的一个输入端光纤 熔接，光纤耦合器2的另一输入端与光纤跳线熔接后连接光谱仪3，选取光纤耦合器2的一 个输出端光纤与Y波导4的输入端光纤熔接，并对光纤耦合器2的另一个未用输出端8采用 不规则折断或者浸入到匹配液中的方式，以防止端面反射。Y波导4的两个输出端分别与光 子带隙光纤环7的两端光纤熔接于熔点A5和熔点B6，待测反射次波即产生在这两个熔点位 置，因此也称这两个熔点A5和熔点B6位置为次波反射点。

基于上述的装置，本发明提供一种光子带隙光纤陀螺中反射次波光程差测量方法，如图 1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、记录并导出光谱仪所测得的输出光谱数据；

启动光源1，输出光经过耦合器2，在Y波导4中分为两路，其中上路光在熔点A5处反 射，下路光在熔点B6处反射，两路反射光经过Y波导4，最终经过耦合器2，利用光谱仪3 测量输出光谱，导出光谱仪3测得光谱数据。

步骤二、对测量的光谱数据做快速傅里叶变换得到反射次波光程差；

将所得到的光谱数据进行快速傅里叶变换计算得到两个次波反射点的光程差。

下面对计算方法进行仿真分析。

设置谱宽11nm，中心波长1550nm的高斯光束作为光源信号，光源输出光谱如图3所示。 设熔点A5与熔点B6距离相差1mm。由于波长λ的光反射到光谱仪3时存在稳定的相位差所以光谱仪3的测量端光信号强度I为：

其中，

I_λ＝I_λ正+I_λ反+I_1λ+I_2λ

${I_{\lambda }}^{,}=2\sqrt{I_{1\lambda }{I}_{2\lambda }}$

I_λ正与I_λ反为光源输出的波长λ的光沿光路正向和反向经过，到达光谱仪的光强，I_1λ与I_2λ为 光源输出的波长λ的光经两个反射点反射后，到达光谱仪的光强，L为熔点A5与熔点B6的 距离，此处L＝1mm。仿真光谱仪测试数据图如图4所示，由于传统光纤中，在测试光谱范围 内，不同波长的光的模式折射率差很小，可忽略不计，因此认为波长为λ的光在传输介质中 的折射率n_λ是常量，记为n。对光谱进行快速傅里叶变换后，得到的脉冲位置为1/Δλ，其中 Δλ为光源谱宽，此处Δλ＝11nm。根据所得光谱图4可知，当两路反射光中某波长的光波满足 相位差为2π时，达到最大干涉光强，从而在原光源光谱上叠加了周期性的光信号，即如图4 中所示，因此叠加信号的两相邻周期需满足：

$\frac{2\pi }{{\lambda }_1}n·\left(2L\right)-\frac{2\pi }{{\lambda }_2}n·\left(2L\right)=2\pi$

其中λ₁与λ₂为光源输出光谱两端，即光源可输出光的最短波长与最长波长，整理得到，

$L=\frac{{\lambda }_m^2}{2·n·\Delta \lambda }$

其中λ_m为中心波长，因此将快速傅里叶变换所得到的曲线横坐标乘以对纵坐标取对数 处理，得到如图5所示结果图，明显存在反射次波引起的尖峰点。为使结果更清晰，将尖峰 所在较短区间单独绘制曲线，得到图6，明显可见在L＝1mm处存在次波反射点，所以反射次 波光程差为n×L。

本发明通过精确测量反射次波间的光程差，从而指导控制反射次波光程差，消除了光子 带隙光纤陀螺中由反射次波引起的偏置误差。