用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103837931 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103837931 A (21)申请号 201410005173.2 (22)申请日 2014.01.06 G02B 6/126(2006.01) G02B 6/125(2006.01) G01C 19/64(2006.01) (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨浦区四平路 1239 号 (72)发明人 胡宗福 姜润知 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 林君如 (54) 发明名称 用于光纤陀螺的新型偏振环行 Y 波导结构 (57) 摘要 本

2、发明涉及用于光纤陀螺的新型偏振环行 Y 波导结构， 包括一 Y 形分支波导和一半圆形波导， 以及一输入尾光纤和两输出保偏尾光纤， 半圆形 波导位于 Y 形分支波导的输出端， 半圆形波导传 输光的低损耗线偏振方向与现有 Y 分支波导传输 光的低损耗线偏振方向垂直。该半圆形波导的两 端与 Y 形分支波导的两输出端相切， 这样保证半 圆形和现有 Y 分支波导传输光的低损耗线偏振方 向与保偏输出尾光纤的偏振方向一致。与现有 Y 分支波导技术相比， 本发明用于干涉型保偏光纤 陀螺能有效抑制偏振串扰、 Faraday 效应等非互 易误差， 并且能使传感线圈长度加倍。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1

3、 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103837931 A CN 103837931 A 1/1 页 2 1.用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构， 包括新型Y波导， 输入光纤耦合连接到新 型 Y 波导输入端， 两保偏输出尾光纤， 耦合连接到新型 Y 波导两输出端， 其特征在于， 在 Y 形分支波导两个输出端之间连接了一半圆形波导， 该半圆形波导的两端与 Y 形分 支波导的两输出端相切并与两输出保偏尾光纤耦合连接构成能实现偏振光环行的新型 Y 波导的输出尾纤。 2.根据权

4、利要求1所述的用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构， 其特征在于， 所述 的半圆形波导传输光的低损耗线偏振方向与 Y 分支波导传输光的低损耗线偏振方向垂直。 3.根据权利要求2所述的用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构， 其特征在于， 所述 的新型 Y 波导输出端两低损耗线偏振光方向与保偏尾光纤的快轴和慢轴一致， 耦合对接。 4.根据权利要求l所述的用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构， 其特征在于， 所述 的 Y 形分支波导两臂的长度不相等， 两个输出端口呈 10 -15的斜抛设置。 权 利 要 求 书 CN 103837931 A 2 1/4 页 3 用于光纤陀螺的新型偏振环行 Y 波导结

5、构 技术领域 0001 本发明涉及一种惯性导航器件用组件， 尤其是涉及一种用于干涉型保偏光纤陀螺 的新型偏振环行 Y 波导结构。 背景技术 0002 光纤陀螺是以敏感线圈和集成光学器件为基础的惯性导航器件， 用于自主测量载 体相对于惯性空间的旋转运动 ( 旋转角速度 )， 对惯性系统计算载体的精确位置， 方向等具 有关键性作用。它的基本原理是基于 Sagnac 效应， 干涉型光纤陀螺 (IFOG) 主要是以干涉 仪为基础， 在光纤线圈中以顺时针和逆时针传输的两束光， 由于载体的旋转而产生相位差， 在检测端口发生干涉， 进而计算出载体的旋转角速度。IFOG 以其在精度、 抗冲击、 价格、 尺 寸

6、、 重量以及长寿命上所具有的明显优点， 适合规模化生产的优势， 在工业与军事应用中拓 展了许多较新的用途， 成为目前发展最为迅速的惯性器件之一。 0003 集成光学器件(Y波导)是光纤陀螺的关键器件。 器件通常采用铌酸锂(LiNbO3)为 基底， 采用质子交换等工艺制成Y形状的光波导， 将光束分/合， 光波相位调制和光的起偏/ 检偏多项功能集为一体。起偏使传感线圈的输入光近似为线偏振光， 检偏能抑制传感线圈 中光波耦合产生的正交偏振态的影响， 减小陀螺的偏振误差。但是现有的 Y 波导器件不能 抑制传感线圈中偏振串扰和 Faraday 效应等非互易误差， 随着光纤陀螺系统的实用化， 对 Y 波导

7、集成光学器件的性能要求也越来越高。 发明内容 0004 本发明的目的就是为了克服上述现有 Y 波导技术存在的缺陷而提供一种能抑制 传感线圈中偏振串扰和Faraday效应等非互易误差的新型偏振环行Y波导分支器件结构。 0005 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 ： 0006 用于光纤陀螺的新型偏振环行Y波导结构， 包括一Y形分支波导和一半圆形波导， 以及一输入光纤和两输出保偏尾光纤， 半圆形波导位于 Y 形分支波导的输出端， 半圆形波 导传输光的低损耗线偏振方向与现有 Y 分支波导传输光的低损耗线偏振方向垂直。该半圆 形波导的两端与 Y 形分支波导的两输出端相切， 这样保证半圆形和现有 Y

8、 分支波导传输光 的低损耗线偏振方向与保偏输出尾光纤的偏振方向一致。 0007 所述的半圆形波导和 Y 形分支波导的衬底材料是铌酸锂或其它衬底材料， 衬底材 料可以相同， 也可以不同。 0008 所述的半圆形波导和 Y 形分支波导可以采用质子交换、 或离子交换、 或内扩散、 或 外扩散、 或离子植入平面光波导制作工艺技术。 0009 所述的半圆形波导和 Y 形分支波导可以采用不同的或相同的平面光波导制作工 艺技术半圆形波导的本征偏振态与 Y 形分支波导的本征偏振态正交， 分别传输平行偏振方 向的线偏振光和垂直方向的线偏振光。 0010 所述的新型 Y 波导输出端两低损耗线偏振光方向与保偏尾光纤

9、的快轴和慢轴一 说 明 书 CN 103837931 A 3 2/4 页 4 致， 耦合对接。 0011 当 Y 形分支波导臂中只传播垂直线偏振光时， 半圆形波导中只传播平行线偏振 光 ； 当Y形分支波导臂中只传播平行线偏振光时， 半圆形波导中只传播垂直线偏振光。 当垂 直线偏振光波从尾纤输入时， 垂直线偏振光从 Y 形分支波导输出， 平行线偏振光将从半圆 形波导机构输出， 从 Y 形分支波导输入的垂直线偏振光及从半圆形波导机构输入的平行线 偏振光均从尾纤输出。由此可见， 无论是从 Y 形分支波导中传播的垂直方向线偏振光， 还是 从半圆形波导传播的平行方向线偏振光， 都由输出端口耦合输出到尾纤

10、。可让其中 Y 形分 支波导与尾纤的慢轴耦合对接， 半圆形波导与尾纤的快轴耦合对接。由输出端口进入的线 偏振光， 慢轴光耦合到 Y 形分支波导臂中继续传播， 快轴光耦合到半圆形波导机构中继续 传播。 0012 Y 形分支波导只传播垂直偏振方向的波导， 传播平行偏振光时损耗大于 60dB， 半 圆形波导只传播平行偏振方向的波导， 传播垂直偏振光时损耗大于 60dB。 0013 所述的 Y 形分支波导的两个输出端口呈 10 -15的斜抛设置， 使两 Y 分支波导 长度不对称， 减小背向反射光波的相干性。 0014 所述的尾纤还可以连接 Sagnac 传感线圈， 其中一个尾纤与传感线圈 90对接，

11、另一个尾纤与传感线圈平行对接， 实现传感线圈的长度加倍， 并且能很大程度上抑制偏振 传音、 Faraday 效应等。 0015 与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ： 0016 (1) 由于为垂直线偏振光和平行线偏振光各自设置了通路， 大大降低了偏振传音 的干扰 ； 0017 (2) 由于环行通路的存在， 可让光波在传感线圈中环行两次， 使传感线圈长度加 倍 ； 0018 (3) 采用这种新型 Y 波导的干涉型保偏陀螺还能抑制 Fauraday 非互易相移， 同时 其随机游走也有明显改善。 附图说明 0019 图 1 为本发明的结构示意图。 0020 图中， 1 为输入光纤、 2 为 Y 形

12、分支波导臂、 3 为 Y 形分支波导臂、 4 为半圆形波导、 5 为尾纤、 6 为尾纤。 具体实施方式 0021 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0022 实施例 0023 用于光纤陀螺的新型偏振环形 Y 波导结构， 其结构如图 1 所示。包括一 Y 形分支 波导和一半圆形波导， 以及一输入光纤和两输出保偏尾光纤。输入光纤与 Y 形分支波导半 圆形波导位于 Y 形分支波导的输出端， 半圆形波导传输光的低损耗线偏振方向与现有 Y 分 支波导传输光的低损耗线偏振方向垂直。该半圆形波导的两端与 Y 形分支波导的两输出端 相切， 这样保证半圆形波导和现有 Y 分支波导传输光的低损耗线偏

13、振方向与保偏输出尾光 纤的偏振方向一致。其中， 衬底材料由铌酸锂或其它材料构成。半圆形波导 4 和 Y 形分支 说 明 书 CN 103837931 A 4 3/4 页 5 波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 由铌酸锂构成， 半圆形波导 4 的本征偏振态与 Y 形分支波导臂 2、 Y形分支波导臂3正交， 分别传输平行偏振方向的线偏振的光和垂直方向的线偏振光。 令 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 的输出端与保偏尾纤 5、 尾纤 6 的慢轴对接， 半圆形波 导 4 与保偏尾纤 5、 尾纤 6 的快轴对接。 0024 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 中只传播垂直线偏振光，

14、 传播平行偏振 光时 损耗大于60dB， 半圆形波导4中只传播平行线偏振光， 传播垂直偏振光时损耗大于60dB。 当 光波从保偏尾纤 5、 尾纤 6 输入时， 垂直线偏振光从 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 输 出， 平行线偏振光将从半圆形波导 4 输出， 从 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 输入的垂 直线偏振光及从半圆形波导 4 输入的平行线偏振光均从保偏尾纤 5、 尾纤 6 输出。由此可 见， 无论是从 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 中传播的垂直方向线偏振光， 还是从半圆 形波导4传播的平行方向线偏振光， 都由输出端口耦合输出到保偏尾纤5、 尾纤

15、6。 Y形分支 波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 只传播垂直偏振方向的波导， 另外， Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支 波导臂3的两个输出端口呈10斜抛设置， 使两Y分支波导长度不对称， 减小背向反射光波 的相干性。 0025 尾纤 5、 尾纤 6 还可以连接 Sagnac 传感线圈， 其中一个尾纤与传感线圈 90对接， 另一个尾纤与传感线圈平行对接， 实现传感线圈的长度加倍， 并且能很大程度上抑制偏振 传音、 Faraday 效应等。 0026 新型偏振环行 Y 波导结构如附图 l， A 到 C 点光波导和 B 到 D 点的光波导有一样的 结构和特性， 它们是 Y 形分支波导臂 2、 Y

16、 形分支波导臂 3， D 点到 C 点的半圆形波导 4 的本 振偏振态与传统波导正交。Y 形分支波导有两条分支臂 2、 3， 半圆形波导 4 在输出端成半圆 形连接两条分支， 这三条波导构成偏振环行器， 并在输出端与保偏光纤耦合构成输出尾纤。 当在能实现偏振光环行的 Y 波导任一输出端口加上 90旋光反射镜后， 从 Y 分支波导输入 的垂直线偏振光将变为平行线偏振光返回， 但进入半圆形波导。 0027 通常， 我们用某方向的 “切” 表示晶体基片的取向， 即表示晶体的某一轴向垂直于 晶体的表面， 例如 x 切、 y 切和 z 切。目前常用的 Y 形分支波导， 其中铌酸锂晶体基片的取 向大多采用

17、 x 切， y 传播， 新型 Y 波导的制备 ： 首先与传统的 Y 形分支波导制作方法相同， 衬 底由铌酸锂 （LiNbO3） 或其他合适的材料组成。波导材料为铌酸锂， 采用质子交换或其他工 艺在衬底上扩散形成波导区。由于其构造和边界条件， 使得 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波 导臂 3 中只能传播垂直线偏振方向的光波， 若传输平行偏振光则损耗在 60dB 以上。 0028 接下来制备半圆形波导， 由于深度扩散在工艺上难度比较高， 所以采取拼接的办 法。在传统 Y 形分支波导上挖去一部分， 形成一个半圆形缺口。再制作一个能与半圆形缺 口无缝对接， 且大小完全相同的半圆形衬底块， 在半圆形

18、衬底的圆弧面 上进行扩散形成半 圆形波导， 再将半圆形块 4 无缝对接到半圆形缺口上， 这样就制成了只传播平行偏振方向 光的半圆形波导， 且 Y 形分支波导和半圆形波导在输出端 C、 D 实现重合。 0029 0030 新型 Y 波导输出端两低损耗线偏振光方向与保偏尾纤的快轴和慢轴一致， 耦合对 接。波导的形状和其他性能不作具体要求， 只需要保证上述传播特性要求。 0031 尾纤 5、 尾纤 6 采用保偏光纤， 这样可以保证光波在光纤中传播时保持它的偏振 态。 说 明 书 CN 103837931 A 5 4/4 页 6 0032 干涉型保偏光纤陀螺的应用 0033 将此新型偏振环行 Y 分支

19、波导结构应用于干涉型保偏光纤陀螺， 即在 Y 波导保偏 尾纤后连接光纤传感线圈， 传感线圈必须为保偏光纤。 其中一根尾纤与光纤线圈90对接， 即尾纤的慢轴与光纤快轴对接， 尾纤的快轴与光纤的慢轴对接 ： 另一根尾纤与光纤线圈平 行对接， 即尾纤的慢轴与光纤慢轴对接。尾纤的快轴与光纤的快轴对接。 0034 参照附图 1， 垂直线偏振光由 A 点进入偏振环行器， 通过 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分 支波导臂 3 来到 C 点， 进入尾纤， 由于其中一根尾纤与光纤是 90对接， 因此光波经过线圈 传播变为平行线偏振光来到 D 端口。而后光波将经由半圆形波导 4 来到 C 端口并进入尾纤 进行第二次传输， 第二次经过线圈变回垂直线偏振光到达端口 D， 接着经由 Y 形分支波导臂 2、 Y 形分支波导臂 3 到达了 B 点。这样， 由于在线圈中传播两次， 相当于把线圈长度变成了 原来的 2 倍。同理， 垂直线偏振光由 B 点进入时， 也将实现光波在光纤线圈中的 2 次环形。 0035 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点， 并不能以此限制此发明的保护范 围。凡是根据本发明想法所做的等效变换或是修饰， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103837931 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103837931 A 7