發(fā)布時間：2020-09-21 13:53

　　 諧振式光纖陀螺通過檢測光纖諧振腔順時針和逆時針兩個方向的諧振頻差來獲取旋轉(zhuǎn)角速率信息,同等精度下其所需要的光纖長度僅為干涉式光纖陀螺的幾十到幾百分之一,在未來高精度光纖陀螺小型化、集成化和低成本的發(fā)展趨勢下極具競爭力。然而,諧振式光纖陀螺因受到背向散射噪聲、偏振波動噪聲等光學噪聲的影響,性能受到了很大限制。近幾年,光子晶體光纖以其輻射敏感性弱、熱穩(wěn)定性和偏振特性好以及磁敏感性弱等優(yōu)勢,在光纖陀螺領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。論文探索將光子晶體光纖應用于諧振式光纖陀螺中,圍繞提高諧振式光纖陀螺的整體性能展開相關關鍵技術(shù)研究。本文主要針對光子晶體光纖諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、背向散射噪聲的抑制、調(diào)相譜調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及偏振波動噪聲等若干問題展開分析,同時考慮到新型光子晶體光纖在諧振式光纖陀螺中的應用潛力,對光子晶體光纖結(jié)構(gòu)及其特性也進行了相關研究。論文的主要研究工作如下:(1)為設計高性能的光子晶體光纖諧振腔,研究了光纖諧振腔的傳輸特性以及其性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的制約關系。推導了光纖諧振腔建立最佳諧振狀態(tài)時必需的幅值條件和相位條件,詳細分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振腔輸出光強、腔內(nèi)循環(huán)光強度和精細度等方面的影響,為優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)提供了的理論基礎。同時考慮到激光器譜線寬度和光子晶體光纖熔接損耗等因素,分析了諧振式陀螺由光電探測器散粒噪聲決定的極限靈敏度,得出由于光子晶體光纖與傳統(tǒng)保偏耦合器之間存在較大的熔接損耗導致其在精細度和理論極限靈敏度方面受到了一定限制。進一步,提出采用模場匹配技術(shù)減小光子晶體光纖的熔接損耗,并熔接制作了光子晶體光纖諧振腔,測試結(jié)果表明采用模場配技術(shù)使光子晶體光纖的熔接損耗有所降低,這在一定程度上提高了光子晶體光纖諧振腔的精細度。(2)針對諧振式光纖陀螺中存在的背向散射噪聲問題,對其噪聲產(chǎn)生的機理及抑制方法進行了研究。首先,為了抑制背向散射噪聲中的干涉項,分析了載波抑制技術(shù)中調(diào)制參數(shù)對載波分量、頻譜分布以及載波抑制比等的影響。其次,為了計算背向散射噪聲引起的陀螺偏差,搭建了背向散射曲線測試平臺,分別對光子晶體光纖諧振腔和熊貓光纖諧振腔的腔內(nèi)背向散射系數(shù)進行了測量,測試結(jié)果表明光子晶體光纖諧振腔的背向散射系數(shù)相對較小。另外,理論仿真表明當調(diào)制信號的載波抑制比滿足一定的要求,背向散射引起的陀螺偏差可減小至理論極限靈敏度的量級。(3)深入而全面地分析了諧振式光纖陀螺的信號檢測過程,建立了基于調(diào)相譜調(diào)制解調(diào)技術(shù)的諧振腔動態(tài)響應模型,重點研究了調(diào)制參數(shù)對熊貓光纖諧振腔和光子晶體光纖諧振腔調(diào)制動態(tài)輸出曲線和解調(diào)曲線的影響。分析結(jié)果表明,在調(diào)制頻率逐漸變大的過程中,諧振腔的動態(tài)輸出波形會出現(xiàn)嚴重的超調(diào)現(xiàn)象,而當調(diào)制頻率過大時,解調(diào)曲線工作區(qū)的線性度變差,進而限制了陀螺輸出的動態(tài)范圍;在最優(yōu)的調(diào)制參數(shù)下,較之普通熊貓光纖諧振腔,采用光子晶體光纖諧振腔的諧振式光纖陀螺擁有更大的理論動態(tài)檢測范圍,但是解調(diào)曲線較小的零點斜率意味著它的檢測靈敏度較低。最后搭建了基于調(diào)相譜的信號檢測實驗平臺,對建立的理論模型進行了實驗驗證。(4)研究了光子晶體光纖諧振腔的偏振特性,采用瓊斯矩陣法建立了偏振分析模型,重點分析了熔接點對準誤差角以及溫度變化對諧振腔本征偏振態(tài)及其主軸旋轉(zhuǎn)角度的影響。分析結(jié)果表明,諧振腔本征偏振態(tài)受多種因素的影響,可表現(xiàn)為線偏振、橢圓偏振或圓偏振;當溫度引起的相位差為2?的整數(shù)倍時,本征偏振態(tài)的主軸最大程度地偏離了光纖偏振軸。進一步,分析了溫度變化對諧振曲線的影響,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的變化,次偏振態(tài)與主偏振態(tài)之間的位置和幅值也隨之發(fā)生變化,并通過實際測試進行了驗證。另外,針對諧振式光纖陀螺對光纖高雙折射特性的需求,設計了一種具有缺陷纖芯的高雙折射光子晶體光纖,仿真結(jié)果表明,該缺陷芯光子晶體光纖的雙折射可高至10~(-2)量級。(5)針對傳統(tǒng)保偏耦合器低消光比引起的偏振串擾問題,提出了一種新型單模單偏振雙芯光子晶體光纖耦合器結(jié)構(gòu)。通過全矢量有限元法和光束傳播法,分析了耦合器結(jié)構(gòu)參數(shù)對包層填充基模、單偏振工作區(qū)的截止波長以及雙芯耦合特性等的影響,仿真結(jié)果表明該耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的單偏振工作帶寬且工作區(qū)可自由調(diào)節(jié),其為抑制傳統(tǒng)保偏耦合器偏振串擾引起的波動噪聲提供了一種潛在的解決途徑。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

(a) (b)圖 1.1 (a) 全內(nèi)反射型光子晶體光纖 (b) 光子帶隙型光子晶體光纖g. 1.1 (a) Schematic diagram of TIR PCF (b) Schematic diagram of PBG-在纖芯中的，它的傳輸纖芯通常為空氣孔，因此，在理論上其擁有更高的溫度穩(wěn)定性。TIR-PCF的導光原理與傳統(tǒng)階躍型光纖類似，纖芯iO2材料，而包層中為含有按周期排列的空氣孔的 SiO2材料，因此，料拉制而成。 可通過調(diào)節(jié)空氣孔大小或位置來實現(xiàn)各種復雜的表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的優(yōu)異特性，如無盡單模、高雙折射、色散可性等[17-20]，大大增加了光纖結(jié)構(gòu)設計的自由度，同時也拓寬了 在等領域的應用范圍。相較于傳統(tǒng)光纖(如 PANDA 光纖)，PCF 表現(xiàn)出其在 FOG 中展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，主要體現(xiàn)以下方面[21,22]：(1)前，光纖陀螺中使用的光纖和耦合器通常由保偏光纖或普通單模光纖為摻雜 Ge 的 SiO2材料，當光纖陀螺在高輻射等惡劣環(huán)境工作時，光逐漸向外擴散，導致纖芯折射率減小，從而引起光纖的損耗大大增加陀螺無法在輻射環(huán)境下長期工作[23-25]。不同于傳統(tǒng)光纖， 通常只

展現(xiàn)狀螺通過檢測諧振腔中順時針和逆時針兩個方向的諧振度的檢測，按照系統(tǒng)中諧振腔采用的敏感部件介質(zhì)的不集成光波導型[26]。集成光波導型諧振式陀螺采用半導諧振腔和檢測電路等分別制成模塊，可實現(xiàn)小型化和集形諧振腔存在較大損耗等問題，目前在實現(xiàn)高精度方面重點對全光纖型的諧振式陀螺 展開研究�，F(xiàn)狀FOG研究的熱潮主要發(fā)生在 20 世紀 80 年代左右，研究司和科研機構(gòu)，主要包括美國Honeywell公司[27-34]、日本36]、東京大學[37-43]、德國 LITEF[44]、英國倫敦大學[45,46]于 的文獻報到來看，國外對 研究的單位主neywell 公司[53-58]。

圖 1.3 單點 90°旋轉(zhuǎn)熔接的保偏光纖chematic diagram of RFOG with PM fiber resonator of 90°rot針對單模光纖諧振腔存在的偏振波動而導致的無法實現(xiàn)長的 G. A. Sanders 等人提出使用保偏光纖代替單模光纖，首，并使用 LiNbO3相位調(diào)制器代替了體積較大的 PZT 調(diào)制器服溫度變化引起的偏振波動問題，他們提出采用單點 90°熔[33]，如圖 1.3 所示。為了抑制兩個方向的背向散射噪聲，該弦波通過 LiNbO3相位調(diào)制器對光路進行調(diào)制。測試結(jié)果表小時內(nèi)陀螺的零偏穩(wěn)定性為 10 °/h，該方案使用了體積較調(diào)諧激光器，在一定程度上提高了系統(tǒng)的集成度。 Tokyo Aircraft Instrument 的 T. Imai 等人提出了使用半導體 方案[35]。1996 年，他們披露了關于該方案的測試結(jié)分別采用線寬為 5 kHz Nd-YAG 激光器和線寬為 30 kHz 的積分時間 10 s 條件下，可實現(xiàn)的短期零偏穩(wěn)定性分別為 0.

【參考文獻】

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本文編號：2823566