發(fā)布時間：2018-08-11 12:40

【摘要】：諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG)以其良好的發(fā)展前景成為了人們研究的熱點,其基本工作原理是通過檢測諧振腔內(nèi)由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率差,完成對旋轉(zhuǎn)角速度的測量。在R-FOG中,通常采用窄帶光源獲得良好的諧振性能,而窄帶光源的高相干性使得陀螺中的光學(xué)噪聲大幅增強,嚴(yán)重影響了 R-FOG的性能�？蒲腥藛T考慮采用多種措施對相關(guān)光學(xué)噪聲進行抑制,然而效果都不是十分理想�？招竟庾訋豆饫w(Hollow-core Photonic-bandgap Fiber,HC-PBF)是一種新型的微結(jié)構(gòu)光纖,由于其能夠?qū)崿F(xiàn)光波在空氣纖芯內(nèi)傳輸,且空氣介質(zhì)相比傳統(tǒng)實芯纖芯(Si/SiO2)具有更優(yōu)的光學(xué)特性,人們考慮將HC-PBF應(yīng)用于R-FOG構(gòu)建HC-PBF-ROG,從而降低相關(guān)噪聲。盡管HC-PBF-ROG在誤差抑制方面具有潛在的優(yōu)勢,然而目前仍存在一些問題:1.HC-PBF中,光波導(dǎo)尺寸直接影響傳輸特性。針對R-FOG進行光纖設(shè)計時,如何使得特定波段的光源入射光在傳輸時具有最優(yōu)的傳輸特性有待研究。2.空芯光纖的損耗要大于傳統(tǒng)單模光纖,影響了空芯光纖的應(yīng)用,損耗主要是由表面模機制引起的;3.還沒有針對R-FOG的特種HC-PBF研究進行,考慮到R-FOG的誤差因素,特種HC-PBF的主要特性應(yīng)包括更低的克爾非線性特性和瑞利散射特性,同時也應(yīng)具有良好的保偏特性或單偏振特性;4.HC-PBF諧振腔內(nèi)由于雙本征偏振態(tài)之間相互串?dāng)_而產(chǎn)生的偏振波動噪聲的問題;5.光纖陀螺系統(tǒng)中離散背向反射的問題。針對以上HC-PBF-ROG中存在的問題,本論文由HC-PBF結(jié)構(gòu)設(shè)計入手,研究設(shè)計了新型的HC-PBF,對單偏振HC-PBF諧振腔中的偏振噪聲和HC-PBF-ROG中的離散背向反射進行了研究,論文的主要研究內(nèi)容如下:1.研究了 HC-PBF傳輸截止區(qū)間特性。利用平面波展開法對HC-PBF的光子帶隙特性進行了分析,推導(dǎo)了空芯光纖的數(shù)值孔徑,發(fā)現(xiàn)由于光子帶隙的限制,HC-PBF中的數(shù)值孔徑存在兩個極值;進一步研究了不同占空比下的傳輸截止區(qū)間特性,發(fā)現(xiàn)占空比是影響中心波長比率和波長比率寬度的重要因素;利用HC-PBF傳輸截止區(qū)間,設(shè)計了針對1550nm光源的具有最低限制損耗的HC-PBF基本結(jié)構(gòu)。2.研究了 HC-PBF的表面模損耗問題。利用全矢量有限元法對HC-PBF進行了數(shù)值計算,得到表面模在纖芯附近的強度分布,研究了 HC-PBF纖芯截切半徑對表面模損耗的影響,研究結(jié)果表明,以融合截切方式引入19單元纖芯孔能夠最有效地抑制表面模損耗,獲得最優(yōu)的纖芯傳輸功率。3.研究設(shè)計了單模單偏振態(tài)HC-PBF�；谥C振耦合的思想,設(shè)計了一種針對R-FOG的新型的雙橢圓輔助孔HC-PBF,并對其各個傳播模式的傳輸特性進行了分析,結(jié)果表明新型光纖在1550nm波段附近具有良好的單模單偏振特性;考慮到R-FOG中主要的誤差因素,重點對雙橢圓輔助孔HC-PBF中的克爾非線性特性和瑞利散射特性進行了分析,結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)單模光纖相比,新型光纖具有極低的克爾非線性系數(shù)和瑞利散射損耗系數(shù)。4.全面分析了 HC-PBF-ROG中的克爾效應(yīng)和Shupe效應(yīng)。包括產(chǎn)生機理及目前主要的抑制措施等,分析結(jié)果表明,利用空芯光纖構(gòu)建的HC-PBF-ROG,能夠有效地、大幅地降低克爾效應(yīng)對于陀螺性能的影響;Shupe效應(yīng)誤差在高精度R-FOG中也應(yīng)加以考慮,HC-PBF-ROG中采用較低Shupe系數(shù)的空芯光纖,配合環(huán)形諧振腔較短的低光纖長度和合理的繞制手段,能夠大幅降低陀螺中的Shupe效應(yīng)誤差5.研究了單偏振HC-PBF諧振腔中的偏振誤差。建立了單偏振態(tài)HC-PBF諧振腔的傳輸矩陣,基于該傳輸矩陣,利用瓊斯矩陣方法建立了單偏振態(tài)諧振腔的偏振噪聲模型,在理論上對單偏振態(tài)HC-PBF諧振腔的偏振噪聲進行了分析,結(jié)果表明單偏振態(tài)HC-PBF諧振腔能夠有效抑制偏振波動誤差。6.研究了 HC-PBF-ROG中的離散背向反射噪聲。分析了 HC-PBF-ROG中的瑞利背向散射和離散背向反射,對離散背向反射進行了歸納分類,建立了完整的離散背向反射干涉光強模型,提出了在檢測器耦合器懸空端加入相位調(diào)制的方法,分析了調(diào)制波形對離散背向反射的影響,通過對比分析,理論上通過設(shè)置合理的調(diào)制系數(shù)就能有效地抑制離散背向反射噪聲。
[Abstract]:Resonator Fiber Optic Gyro (R-FOG) has become a research hotspot for its good development prospects. Its basic principle is to measure the angular velocity of rotation by detecting the frequency difference caused by rotation in the resonator. In R-FOG, narrow-band light source is usually used to obtain good resonance performance, while narrow-band light is used. The high coherence of the source greatly enhances the optical noise in the gyroscope, which seriously affects the performance of the R-FOG. Researchers consider a variety of measures to suppress the related optical noise, but the effect is not very satisfactory. Hollow-core photonic bandgap fiber (HC-PBF) is a new kind of micro-structure fiber. HC-PBF is considered to be used in R-FOG to construct HC-PBF-ROG because it can transmit light in the air core and the air medium has better optical properties than the traditional solid core (Si/SiO2). Thus the related noise can be reduced. Although HC-PBF-ROG has potential advantages in error suppression, there are still some problems: 1. In HC-PBF, the size of optical waveguide has a direct impact on the transmission characteristics. How to optimize the transmission characteristics of the incident light of a particular band in the design of R-FOG optical fiber remains to be studied. 2. The loss of hollow-core optical fiber is larger than that of traditional single-mode optical fiber, which affects the application of hollow-core optical fiber. The loss is mainly caused by the surface mode mechanism. 3. No special HC-PBF research has been carried out for R-FOG. Considering the error factor of R-FOG, the main characteristics of special HC-PBF should include lower Kerr nonlinearity and Rayleigh scattering, as well as good polarization-maintaining or single polarization characteristics. 4. HC-PBF resonator is produced because of cross-talk between two intrinsic polarization states. 5. Discrete backscatter in fiber optic gyroscope system. Aiming at the problems existing in HC-PBF-ROG, a new type of HC-PBF is designed in this paper based on the structure design of HC-PBF. The polarization noise in single polarized HC-PBF resonator and the discrete backscatter in HC-PBF-ROG are studied. The main research contents are as follows: 1. The transmission cut-off characteristics of HC-PBF are studied. The photonic band gap characteristics of HC-PBF are analyzed by plane wave expansion method, and the numerical aperture of hollow fiber is deduced. It is found that there are two extreme values of numerical aperture in HC-PBF due to the limitation of photonic band gap. The duty cycle is found to be an important factor affecting the central wavelength ratio and the wavelength ratio width. Using the transmission cut-off region of HC-PBF, the basic structure of HC-PBF with the lowest limiting loss for 1550nm light source is designed. 2. The surface mode loss of HC-PBF is studied. The full vector finite element method is used to calculate the number of HC-PBF. The strength distribution of the surface mode near the core is obtained. The influence of the cutting radius of the HC-PBF core on the loss of the surface mode is studied. The results show that the introduction of 19-element core holes in the fusion cutting mode can effectively suppress the loss of the surface mode and obtain the optimal core transmission power. 3. The single-mode single-polarization HC-PBF is designed. Based on the idea of resonant coupling, a novel double elliptical auxiliary hole HC-PBF for R-FOG is designed, and the transmission characteristics of each propagation mode are analyzed. The results show that the new fiber has good single-mode and single-polarization characteristics near 1550 nm band. The Kerr nonlinearity and Rayleigh scattering characteristics in-PBF are analyzed. The results show that the new fiber has very low Kerr nonlinearity and Rayleigh scattering loss coefficient compared with the traditional single-mode fiber. 4. The Kerr effect and the Shupe effect in HC-PBF-ROG are comprehensively analyzed, including the generation mechanism and the main suppression measures. The analysis results show that the HC-PBF-ROG constructed by hollow fiber can effectively reduce the influence of Kerr effect on the performance of gyroscope; the error of Shupe effect should be considered in high precision R-FOG, and the hollow fiber with lower Shupe coefficient should be used in HC-PBF-ROG to match the shorter ring resonator with lower fiber length and reasonable winding. The polarization error in a single polarized HC-PBF resonator is studied. The transmission matrix of a single polarized HC-PBF resonator is established. Based on the transfer matrix, the polarization noise model of a single polarized HC-PBF resonator is established by using Jones matrix method, and the single polarized HC-PBF resonator is theoretically resonated. The polarization noise of the cavity is analyzed, and the results show that the single polarization state HC-PBF resonator can effectively suppress the polarization fluctuation error. 6. Discrete backscattering noise in HC-PBF-ROG is studied. Rayleigh backscattering and discrete backscattering in HC-PBF-ROG are analyzed. The discrete backscattering is classified and the complete discrete backscattering is established. A method of adding phase modulation to the suspension end of detector coupler is proposed. The influence of modulation waveform on discrete backscatter is analyzed. By comparison and analysis, the discrete backscatter noise can be effectively suppressed theoretically by setting reasonable modulation coefficient.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN96

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 田振;譚曉玲;耿優(yōu)福;王鵬;姚建銓;;四方格子全固光子帶隙光纖帶隙特性研究[J];激光雜志;2009年05期

2 從征;晶體光子帶隙已接近現(xiàn)實[J];激光與光電子學(xué)進展;1999年10期

3 方云團,沈廷根,譚錫林;二維正方復(fù)式晶格的完全光子帶隙[J];激光技術(shù);2004年04期

4 任坤;馮志芳;任曉斌;;可調(diào)諧光子帶隙晶體的研究進展[J];量子電子學(xué)報;2008年06期

5 龐云波,高葆新;多層結(jié)構(gòu)的光子帶隙特性[J];電子學(xué)報;2002年09期

6 劉劍飛;張偉剛;開桂云;王志;張春書;袁樹忠;董孝義;;可調(diào)光子帶隙光纖的泄漏損耗特性研究(英文)[J];光子學(xué)報;2007年10期

7 栗巖鋒;胡曉X;王愛民;;基于高折射率斷環(huán)結(jié)構(gòu)的全固光子帶隙光纖的設(shè)計[J];物理學(xué)報;2011年06期

8 張斌;侯靜;姜宗福;;全固態(tài)光子帶隙光纖第1帶隙內(nèi)模場分布特性[J];強激光與粒子束;2011年01期

9 宋健,張玉,梁昌洪;共形FDTD分析圓形光子帶隙微帶結(jié)構(gòu)[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報;2004年05期

10 倪正華,劉兆倫,劉曉東,李曙光,周桂耀,侯藍田;光子帶隙光纖的奇異特性和應(yīng)用[J];激光與光電子學(xué)進展;2004年11期

相關(guān)會議論文 前10條

1 陳鴻;;光子帶隙材料及其應(yīng)用[A];面向21世紀(jì)的科技進步與社會經(jīng)濟發(fā)展（上冊）[C];1999年

2 張援農(nóng);趙正予;黃天錫;;準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的分層介質(zhì)的光子帶隙特性[A];2005'全國微波毫米波會議論文集（第二冊）[C];2006年

3 張援農(nóng);趙正予;李曉蓉;;具有分形結(jié)構(gòu)的分層介質(zhì)的光子帶隙特性[A];2003'全國微波毫米波會議論文集[C];2003年

4 楊紅;吳偉;鄒旭;吳金輝;;一維冷原子晶格中基于平衡四波混頻的雙色光子帶隙[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報告會報告摘要集[C];2014年

5 黃愛琴;鄭繼紅;徐邦聯(lián);蔣妍夢;唐平玉;莊松林;;可調(diào)諧液晶三角格子光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對光子帶隙的影響[A];中國光學(xué)學(xué)會2010年光學(xué)大會論文集[C];2010年

6 何曉東;劉星元;劉大力;于榮金;;ZrO_2/SiO_2光子帶隙材料的透射特性研究[A];全國第十次光纖通信暨第十一屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議（OFCIO’2001）論文集[C];2001年

7 王志;;基于光子帶隙光纖長周期光柵的模式干涉儀[A];中國光學(xué)學(xué)會2011年學(xué)術(shù)大會摘要集[C];2011年

8 雷繼兆;梁昌洪;丁偉;張玉;;并行FDTD方法分析光子帶隙微帶結(jié)構(gòu)[A];2007年全國微波毫米波會議論文集（上冊）[C];2007年

9 楊國鋒;陳鶴鳴;;低損耗光子帶隙光纖的數(shù)值研究[A];全國第十二次光纖通信暨第十三屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

10 楊遠洪;張惟敘;;光纖陀螺及其應(yīng)用[A];新世紀(jì) 新機遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊）[C];2001年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 上海交通大學(xué) 姜淳;光子帶隙光纖(下)[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2007年

2 記者 馬麗元　通訊員 王麗梅;國內(nèi)首條光纖陀螺生產(chǎn)線竣工[N];中國航空報;2011年

3 王紅霞;光纖陀螺生產(chǎn)線在寶成開工建設(shè)[N];中國航空報;2009年

4 趙曉文　鄧順英;紅峰廠 光纖陀螺為高鐵安全護航[N];中國航天報;2011年

5 記者 趙碧君 劉濤;長盈通光電布局光纖陀螺千億市場[N];上海證券報;2014年

6 記者 李劍軍 實習(xí)生 周疏密;光谷光纖陀螺技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先[N];湖北日報;2014年

7 記者 馬麗元　通訊員 王麗梅;大力倡導(dǎo)開創(chuàng)型創(chuàng)新[N];中國航空報;2011年

8 趙永新 王健;挫折是人生的財富[N];人民日報;2012年

9 王紅霞;空裝副部長張偉到中航工業(yè)寶成考察[N];中國航空報;2010年

10 李紅梅 王紅霞;產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新引領(lǐng)中航工業(yè)寶成跨越發(fā)展[N];科技日報;2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 宋鴻儒;諧振式光子帶隙光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

2 王齊;光子帶隙與銀納米微粒局域場效應(yīng)協(xié)同增強稀土離子下轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

3 劉震東;光子帶隙調(diào)制光物理過程的研究[D];清華大學(xué);2013年

4 張涵;光子帶隙熱庫中原子相干性質(zhì)的理論研究[D];吉林大學(xué);2008年

5 張珂;光子帶隙熱庫中原子的發(fā)光特性研究[D];吉林大學(xué);2008年

6 黨淑雯;光纖陀螺的信號分析及濾波技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2010年

7 陳世同;高精度光纖陀螺建模及信號處理技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

8 張學(xué)楠;環(huán)形諧振器中的可調(diào)控干涉特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

9 嚴(yán)昱超;諧振式光纖陀螺偏振噪聲研究[D];浙江大學(xué);2016年

10 崔慧敏;基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光纖陀螺誤差補償和平臺穩(wěn)定控制技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所;2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉銘華;基于空芯光子帶隙光纖的全光纖甲烷檢測系統(tǒng)研究[D];燕山大學(xué);2015年

2 王四琴;光子帶隙與貴金屬協(xié)同調(diào)控稀土離子下轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

3 于淼;電磁誘導(dǎo)雙光子和三光子帶隙的產(chǎn)生和控制[D];吉林大學(xué);2012年

4 王盼曉;準(zhǔn)三維光子帶隙波導(dǎo)的理論與實驗研究[D];清華大學(xué);2006年

5 邵珠峰;面向大數(shù)據(jù)的傳輸光纖設(shè)計和分析[D];上海交通大學(xué);2014年

6 王曉暢;一維原子晶格中基于平衡四波混頻的雙色光子帶隙[D];吉林大學(xué);2014年

7 張靚;二能級系統(tǒng)電磁感應(yīng)光子帶隙理論與實驗研究[D];吉林大學(xué);2010年

8 李大為;銫原子中駐波場作用下可控光子帶隙的研究[D];吉林大學(xué);2009年

9 凌冬;光纖陀螺實時去噪技術(shù)及其測試分析平臺的實現(xiàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

10 余慧;光纖陀螺動態(tài)特性的測試與分析[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

，

本文編號：2177018