基于光纤Sagnac干涉仪的高精度宽谱光源平均波长测量技术

　　1 引 言

　　精确测量宽谱光源平均波长对研制高精度光纤陀螺具有重要意义，除用光谱仪测量外，目前还没有专业用来测宽谱光源平均波长的技术。在光纤陀螺中，光波长的变化直接影响陀螺标度因数。高精度光纤陀螺标度因数相对精度要达到 1×10–6，因此需要光波长的测量相对精度也优于 1×10–6(约 0.001 nm)。目前测量光波长的仪器主要有波长计和光谱仪，波长计主要用来测量窄谱光的波长，所谓窄谱是指谱宽小于 5 nm。由于宽谱光空间相干性差，现有波长计无法精确测量宽谱光平均波长[1]。宽谱光源平均波长的测量都是用光谱仪实现的，目前光谱仪测量宽谱光源平均波长精度最高达到 0.01 nm，光谱仪精度难以满足高精度光纤陀螺的波长测量要求。而且光谱仪昂贵，笨重，难以进行系统集成，因此研制经济、　　便携、多通道、可在线测量的高精度宽谱光源平均波长测量技术对解决光纤陀螺中光波长漂移问题意义重大。

　　光纤陀螺是新一代光学陀螺，是当今国内外研究的热点。随着精度的提高，标度因数逐渐取代零漂，成为光纤陀螺的主要误差源。标度因数的主要影响因素是平均波长稳定性。解决波长稳定性的方案基本有三种，研制高波长稳定性光源、直接对光源发出的光进行波长控制或者对由波长引起的标度因数变化进行补偿[1]。无论采用哪种解决方案都必须实现对宽谱光平均波长的精确测量。本文对高精度宽谱光源平均波长测量技术做了探索。

　　2 基本原理

　　LiNbO3波导调制器中

　　l 为波导的长度，d 为波导的厚度，λ 为光源平均波长，U 为调制电压，Γ 为电场与光场的重叠因子，ne为非寻常光折射率，γ33为介电常数[5]。该式除了电压 U 和波长 λ 其他均为常量，可将其等效为常数 K，

　　上式可简化为φ=K.U/λ，式中 K 可由实验标定获得，精确测量相位φ 和调制电压 U 便可得出光源平均波长 λ。

　　3 测量方案

　　3.1 光路方案

　　与传统波长计对干涉条纹进行计数测量光波长的方法不同，本文提出的是一种基于全保偏光纤 Sagnac 干涉仪的相位检测的方案。在干涉条纹内对微小的相位信号变化进行提取，从而得到波长信息[4]。

　　图 1 所示是干涉仪的原理图，待测光经过耦合器进入 Y 型 LiNbO3集成光学波导调制器，从 Y 波导进入光纤环，光纤环由一个顺时针绕制的 CW 环和逆时针绕制的 CCW 环连接组成，目的是为了消除由于地球自转等其他因素引入的 Sagnac 效应误差。从光纤环出来的光再经过 Y 波导和耦合器并发生干涉，由 PIN-FET 组件将干涉光强信号转化为电信号输出。其中，光纤环采用长度为 200 m 的保偏光纤以四极对称的方法绕制而成;耦合器采用低 PDL(偏振相关损耗)的宽带耦合器，保证不由耦合器引入平均波长变化;光电探测器采用 PIN-FET组件，跨阻抗为 800 k ;Y 波导输入输出尾纤为保偏光纤，输入尾纤采用 45°消偏。以上光路设计满足互易性原理，可以抵消各种非互易效应引入的相位误差[1]。