谐振式光纤陀螺中全保偏环形谐振腔的研究

　　揩振式光纤陀螺(RFOG)是为组成低成本、全固态惯性导航系统所开发的一种新型光学陀螺。它采用较短的光纤可以得到优于0.1 (°)/h的理论分辨率,较干涉式光纤陀螺具有明显的优势。其中,光纤环形谐振腔是其核心敏感部件。通过测量光纤环形谐振腔中顺时针和逆时针谐振峰值的中心频率差,可以根据Sagnac效应推算得到被测平面相对惯性空间的转动角速度。早期的研究表明[1,2],单模光纤环形谐振腔由于环境变化表现出偏振不稳定等现象。而采用保偏光纤环形谐振腔可以较好地解决这一问题,从而减小陀螺的测量误差。与此同时,为了提高RFOG的分辨率,要求对环形谐振腔的光学参数进行优化设计,并且对其组成部件的加工质量,如光纤接头损耗、偏振轴对准度等都提出了较高的要求。

本文报道了全保偏环形谐振腔及其定向耦合器的研究工作,进行了参数优化设计以及理论和实验研究,并给出了实验结果,为下一步陀螺系统的开发奠定了基础。

1　光纤环形谐振腔的特性

1.1　基本结构

图1为光纤环形谐振腔结构图。其中F1和F2为两段入口光纤, C为保偏光纤定向耦合器, LPM为保偏光纤环。Pi(i=1,2,3,4)为定向耦合器的端口。Ei(i=1,2,3,4)为通过各端口Pi的光能量。

输入光由P1进入,部分光被耦合进入P3,另一部分进入P4,从而形成光的闭合回路。在谐振腔满足谐振条件并达到稳态时,环形腔中的光将达到一种动态平衡,即谐振状态。与之对应,由P3进入的光也具有同样对称的特性,因此,可以同时在谐振腔中激励出顺时针和逆时针方向两个谐振状态,这两个谐振峰值因被测量平面的转角运动产生简并分裂,这就是光纤环形谐振腔利用Sagnac效应敏感转角运动的光学机理。

1.2　谐振条件

为了清楚地观察并分析谐振现象,首先给出谐振腔的谐振条件,以单路谐振为例(参见图1),当光进入P1时,建立起谐振状态,绝大多数光在闭环腔中环行,在最优谐振条件下, P3的输出能量为0,而从P1继续输入的能量耦合进入环形腔以维持谐振状态,当光纤环中的谐振建立起来时,定向耦合器的作用就是补偿由于耦合器的插入损耗,光纤损耗及熔合光纤接头造成的能量损失。

根据光强及损耗的平衡关系,得到最优谐振的幅值条件为

式中:γ0—耦合器的插入损耗,α0—环形腔接头的光强损耗,α—单位长度光纤的损耗,L—光纤环的长度。kr为最优谐振时的光强耦合因数,其定义为

进而,可以得到谐振时的相角条件,当光波在谐振腔中环行一周后,必须与初始波的相位相同,由此可以将谐振的相角条件写为下式