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提出了一种基于双芯光子带隙光纤(PBF)的单偏振(SP)定向耦合器,利用全矢量有限元方法(FEM)对其耦合特性进行了研究。结果表明:通过适当调整纤芯间微孔的大小及掺杂折射率可在耦合器获得SP特性;而纤芯间微孔椭圆率的变化并不会对其SP特性造成干扰,耦合器具有较高的结构参数容错性;通过优化参数,最终获得了一种长度仅为0.403 mm的SP定向耦合器。该耦合器在全保偏PBF(PM-PBF)谐振腔应用中, 能同时起到分束器及起偏器的作用,可以破坏次本征偏振态(ESOP)的谐振条件,有效抑制次ESOP的传输。这种具有较短长度的SP定向耦合器模场可与之前提出的PM-PBF的模场相匹配,有利于搭建起全PM-PBF谐振腔,这对抑制谐振式光纤陀螺(RFOG)热致偏振串扰噪声、提高RFOG的长期稳定性具有重要意义。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Se
p
tember
单偏振双芯光子带隙光纤定向耦合器
李 绪 友
许 振 龙
凌 卫 伟
刘
攀
夏 琳 琳
杨 汉 瑞
哈尔滨工程大学自动化学院
黑龙江 哈尔滨
东北电力大学自动化工程学院
吉林 吉林
摘要
提出了一种基于双芯光子带隙光纤
的单偏振
定向耦合器
利用全矢量有限 元方 法
对其 耦
合特性进行了研究
结果表明
通过适当调整纤芯间微孔的大小及掺杂折射率可在耦合器获得
特性
而纤 芯间
微孔椭圆率的变化并不会对其
特性造成干扰
耦合器具 有较高 的结 构参 数容 错 性
通 过优 化参 数
最 终获 得了
一种长度仅为
的
定向耦合器
该耦合器在全保偏
谐振腔应用中
能同时起到分束器
及起偏器的作用
可以破坏次本征偏 振 态
的 谐 振条 件
有 效 抑制 次
的 传 输
这 种 具有 较 短 长 度的
定向耦合器模场可与之前提出的
的模场相匹配
有利于搭建起全
谐振腔
这对抑 制谐 振式光
纤陀螺
热致偏振串扰噪声
提高
的长期稳定性具有重要意义
关键词
光纤光学
光子带隙光纤
单偏振定向耦合器
谐振式光纤陀螺
热致偏振串扰
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
Sin
g
leGPolarizationDirectionalCou
p
lerBasedonDualGCorePhotonicBand
g
a
p
Fiber
Colle
g
eo
f
Automation HarbinEn
g
ineerin
g
Universit
y
Harbin Heilon
gj
ian
g
Schoolo
f
AutomationEn
g
ineerin
g
NortheastDianliUniversit
y
Jilin Jilin
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国 家 自 然 科 学 基 金
吉 林 省 青 年 科 学 基 金
吉 林 市 科 技 发 展 计 划 资 助 项 目
东北电力大学博士科研启动基金资助课题
作者简介
李绪友
男
博士
教授
主要从事光纤陀螺
光纤传感技术方面的研究
通信联系人
.
中
国
激
光
引
言
谐振式光纤陀螺
是一种基于光纤环形谐振腔
中
效应发展起 来的新一代 光纤惯
性器件
通过测量
中沿顺时针
逆时针方向传播的光束的谐振频率差实现对外界旋转角速率的测量
与干涉式光纤陀螺
相比
所需的光纤 长度要 短 得多
通常只有 几 米到几十 米
这在减小 系 统
体积的同时也显著降低了谐振腔中因温度 不均匀带来 的热致 非 互异性噪 声
因此
光纤环中 骨 架的
影响也远远低于
同时具有检测精度高
动态范围大
理论精度更高等优点
然而
谐振腔中偏振波
动
光克尔效应
瑞利背向散射
等噪声限制了
的发展
其中
偏振波动噪 声是影响
长
期稳定性的主要因素
也是限制
性能的主要因素
目前为止
克服
中的偏振波动噪声主要
从以下方面着手
使用保偏光纤技术
增大两个本征偏振态
谐振点的相位差
减小其重叠的几率
以及相互之间的串扰
降低保偏光纤谐振腔双折射的温度敏感性
对于传统的保偏光纤可以使用双
偏振
轴旋转熔接技术
使用具有偏振消光比的器件制作谐振腔
一般在保偏光纤谐振腔中集成在线起偏器或者使
用单模单偏振光纤增加次
的绕 腔损耗
破坏谐振腔 中次
的谐振条件
然而
无论通过 何 种方
案
普通保偏光纤的双折射总是不同程度地受到外界应力扰动
温度波动等因素 的影响
温度波动引 起的偏
振串扰仍制约着
的性能
而空芯 带隙光子晶 体光纤
的出现为解 决这一 问题提供 了 新的
方法
与普通保偏光纤的应力双折射不同
保偏空芯带 隙光子晶体 光纤
的双折射是 由结构 不 对
称引起的
对温度
磁场
辐射等敏感性较低
且设计自由度 大
更重要的 是
将光局限 在 空气中
但在
非石英材料中可进行传输
其弯曲损耗
光克尔效应
舒珀
效应等比实芯光纤小得多
这也有助
于谐振腔尺寸的小型化
鉴于
在
偏振波动噪声抑制中的重要价值
本课题组在前期提出了一
种具有良好保偏特性和极低温度敏感性的
这种具有极低拍长温度敏感系数的
可以同时利
用保偏光纤技术和降低谐振腔双折射温度敏感性的方案
有效降低
中热致偏振不稳定带来的误差
但是
将
应用在
上
仍存在诸多问题
受工艺条件的限制
还无法制作出基于
的定向耦
合器
到目前为止
基于
的
采用空间耦合器件
传统保偏光纤耦合器
微透镜光学结构
等进行闭合
然而
这些耦合器件由于不能与
做到模场匹配
在连接处存在很大的反射和损耗
故普遍
存在精细度不高
损耗较大的问题
由于
以空气作为传 输介质
因此与之配 套的耦合器 也必须以空 气
作为传输介质
而基于双芯
耦合器的出现为这一问题的解决提供了新的思路
年
等
提出
了一种基于普通
结构的双芯
单偏振定向耦合器
在
谐振腔中
单偏振
定向耦合 器同时
起到分束器和在线起偏器的作用
可以有效破坏次
的谐振条件
进而抑制偏振波动噪声
然而
这种
耦合器是基于普通
并无保偏
设计
谐振腔性能仍需继续改进
为了同时利用保 偏 光 纤 技 术
降 低 谐 振 腔 双 折 射 温 度 敏 感 性 和 破 坏 次
的 谐 振 条 件 技 术 抑 制
热致偏振串扰噪声
在
方案基础上
本文进一步提出一种基于双芯
的
定向 光纤
耦合器
并利用全矢量有限元方法
对耦合器特性进行了研究
研究方法与结构模型
全矢量有限元法可以有效识别光纤中的传输模式
对不同光子晶体光纤的模型进行网格化处理
求解精
度高
适于研究各种复杂结构的光子晶体光纤
因此
利用
研究在
基础上提出 的
定向
耦合器特性
及定向耦合器截面结构如图
所示
图
为
结构
结构参数见文献
图
为双芯
定向耦合器结构
由
改进而来
两个纤芯结构及包层参数与图
相同
与本课题组
之前提出的偏振分束器
相类似
本文提出的双芯定向耦合器通过调整纤芯间微孔孔径及掺杂折射率获得
良好性能
双芯间掺杂微孔
x
方向轴长和
y
方向轴长分别为
a
和
b
定义椭圆率
η
b
a
在微孔为圆孔时
定义
d
a
b
微孔掺杂折射率为
n
其余气孔折射 率为
基底材料为 熔融石英
折射率设为
忽
略波长对石英折射率的影响
通过合理设计光纤的包层结构和缺陷纤芯的排布
多芯
可以具有许多特殊的性质
对于具有两个
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