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CN113532413B - 一种基于f-p腔的光源相对强度噪声抑制装置 - Google Patents

一种基于f-p腔的光源相对强度噪声抑制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于F‑P腔的光源相对强度噪声抑制装置。宽谱光源输出光经光隔离器、2×2光耦合器后到保偏光纤，再依次经过光环形器、偏振旋转器、光环形器到第一光纤反射薄膜中反射和透射；透射光输出，反射光逆反后依次经过光环形器、光放大器、光环形器、保偏光纤、2×2光耦合器后分别耦合到光隔离器和第二光纤反射薄膜中，耦合到光隔离器的光耗散掉，耦合到第二光纤反射薄膜的光再反射和透射；透射光耗散掉，反射光重新返回耦合到2×2光耦合器中，不断往复实现光源光输出和相对强度噪声抑制。本发明在降低了特定频率下光源相对强度噪声的同时，缩短了谐振腔所利用的光纤长度，减少Sagnac干涉仪在光谱滤波后相对强度噪声降低的频率的探测噪声。

Description

一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域的一种光源噪声抑制装置，具体是一种基于F-P腔的光纤陀螺相对强度噪声抑制装置。
背景技术
宽谱光源在光学干涉测量中被广泛使用。其具有微米级别的相干长度，有效消除了Sagnac干涉仪中克尔效应带来的误差。但同时，宽谱光源引入了相对强度噪声限制高精度光纤陀螺角速度测量时的随机游走和偏置漂移特性。
国内外有诸多单位采用多种方法实线相对强度噪声的抑制，主要包括拓展谱宽、设计反馈环节控制光源驱动电流或高速光强调制器、利用饱和半导体光放大器非线性效应降低光功率波动、基于相对强度噪声相关相减方案、利用环形谐振腔降噪等。
拓展谱宽效果随着光功率增加而弱化，同时系统功耗大；反馈控制方法最高只能将相对强度噪声降低6dB；利用饱和半导体光放大器非线性效应降低光功率波动需要的系统功耗大，同时必须增加有源器件，需要保证有源器件的噪声特性；基于相对强度噪声相关相减方案要求较高的偏振态对准精度，同时要求两路信号的噪声相关性要高；利用环形谐振腔降噪要求其长度要与光纤陀螺敏感环等长，引入了较大的体积，导致光纤陀螺整体体积提高了一倍。
发明内容
本发明解决的技术问题在于降低光纤陀螺的相对强度噪声水平，提出了一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，本发明通过在光纤线圈的端面采用光纤反射镜。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明包括宽谱光源、光隔离器、2×2光耦合器、保偏光纤、第一光环形器、偏振旋转器、第二光环形器、第一光纤反射薄膜、光放大器、第二光纤反射薄膜(10)；宽谱光源输出端连接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端连接到2×2光耦合器一侧的一端，2×2光耦合器一侧的另一端连接第二光纤反射薄膜(10)，2×2光耦合器另一侧的一端连接保偏光纤的一端，保偏光纤的另一端连接到第一光环形器的第一端，第一光环形器的第二端经偏振旋转器后连接到第二光环形器的第一端，第二光环形器的第二端连接第一光纤反射薄膜的一端，第一光纤反射薄膜另一端作为输出端；第二光环形器的第三端经光放大器连接到第一光环形器的第三端。
装置内光路传输过程是：
S1、宽谱光源的输出光入射到光隔离器后出射到2×2光耦合器；
S2、经2×2光耦合器传输到保偏光纤中，保偏光纤输出的光经过第一光环形器输入到偏振旋转器后再经过第二光环形器传输到第一光纤反射薄膜中发生反射和透射；
S3、第一光纤反射薄膜的透射光输出，第一光纤反射薄膜的反射光逆反后经过第二光环形器输入到光放大器中，再经过第一光环形器输入到保偏光纤中，再经过2×2光耦合器分别耦合到光隔离器和第二光纤反射薄膜(10)中，其中耦合到光隔离器的光耗散掉，耦合到第二光纤反射薄膜(10)的光再发生反射和透射；
S4、第二光纤反射薄膜(10)的透射光耗散掉，第二光纤反射薄膜(10)的反射光重新耦合到2×2光耦合器中；
S5、再回到S2不断重复往复S2-S4的过程实现光源的光输出，以及光源相对强度噪声抑制。
所述的宽谱光源发出的光的电磁波模式为TE模或者TM模，每经过偏振旋转器通过偏振旋转器将模式进行转换。
所述光放大器用于实现对光频率的放大，所述光放大器为光纤放大器或半导体光放大器。
所述的光放大器替换成保偏光纤。
所述的2×2光耦合器替换为2×1光耦合器。
所述的第一光环形器替换为2×2光耦合器。
所述的第二光环形器替换为2×2光耦合器。
第二光纤反射薄膜(10)在光源线宽内的光源平坦区域采用指0.99以上反射率的膜，0.99以上反射率的谱线宽度Δυ10小于宽谱光源的光谱宽度Δυ；第一光纤反射薄膜在光源线宽内的光源平坦区域采用0.9以上反射率的膜，0.9以上反射率的谱线宽度Δv8大于宽谱光源的光谱宽度Δv。本发明上述这样设计第一光纤反射薄膜8和第二光纤反射薄膜10可以提高光源中心波长的稳定性。
本发明特定频率是工作频率，由F-P腔的长度决定。
宽谱光源1发出宽谱光，经本发明装置将宽谱光中工作频率周围的光源相对强度噪声进行抑制。
所述的第一光纤反射薄膜8另一端可连接到光纤陀螺系统，但不限于此。
并且，本发明在输出端连接光纤陀螺系统后，可大大降低了光纤陀螺中的光纤传感长度。如果利用现有结构下光纤陀螺的光纤传感环14的长度为一份，则采用本发明后光纤传感环14的长度为0.25份。
本发明可以选用有源和无源滤波两种方案，同时相比环形谐振腔降噪将谐振光纤长度减小为原来的1/4以上，且不需要两路检测做互相关运算，同时其最高相对强度噪声可以降低近40dB，充分满足了相对强度噪声抑制的需求。同时，本发明中设计在F-P腔中特定光频率的增透膜可以提高光纤陀螺平均波长的稳定性。
本发明在采用无源方案时，可以将光放大器换为保偏光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在降低了特定频率下光源相对强度噪声的同时，有效的解决了背景技术中提到的现有光学谐振腔的所需要的光纤环长度过长的问题，缩短了谐振腔所利用的光纤长度。
同时相比于透射式的谐振腔，反射式的谐振腔可以通过调整光纤反射镜端面镀膜来调整不同波长的透过率，进一步提高波长稳定性。
通过使用该光学滤波器后的光源可以减少Sagnac干涉仪在相对强度噪声降低的频率的探测噪声。
本发明还可以应用到光纤声传感器，如光纤水听器，在应用到光纤声传感器的声学探测中实现工作频率下探测噪声的降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例降低光纤陀螺的相对强度噪声水平的装置结构示意图；
其中，宽谱光源1、光隔离器2、2×2光耦合器3、保偏光纤4、第一光环形器5、偏振旋转器6、第二光环形器7、第一光纤反射薄膜8、光放大器9、第二光纤反射薄膜10；
图2是本发明实施例中一个谐振周期下的偏振变化示意图；
图3是光源功率谱与第一光纤反射薄膜8反射率和第二光纤反射薄膜10反射率随光频率变化示意图；
其中，横轴表示波长，表示光源的平均波长位置；曲线A为光源功率谱，曲线B为第二光纤反射薄膜10反射率随光频率变化，曲线C为第一光纤反射薄膜8反射率随光频率变化示意图。
图4是第一光纤反射薄膜8输出端光谱波形示意图；
其中虚线为TE模式输出波形，实线为TM模式输出波形
图5是第一光纤反射薄膜8输出端相对强度噪声功率谱波形示意图
图6是光纤陀螺系统；
其中，偏振分束器11、光耦合器12、Y型多功能集成光学器件13、光纤传感环14、光探测器15、信号处理模块16。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，装置包括宽谱光源1、光隔离器2、2×2光耦合器3、保偏光纤4、第一光环形器5、偏振旋转器6、第二光环形器7、第一光纤反射薄膜8、光放大器9、第二光纤反射薄膜10；宽谱光源1输出端连接光隔离器2的输入端，光隔离器2的输出端连接到2×2光耦合器3一侧的一端，2×2光耦合器3一侧的另一端连接第二光纤反射薄膜10，2×2光耦合器3另一侧的一端连接保偏光纤4的一端，2×2光耦合器3另一侧的另一端空置，保偏光纤4的另一端连接到第一光环形器5的第一端，第一光环形器5的第二端经偏振旋转器6后连接到第二光环形器7的第一端，第二光环形器7的第二端连接第一光纤反射薄膜8的一端，第一光纤反射薄膜8另一端作为输出端；第二光环形器7的第三端经光放大器9连接到第一光环形器5的第三端。
装置内光路传输过程是：
S1、宽谱光源1的输出光入射到光隔离器2后出射到2×2光耦合器3；
S2、经2×2光耦合器3传输到保偏光纤4中，保偏光纤4输出的光经过第一光环形器5输入到偏振旋转器6后再经过第二光环形器7传输到第一光纤反射薄膜8中发生反射和透射；
S3、第一光纤反射薄膜8的透射光输出，可输入到光纤陀螺系统中，第一光纤反射薄膜8的反射光逆反后经过第二光环形器7输入到光放大器9中，再经过第一光环形器5输入到保偏光纤4中，再经过2×2光耦合器3分别耦合到光隔离器2和第二光纤反射薄膜10中，其中耦合到光隔离器2的光耗散掉，耦合到第二光纤反射薄膜10的光再发生反射和透射；
S4、第二光纤反射薄膜10的透射光耗散掉，第二光纤反射薄膜10的反射光重新耦合到2×2光耦合器3中；
S5、再回到S2不断重复往复S2-S4的过程实现光源的光输出，以及光源相对强度噪声抑制。第一光纤反射薄膜8输出信号获得光源相对强度噪声抑制结果。
宽谱光源1发出的光的电磁波模式为TE模或者TM模，每经过偏振旋转器6通过偏振旋转器6将模式进行转换。如果入射到偏振旋转器6的是TE模，则出射偏振旋转器6的是TM模；反之，如果入射到偏振旋转器6的是TM模，则出射偏振旋转器6的是TE模。
经偏振旋转器6模式进行转换后，使得每次由保偏光纤4返回到2×2光耦合器3的光的偏振态和从宽谱光源1入射到光隔离器2的光的偏振态正交，往返两次形成谐振。这样，光纤反射薄膜10中的光会重新反射耦合到光耦合器中，返回的光与上述输入光呈正交偏振态，如此往复产生谐振。
本发明中，由2×2光耦合器3、保偏光纤4、第一光环形器5、偏振旋转器6、第二光环形器7、第一光纤反射薄膜8、光放大器9、第二光纤反射薄膜10构成了F-P腔。保偏光纤4的长度范围取决于F-P腔的Q值。本发明在光源和光纤陀螺的光路中通过F-P谐振腔对光源光谱进行调制以降低特定频率光源相对强度噪声。
本发明实施例中一个谐振周期下的偏振变化示意图如图2所示：对于某一种偏振光，其谐振腔的长度相当于4倍第一光纤反射薄膜8与第二光纤反射薄膜10之间的传输距离。具体的，对于TE偏振光，其传输偏振模式的一个谐振周期变化为(数字代表器件，括号中内容代表线偏振方向)[10(TE)→3(TE)→4(TE)→5(TE)→6(TM)→7(TM)→8(TM)→7(TM)→9(TM)→5(TM)→4(TM)→3(TM)→10(TM)→3(TM)→4(TM)→5(TM)→6(TE)→7(TE)→8(TE)→7(TE)→9(TE)→5(TE)→4(TE)→3(TE)→10(TE)]。
作为一种较优的实施例为保偏光纤的长度选择光纤陀螺长度的1/4，偏振旋转器6角度应接近90°，第二光纤反射薄膜10采用高反射膜，高反射频率被宽谱光源1的谱宽包含，透射谱中高反射率部分的反射率与低反射率部分的反射率相差尽可能大，以减小低反射率部分的频率对应的Q值，减少其在第一光纤反射薄膜8透射的强度以增加光源平均波长稳定性。光放大器9的增益大小尽量与腔中的单程损耗接近，使得谐振腔在有较高的Q值。Q值越高，该光学谐振腔滤波现象越明显。
具体实施设计的宽谱光源1功率谱与第一光纤反射薄膜8反射率和第二光纤反射薄膜10反射率随光频率变化如图3所示。宽谱光源1功率谱通常采用平坦型的SLD光源或平坦型ASE光源，其光谱宽度记为Δυ；第二光纤反射薄膜10在光源线宽内的光源平坦区域采用指0.99以上反射率的膜，0.99以上反射率的谱线宽度Δυ10略小于宽谱光源1的光谱宽度Δυ，以减少光源平均波长波动导致的光纤陀螺标度因数漂移；第一光纤反射薄膜8在光源线宽内的光源平坦区域采用0.9以上反射率的膜，0.9以上反射率的谱线宽度Δυ8大于宽谱光源1的光谱宽度Δυ。
此时，只有在谱线宽度Δυ10中的频率会在谐振腔中产生高Q值的谐振，而其余频率的光功率会通过第二光纤反射薄膜10透射损耗。在这种条件下，若宽谱光源1的平均波长波动时，光源平坦区域范围仍包含第二光纤反射薄膜10高反射率波长区域，则其输入到光纤陀螺中的光源的平均波长移动量会小于实际光源的平均波长移动量。
图4是一种参数下第一光纤反射薄膜8输出端光谱波形示意图，其中虚线为TE模式输出波形，实线为TM模式输出波形。其FSR可以通过下述公式计算：
其中，n表示保偏光纤4纤芯的折射率，L表示保偏光纤4的长度；
图5是根据图4第一光纤反射薄膜8输出端计算的相对强度噪声功率谱波形示意图，其最低的相对强度噪声功率谱的对应的频率为
其中，c表示真空中光传播速度；
与光纤陀螺的调制频率相同，因此在解调时，相对强度噪声功率谱中，只有调制频率附近的相对强度噪声功率才会被解调影响光纤陀螺的输出结果，因此其可以实现较高的相对强度噪声抑制比。
图6是光纤陀螺系统，包括偏振分束器11、光耦合器12、Y型多功能集成光学器件13、光纤传感环14、光探测器15、信号处理模块16；
如图6所示，光源相对强度噪声抑制装置的输出端连接偏振分束器11的输入端，偏振分束器11输出端连接到光耦合器12一侧的一端，光耦合器12一侧的另一端连接光探测器15，光耦合器12另一侧的一端和Y型多功能集成光学器件13的中间端连接，Y型多功能集成光学器件13的两个分支端分别和光纤传感环14的两端连接，光探测器15和Y型多功能集成光学器件13均连接信号处理模块16，由信号处理模块16分别控制光探测器15和Y型多功能集成光学器件13工作。
若将本实施例与光纤陀螺应用相结合，则选取光纤陀螺光纤传感环14的长度为4L，光纤环对应的本征频率fg为：
其中，τg表示光纤陀螺渡越时间；
将第二光纤反射薄膜10调制输出的光输入到偏振分束器11中，选取一个偏振方向。并利用Y型多功能集成光学器件13以本征频率进行调制，通过信号处理模块16进行解调得到角速度结果，由于fRIN与光纤陀螺的本征频率fg相同，因此在解调时，相对强度噪声功率谱中，只有调制频率附近的相对强度噪声功率才会被解调影响光纤陀螺的输出结果，实现相对强度噪声的抑制。
由此可见，本发明在降低了特定频率下光源相对强度噪声的同时，缩短了谐振腔所利用的光纤长度；从应用角度，通过使用该光源可以减少Sagnac干涉仪在光谱滤波后相对强度噪声降低的频率的探测噪声。
以上所述实施例只是本发明的技术构思及一种较优的方案，并不能限制此发明的保护范围。有关技术领域的普通技术人员根据本发明，利用光纤F-P腔进行光纤陀螺相对强度噪声抑制的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：包括宽谱光源(1)、光隔离器(2)、2×2光耦合器(3)、保偏光纤(4)、第一光环形器(5)、偏振旋转器(6)、第二光环形器(7)、第一光纤反射薄膜(8)、光放大器(9)和第二光纤反射薄膜(10)；宽谱光源(1)输出端连接光隔离器(2)的输入端，光隔离器(2)的输出端连接到2×2光耦合器(3)一侧的一端，2×2光耦合器(3)一侧的另一端连接第二光纤反射薄膜(10)，2×2光耦合器(3)另一侧的一端连接保偏光纤(4)的一端，保偏光纤(4)的另一端连接到第一光环形器(5)的第一端，第一光环形器(5)的第二端经偏振旋转器(6)后连接到第二光环形器(7)的第一端，第二光环形器(7)的第二端连接第一光纤反射薄膜(8)的一端，第一光纤反射薄膜(8)另一端作为输出端；第二光环形器(7)的第三端经光放大器(9)连接到第一光环形器(5)的第三端。
2.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：装置内光路传输过程是：
S1、宽谱光源(1)的输出光入射到光隔离器(2)后出射到2×2光耦合器(3)；
S2、经2×2光耦合器(3)传输到保偏光纤(4)中，保偏光纤(4)输出的光经过第一光环形器(5)输入到偏振旋转器(6)后再经过第二光环形器(7)传输到第一光纤反射薄膜(8)中发生反射和透射；
S3、第一光纤反射薄膜(8)的透射光输出，第一光纤反射薄膜(8)的反射光逆反后经过第二光环形器(7)输入到光放大器(9)中，再经过第一光环形器(5)输入到保偏光纤(4)中，再经过2×2光耦合器(3)分别耦合到光隔离器(2)和第二光纤反射薄膜(10)中，其中耦合到光隔离器(2)的光耗散掉，耦合到第二光纤反射薄膜(10)的光再发生反射和透射；
S4、第二光纤反射薄膜(10)的透射光耗散掉，第二光纤反射薄膜(10)的反射光重新耦合到2×2光耦合器(3)中；
S5、再回到S2不断重复往复S2-S4的过程实现光源的光输出，以及光源相对强度噪声抑制。
3.根据权利要求2所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的宽谱光源(1)发出的光的电磁波模式为TE模或者TM模，每经过偏振旋转器(6)通过偏振旋转器(6)将模式进行转换。
4.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的光放大器(9)替换成保偏光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的2×2光耦合器(3)替换为2×1光耦合器。
6.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的第一光环形器(5)替换为2×2光耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的第二光环形器(7)替换为2×2光耦合器。
8.根据权利要求1所述的一种基于F-P腔的光源相对强度噪声抑制装置，其特征在于：第二光纤反射薄膜(10)在光源线宽内的光源平坦区域采用指0.99以上反射率的膜，0.99以上反射率的谱线宽度Δυ10小于宽谱光源(1)的光谱宽度Δυ；第一光纤反射薄膜(8)在光源线宽内的光源平坦区域采用0.9以上反射率的膜，0.9以上反射率的谱线宽度Δυ8大于宽谱光源(1)的光谱宽度Δυ。
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