光纤环形谐振腔的频率锁定及其特性

基于可调分束比的光纤分束器,制作了光纤环形谐振腔并通过调节分束比实现了对光纤环形谐振腔的欠耦合、临界耦合和过耦合的状态控制.实验测量了腔最小反射率与腔损耗之间的关系,获得光纤环形谐振腔的腔内衰减率为κ_0=2π×(1.60±0.03) MHz ,品质因子为Q=(1.10±0.02)×10.8.在此基础上,结合了压电陶瓷拉伸光纤以控制腔长和Pound-Drever-Hall锁频两大技术优势,克服了之前温度反馈控制等方法的反馈带宽窄、噪声大和稳定性差等问题,实现了对光纤环形谐振腔共振频率的快速、灵敏的控制和锁定.结果表明,锁频过程中相位调制功率与相位调制引起腔反射光的强度调制之间的关系为线性关系,进而通过降低相位调制信号的功率以减小相位调制对腔反射光强度调制的影响.当调制功率设定最低为–9 dBm时,光纤环形谐振腔仍能被稳定锁定.该光纤环形谐振腔为其与原子、金刚石色心等发光粒子相互作用的腔量子电动力学实验研究奠定了坚实的基础.

光纤环形谐振腔Q值与谐振深度优化研究

高Q值、高谐振深度的光纤环形谐振腔影响着以其为核心敏感元件的光学检测系统精度。为了提升谐振腔Q值和谐振深度,理论分析了腔长、分光比和腔内损耗对两者的影响。分别使用5种分光比的耦合器搭配5种长度的光纤制作了谐振腔并进行测试。结果表明:Q值与腔长呈正相关,与分光比呈负相关;谐振深度和分光比与腔内损耗之间的匹配程度呈正相关。实验中得到了Q值超过1×10~8、谐振深度超过85%的谐振腔。

激光器线宽对光纤环形谐振腔谐振特性的影响

采用光波场叠加的方法计算了谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件———光纤环形谐振腔 (FRR)的传递系数 ,详细分析了激光器光谱线宽对光纤环形谐振腔谐振特性的影响 ,并进一步分析了在一定激光器光谱线宽条件下 ,由光探测器散弹噪声所限制的谐振腔光纤陀螺极限灵敏度和光纤环形谐振腔光路参数之间的关系 。

基于微光学结构的空芯光子带隙光纤环形谐振腔研究

光纤环形谐振腔是构成谐振式光纤陀螺的核心部件。提出了一种基于微光学结构的空芯光子带隙光纤环形谐振腔。建立了这种谐振腔的归一化传递函数模型,并且仿真分析了微光学结构参数与谐振腔特性和陀螺的极限灵敏度的关系。研制出基于微光学结构的空芯光子带隙光纤谐振腔的实验样品,完成了样品性能测试,在此基础上提出了下一步优化方案。研究结果为未来进一步研究基于微光学结构的谐振式空芯光子带隙光纤陀螺提供了理论和实验依据。

基于全光纤环形谐振腔的转移腔稳频技术研究

将保偏全光纤环形谐振腔作为转移腔,实现了1550 nm参考激光器到1572 nm从激光器的频率稳定度转移,并研究了温度对光纤谐振腔长期稳定性的影响。理论和实验表明,仅通过压电陶瓷调谐腔长不能很好地实现频率稳定度转移。因此,提出用压电陶瓷快反馈和温控实现环形腔的稳定度转移,可使从激光器的频率稳定度在积分时间为1 s时的阿伦方差为2×10^-12,在积分时间为1000 s时的阿伦方差为5×10^-12。

基于高Q值光纤环形谐振腔的布里渊激光器

受激布里渊散射效应具有窄带增益的特性,是实现低本底噪声激光器的一种有效方式。基于高Q值光纤环形谐振腔研究低噪声布里渊激光器。通过Pound-Drever-Hall(PDH)锁定技术将泵浦光锁定到8 m长的单模环形谐振腔中,可得到与泵浦光相差一个10.81 GHz频率的反向传播斯托克斯光。采用相关延迟自外差方法测量斯托克斯光的频率噪声。实验结果表明,基于光纤环形谐振腔的布里渊激光器的阈值为5.3 mW,在高频部分(频率大于10 kHz)处,后向斯托克斯光对泵浦光频率噪声的抑制达到30 dB,接近理论抑制极限(34 dB)。

谐振光纤陀螺信号检测的新方法设计和验证

主要对谐振式光纤陀螺单侧信号检测方法开展了研究,探讨了热致偏振噪声对于谐振曲线产生的影响,并设计了一种信号检测方法。针对该检测方法与传统检测方法的应用效果进行对比分析,研究结果显示,新方法会抑制偏振噪声对于陀螺精度的影响。根据仿真结果可知,在温度改变0.003℃的情况下,得到的归一化幅值误差显著减小,由原先的0.230 8变为0.029 8,继而验证了设计单侧检测方法的有效性,该方法有效抑制了偏振波动噪声对于检测精度的不利影响,提高了检测结果的准确性。

光纤腔动态谐振响应特性

光纤环形谐振腔的动态响应特性对其传感应用具有重要影响。为了抑制动态响应,利用多光束干涉原理对其产生原因进行了分析;通过实验测试得到了动态响应的临界振荡条件,并进一步分析了光功率对该临界条件的影响,实验结果与理论分析一致。同时,针对动态响应对谐振特性的干扰问题,测试了激光器调制参数对动态响应下振荡强度的影响,为传感系统中的误差评估提供了参考依据。

调相谱检测技术下光纤环腔的谐振特性

调相谱检测技术是谐振式光学陀螺信号检测的重要手段。根据贝塞尔函数展开与光场叠加原理,理论分析了光纤环形谐振腔的传输特性;搭建了谐振特性测试系统,采用LiNbO3相位调制,针对不同调制频率与调制电压条件下光纤环的谐振特性和解调曲线特性开展了实验,对实验结果进行分析,得到了调制频率、调制电压与光纤环形谐振腔谐振信号及解调信号之间的关系,实验结果与理论分析相符;并对调制过程中出现的谷裂现象进行了测试与分析,通过实验数据拟合,得到了产生谷裂现象的临界调制频率与调制电压值之间的关系。

谐振式光纤陀螺单边信号检测方法的研究

热致偏振耦合噪声、背向散射噪声和非线性克尔噪声等因素严重制约了谐振式光纤陀螺的发展,降低噪声的影响对提高谐振式光纤陀螺的精度具有重要的研究意义。本文设计了一种双环腔谐振式光纤陀螺结构,并通过理论分析热致偏振噪声对谐振曲线的影响,提出了一种新的信号检测方法。该检测方法可以判断出谐振曲线受偏振噪声影响小的一边,并利用单边检测方法降低偏振噪声对陀螺精度的影响,双环腔结构也可以有效抑制背向散射噪声。仿真分析表明,在温度变化0.002℃时,检测的归一化幅值误差由0.2261降低到0.0327,单边检测方法可以明显地降低偏振波动噪声带来的影响。

谐振式光纤陀螺的信噪比研究

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope,RFOG)的核心敏感部件是光纤环形谐振腔(Fiber Ring Resonator,FRR),FRR在不同的束缚方式下表现为反射式与透射式两种结构,文章建立了两种结构的分析模型,推导出最佳工作状态下FRR的输出特性表达式。对于影响RFOG的主要噪声:背向散射噪声,通过建立两种相位调制RFOG结构,推导了两种不同结构FRR构成的RFOG在相位调制下的信号与背向散射噪声输出特性。分析了两种结构下谐振曲线最大斜率处的信号与背向散射噪声的信噪比表达式,最终证明两种结构的信噪比表达式相同,且与FRR的腔长负相关。

谐振式光纤陀螺的误差及噪声分析

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope,RFOG)的性能是多种误差和噪声共同作用的结果。分析了RFOG主要误差与噪声的产生机理,建立了各误差与噪声的分析模型,结合具体陀螺参数,对误差和噪声的等效旋转速率进行了估算,对抑制误差和噪声的有关措施进行了数值量化。以RFOG零偏稳定性0.1°/h需求为例,为抑制背向散射噪声及背向反射误差,相位调制移频时顺时针和逆时针光波的载波强度残留水平之积需高于112dB;为抑制克尔效应,顺时针和逆时针方向的光强差需控制在3.86nW以内;地磁场方向不确定性引起的陀螺零偏稳定性约为0.7°/h。该工作为RFOG实验研究和工程设计提供了理论指导。

宽谱光源驱动谐振式光纤陀螺相对强度噪声原理

宽谱光源驱动谐振光纤陀螺(RFOG)利用宽带光源抑制寄生噪声。然而,宽带光源引入的过量相对强度噪声(RIN)成为陀螺精度提升的主要限制因素。因此,考虑到不同光纤环形谐振腔(FRR)参数的影响,研究宽谱光源驱动RFOG中的RIN具有重要意义。基于宽带光源驱动RFOG的传输特性,构建了宽谱光源驱动RFOG中RIN的理论模型。分析了放大自发辐射源(ASE)谱宽和谐振环的分光比对腔内RIN的影响,并通过实验验证了理论结果的准确性。这些结果为减轻宽带光源驱动RFOG系统中的RIN提供了理论参考。

谐振式光学陀螺的快速锁频技术

通过搭建谐振式光学陀螺(R-MOG)测试系统,对光纤环形谐振腔(FRR)的谐振特性及其一次谐波特性进行分析,提出一种数字比例(PI)闭环反馈控制的方法,将光源的输出频率精确锁定在环路的谐振频率点处。采用数字锁频方式应用于R-MOG中,优化锁频技术,实现谐振频率在4 000 s的锁定,稳定度优于9×10^(-12)。测试表明,该数字锁频技术提高了陀螺的灵敏度和输出稳定度,具有快速、准确及适用范围广等优点,为R-MOG提供了新的检测方法,具有较高的工程应用价值。

可实现连续激光-脉冲转换的全光纤声光耦合环形谐振腔

研究了光纤声光耦合环形腔独特的谐振特性。结果表明利用光纤声光耦合器的移频与滤波特性 ,可研制成一种全新结构的光纤声光耦合环形谐振腔。从理论和实验上证明了 :基于腔内累积声光移频分量的多光束干涉 ,光纤声光耦合环形谐振腔可将注入的连续激光将转换为脉冲列输出。

谐振型光纤陀螺的灵敏度分析

谐振型光纤陀螺(RFOG)因具有敏感光纤短和体积小等优点而备受关注。分析了激光线宽、光纤环形谐振腔(FRR)及检测技术对RFOG灵敏度的影响。依据RFOG信号检测方法,推导了受光电检测器灵敏度限制的RFOG灵敏度公式,并给出了考虑激光线宽和腔内偏振轴90°旋转的RFOG灵敏度修正公式。基于多光束干涉原理,分析了数字调相电压的误差和噪声对灵敏度的影响。仿真结果表明,为获得高灵敏度,针对不同的激光线宽应选取不同的FRR腔长,偏振轴90°旋转熔接的两边长度差应为保偏光纤半拍长的奇数倍,数字调相电压的噪声方均根值应小于0.22V。该工作为高精度RFOG的设计提供了理论指导。

无需隔离器的单向运行光纤环形激光器的研究

从理论上设计并从实验上实现了一种简单易行的环形谐振腔结构 ,它仅由两个耦合器连接成一个环形谐振腔 ,可以使得逆时针运行光的增益高于顺时针运行光的增益 ,其比值取决于两个耦合器耦合比的选取。将此作为掺铒光纤激光器的谐振腔 ,由于两个相反方向具有不同的损耗 ,因而可以实现在不需要隔离器的情况下也能保证激光的单向运行 ,从而简化了器件结构 ,消除隔离器的插入损耗 ,降低了成本。在实验的过程中使用两个 3dB耦合器 ,结果表明 ,在阈值及其以上抽运功率下 ,两个相反方向的输出功率差始终大于 17dBm 。

激光器结构与设计

TN242 2004031784 激光器线宽对光纤环形谐振腔谐振特性的影响=Influenceof spectral linewidth of laser on resonance characteristics infiber ring resonator[刊,中]/马慧莲(浙江大学信息与电子工程系.浙江,杭州(310027)),金仲和…∥中国激光.—