一种单偏振低噪声谐振式空芯光子晶体光纤陀螺

针对小型化惯性测量单元的需求,提出了一种将空芯光子晶体光纤环与退火质子交换铌酸锂波导耦合器对准耦合的谐振腔设计方案,凭借退火质子交换铌酸锂波导的强起偏能力和空芯光子晶体光纤的优良特性,该谐振腔具有单偏振、低噪声、小体积等优势。针对传统铌酸锂波导与光纤对准耦合损耗较大的问题,提出使用离子注入和键合技术在波导上表面覆盖一层铌酸锂材料,从而改善波导的模场分布,减小耦合损耗。利用时域有限差分数值分析方法建立波导和光纤的模型,对耦合效率进行了仿真分析,探讨了波导结构、工艺参数的影响,经过优化设计,可以将空芯光子晶体光纤与铌酸锂波导的耦合损耗减小至0.39 dB。为谐振式空芯光子晶体光纤陀螺的发展提供了一种思路。

一种差动型谐振式空芯光子晶体光纤陀螺方案的设计与实现

结合当前激光光源与光纤元器件发展现状,提出一种差动型谐振式光纤陀螺方案。该方案采用三束窄线宽激光注入空芯光子晶体光纤构成的谐振腔,基于三频差动的信号检测原理进行陀螺信号的检测,以降低光纤环的环境敏感性和背向散射噪声,遏制双路陀螺共模噪声,增大陀螺敏感转速信号,提高系统检测灵敏度。通过对差动型谐振式空芯光子晶体光纤陀螺工作原理与精度分析,确定陀螺中谐振腔、光源以及检测控制系统的设计要求,结合关键技术研究,实现硅基自由光学耦合谐振腔首轮样机。差动谐振式光纤陀螺样机尺寸为Ф48 mm×25 mm,基于光纤准直器的谐振腔实现精细度32,样机常温静态下零偏稳定性达到1°/h。该方案的提出及实现,为谐振式光纤陀螺奠定了高精度和小型化的基础,具有极大的工程化应用潜力。

光子晶体光纤陀螺技术及其首次空间试验

光子晶体光纤具有抗辐射、抗弯曲、抗磁场干扰和温度敏感性低等优势,是空间用光纤陀螺的理想选择。针对空间用光纤陀螺,提出了四层孔和双层孔陀螺用光子晶体光纤结构,突破了光子晶体光纤长距离拉制关键技术,批量制备了陀螺用长距离低损耗实芯光子晶体光纤与空芯光子晶体光纤,利用开发的光子晶体光纤周向散射、背向散射、温度、磁等性能测试设备,全面测试与验证了光子晶体光纤性能优势。实现了光子晶体光纤耦合器、敏感环等光学器件,研制的高精度光子晶体光纤陀螺样机于2017年4月随“天舟一号”货运飞船发射成功,实现了光子晶体光纤陀螺的首次空间应用,于2020年12月用于某卫星主控,这是国际首次此类型陀螺用于卫星主闭环控制,验证了其可行性和优势,为将来广泛应用奠定了基础。

基于空芯光子晶体光纤的光学陀螺仪研究进展

相比较普通光纤,使用空芯光子晶体光纤(hollow core photonic crystal fiber,HC-PCF)能解决光纤陀螺仪(FiberOptic Gyroscope,FOG)在热真空和辐照环境下温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题,在提高陀螺仪精度方面具备较大优势。论文介绍了HC-PCF的基本结构及FOG工作的基本原理,比较了HC-PCF和普通光纤对光学陀螺仪的性能影响。描述了HC-PCF-FOG的发展过程并对未来发展进行了展望,为该新型光学陀螺技术的进一步研究提供指导。

光子晶体光纤陀螺技术

介绍了光纤陀螺在实际应用过程中的环境适应性问题,并从光子晶体光纤的结构特点出发,总结了光子晶体光纤的独特应用优势,指出将光子晶体光纤应用于光纤陀螺中可很好地解决温度、磁和辐射敏感等问题。通过实验研究,验证了实心保偏光子晶体光纤的损耗、模式特性,以及温度、磁场和核辐射对此种光纤的影响。同时,研究开发了它与传统保偏光纤的熔接对轴技术,熔接点损耗和偏振串音达到0.7dB和-25dB。在此基础上,研制出光子晶体光纤陀螺样机,陀螺零漂达到0.09(°)/h。研究和对比表明:在光纤陀螺中用光子晶体光纤代替传统的光纤,在减小温度、辐射、磁场的影响和进一步提高光纤陀螺性能方面具备很大的潜力。

光子晶体光纤陀螺光纤环偏振特性

光子晶体光纤陀螺技术是解决光纤陀螺空间辐照及热漂移问题的重要技术途径,其中光子晶体光纤环是影响光纤陀螺性能的关键。仿真分析了光子晶体光纤的双折射与结构设计的关系,并计算了光纤的双折射和光纤环绕制过程引入的附加双折射的温度灵敏度,利用白光干涉仪,对光子晶体光纤环和普通的保偏光纤环进行了对比测试分析。试验结果表明,光子晶体光纤环具有较低的偏振特性温度灵敏度,双折射温度系数比普通保偏光纤低接近1个量级,引起的陀螺偏振误差也比普通保偏光纤环小1倍左右。试验结果验证了理论分析的正确性。

光子晶体光纤陀螺标度因数特性研究

光子晶体光纤陀螺原理上具有磁敏感性低、温度稳定性好及抗辐照等特点,是光纤陀螺一个新的重要发展方向。很多学者研究了其零偏特性,但未见对其标度因数的研究报道。研究了光子晶体光纤陀螺标度因数的误差构成,并试验测量了光子晶体光纤环引入的误差。研究结果表明,光子晶体光纤陀螺标度因数具有更稳定的温度和辐照特性,在-40^+70℃的温度范围内,标度因数重复性为242.3×10-6(未补偿时),约为普通光纤陀螺的1/2。在经历总剂量为50 krad(Si)的辐照后,光纤陀螺标度因数变化109×10-6,重复性和非线性没有明显变化,比普通光纤陀螺稳定1倍以上。

一种高精度光纤陀螺用光子晶体光纤设计

为了解决光子晶体光纤陀螺中高阶模致非互易性问题,设计了一种用于高精度光纤陀螺的单模保偏光子晶体光纤。为获得光纤结构参数最优区域,基于全矢量有限元方法开展了光子晶体光纤模场分布、双折射特性和限制损耗与三个重要结构参数(归一化频率、空气填充比、大孔直径)的依赖关系数值仿真分析。以传统熊猫型保偏光纤特性为参照,确定了光子晶体光纤结构参数最优区域。采用优化的光子晶体光纤绕制了1500m环圈并装配于陀螺,对陀螺进行了相应测试。未采用温度补偿措施下,陀螺全温零偏稳定性优于 0.008 (°)/h (100 s, 1σ),表明这种光子晶体光纤适用于高精度光纤陀螺。

空芯光子晶体光纤损耗的研究

为了研究反共振纤芯壁对空芯光子晶体光纤限制损耗和散射损耗的影响,利用全矢量有限元法对所设计的具有不同纤芯壁和纤芯半径的空芯光子晶体光纤进行仿真,得到了3种纤芯壁在不同纤芯半径时的有效折射率、限制损耗和芯内功率分数随波长变化的曲线。由数值模拟结果可知,纤芯壁采用T=3的环形反共振层和椭圆反共振层设计时,限制损耗降低了约两个数量级,芯内功率分数在通信波段提高了13%。结果表明,这两种设计可以有效降低空芯光子晶体光纤的限制损耗和散射损耗。

光子晶体光纤陀螺的谐振腔设计

提出了一种新颖的基于光子晶体光纤和空间光学元件的光学谐振腔结构,利用MATLAB软件进行了谐振腔谐振特性的计算与分析,并在此基础上完成了谐振腔设计.设计的分析结果表明,当谐振腔输入镜M1和输出镜M2的反射率等于0.99时,谐振清晰度可以达到43.5,谐振腔谐振深度可以达到0.9987,陀螺极限灵敏度可以达到0.5°/h.

空芯光子晶体光纤磁敏感性研究

空芯光子晶体光纤是一种新型的陀螺用光纤,较传统光纤具有良好的抗磁性,光纤的磁敏感性是由光纤的Verdet常数来表征的。为研究空芯光子晶体光纤的磁敏感性,利用Comsol软件对HC-1550-2空芯光子晶体光纤的Verdet常数进行仿真计算,选用含有法拉第旋转反射镜(FRM)的反射式双光路测量方案对空芯光子晶体光纤的Verdet常数进行实验测量。双光路测量系统中的FRM可以消除被测光纤中线性双折射对测量的影响。仿真与测量结果相吻合,且由结果可知空芯光子晶体光纤的Verdet常数约为传统光纤的1/100倍,验证了空芯光子晶体光纤在陀螺降低磁敏感性方面的优势。

一种基于空芯光子晶体光纤的气体检测装置研究

光谱分析技术在大气污染检测领域具有广泛的应用前景。文章从吸收光谱的测量原理出发,提出一种基于空芯光子晶体光纤的气体检测装置实验方案,通过对不同浓度的甲醇和三氯乙烯样品进行测量,并根据3标准对测量结果进行分析,发现系统对甲醇和三氯乙烯的检测灵敏度可以达到ppmv量级。

Kagome结构空芯光子晶体光纤纤芯参数对传输特性的影响

应用全矢量有限元方法,研究大间距Kagome结构空芯光子晶体光纤中纤芯的大小、形状与壁厚对光纤传输损耗谱的影响。结果表明,某些纤芯尺寸会造成包层中的结构缺陷,易使纤芯基模、表面模及包层模之间发生能量耦合,产生较大损耗。而纤芯形状与壁厚的改变会引起表面模式的变化,从而影响发生在基模与表面模之间反向耦合的位置和强度,使光纤传输频带变窄和损耗变大。据此,提出Kagome结构光纤的纤芯设计思路,即纤芯的大小应使包层保持完整的微结构,纤芯形状应与包层中的单元微结构相楔合,纤芯壁厚应与包层中玻璃支柱的宽度相同。

空芯带隙型光子晶体光纤残余双折射特性研究

建立了空芯带隙型光子晶体光纤残余双折射理论分析模型,采用全矢量有限元法研究了光纤残余双折射产生的原因,最后搭建实验平台对空芯带隙型光子晶体光纤的残余双折射进行测试,并对光纤双折射的波长依赖性和温度稳定性进行了探究。仿真与实验结果表明,纤芯残余形变是导致残余双折射的重要因素,残余双折射随纤芯椭圆率的增大而增大,同时残余双折射的波长依赖性显著,温度依赖系数为0.3×10^(-9)/℃。

空芯光子晶体光纤中光子带隙的测量

利用全矢量法对空芯光子晶体光纤的光子带隙的存在进行了数值模拟,并通过实验进行了证实。采用透射谱的方法对带隙型光子晶体光纤分别在可见光以及近红外波段进行了测量,光从光纤的一端注入,探测器从另一端接收,实验结果发现可见光附近没有明显的透射带,而在波长为2591nm处出现了一个很强的透射带,证明了光子带隙的存在,与理论模拟相一致,实验的重复性好。

空芯光子晶体光纤的塌缩及选择性液体填充

研究了一种空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的微孔塌缩特性,所用设备为传统光纤熔接机,对塌缩后的光纤实现了液体的选择性填充。并通过有限元法仿真分析了该空芯光纤在液体填充前后的基本参数:有效折射率、模场有效面积、数值孔径。通过仿真对比发现空芯光纤在中心孔选择性液体填充后非线性效应增大;通过实验得出了最佳光纤塌缩参数为光纤端面距离放电中心距离为50μm,放电时间800ms,放电强度为15.5mA。

基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感器

以光子晶体光纤(PCF)为研究对象,以提高气体测量灵敏度为研究目标,提出一种反射式的光纤气体传感技术.首先,利用宽谱光源谐波检测技术,并结合实际应用需求,设计了基于空芯PCF的反射式气体传感系统,并详细分析了系统的工作原理.然后,针对空芯PCF与单模光纤耦合困难、气体填充时间长的问题,设计了集密封、固定及连接于一体的机械耦合装置作为测量气室.最后,以乙炔气体为例,测试了该系统的传感特性,体积分数分辨力可达0.02%,最大相对误差为1.39%.该技术将进一步推动PCF在气体传感中的应用,并为其在实际气体浓度测量中的应用提供了理论和实验基础.

空芯光子晶体光纤研究新进展

空芯光子晶体光纤(HC—PCF)是新近发展起来的新一代特种光纤,具有奇特的基于光子带隙效应的导波机制与传输特性,在光波传输与控制、光信息操作与处理以及新型光子器件等领域都具有重要应用．综合评述了有关HC—PCF研究的最新进展,包括HC—PCF的模式传输、损耗机制、色散和非线性等基本特性,以及HC-PCF在高能光波光纤传输、超短光脉冲的色散与非线性传输控制、光与物质非线性相互作用、新型光信息传输功能器件等方面的应用。

空芯光子晶体带隙光纤用于甲烷检测的研究

基于甲烷的光谱吸收理论,设计了一套利用空芯光子晶体带隙光纤(HC-PBGF)做传感气室的全光纤甲烷检测系统。根据HITRAN2012数据库和HAWKS软件确定甲烷的检测波长;利用气泵在HC-PBGF两端形成压力差来加快甲烷气体的扩散,利用反射镜延长光程至2倍;通过实验得到190 s后气体扩散完成,0.5 h内系统示值波动为0.012%,平均重复率为99.63%。最后配制0~2.5%浓度的甲烷气体进行浓度检测,得出甲烷浓度与相对吸收强度呈线性关系,线性度为99.92%。该系统成功实现了将HC-PBGF的空芯结构用于甲烷的吸收检测,加快了系统的响应速度,实现了仪器的小型化,使在线检测更加方便。

光子晶体光纤及其在光纤陀螺中的应用

光子晶体光纤是一种包层由空气孔-石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。光子晶体光纤特殊的结构分布和特性,使其在降低光学噪声、陀螺尺寸、温度敏感性,提高陀螺精度和抗核辐射等方面,具有传统光纤光纤陀螺不可比拟的优越性。本文综述了光子晶体光纤的概念、在光纤陀螺方面的独特优势,以及其在光纤陀螺应用方面的研究进展和前景。