李 彥 章 敏 李立京 楊德偉

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

單模光纖耦合器的傳輸光譜溫度特性

李 彥 章 敏 李立京 楊德偉

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

在溫變條件下，對光纖光源發(fā)出光波經(jīng)單模光纖耦合器傳輸后的輸出光譜進(jìn)行了測試.借助測試結(jié)果，仿真計(jì)算了耦合器的透射光波和耦合光波分別進(jìn)入Sagnac干涉儀后干涉儀輸出信號的誤差隨溫度的變化情況.結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，耦合器透射光波和耦合光波的平均波長和功率都會發(fā)生變化，且透射光波的平均波長和功率的溫度穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耦合光波的穩(wěn)定性;當(dāng)透射光波作為干涉儀輸入光波時(shí)，由溫變引起的干涉儀輸出誤差比耦合光波作為輸入光波時(shí)的誤差小一個(gè)數(shù)量級.

光纖耦合器;光譜;穩(wěn)定性;光纖陀螺

光纖耦合器是各種干涉型傳感器和相干通信的關(guān)鍵器件，是構(gòu)成高精度光纖陀螺的基礎(chǔ)元件之一.在光纖陀螺中，耦合器主要起到傳輸光的作用，其優(yōu)劣直接影響陀螺的性能.

鑒于光纖耦合器在光纖傳感和光纖通信領(lǐng)域中的重要作用，國內(nèi)外人士對耦合器展開了各方面的研究.文獻(xiàn)［1－5］分別對單模光纖耦合器的耦合系數(shù)和損耗進(jìn)行了理論分析.文獻(xiàn)［6－9］分別對耦合器的分光比、損耗和偏振特性進(jìn)行了測試.文獻(xiàn)［10］從制作工藝的角度分析了拉錐和扭轉(zhuǎn)對單模耦合器性能的影響.

以上主要對耦合器的工作原理、制作工藝及影響耦合器參數(shù)的因素進(jìn)行分析，而對于耦合器傳輸光譜溫度特性的研究迄今為止尚未見報(bào)道.

1 理論分析

1.1 光纖耦合器的耦合機(jī)理

本論文的研究對象是錐體頸部區(qū)域縱向?yàn)槠叫芯€形，橫向?yàn)榫匦蔚娜廴诶F型單模光纖耦合器，如圖1所示.

圖1 縱向?yàn)槠叫芯€、橫切面為矩形的熔錐型耦合器

當(dāng)組成耦合器的兩根光纖相同，且P0=1時(shí)，根據(jù)無損耗光波導(dǎo)系統(tǒng)中能量守恒原理，耦合器的輸出功率為［11］

因此耦合器的分光比為

式中，C為耦合系數(shù)，其表達(dá)式為

式中，λ為輸入光波的波長;V為光纖的歸一化頻率，其表達(dá)式為

式中，k0=2π/λ.

從分光比的理論表達(dá)式可以看出，RC是由n2，n3，L，a，λ 等決定的，而這些參數(shù)又受外部環(huán)境因素(如溫度、應(yīng)力等)的影響.當(dāng)溫度變化時(shí)，一方面由于熱膨脹導(dǎo)致L伸縮，另一方面熱光效應(yīng)將會引起n2和n3變化.由式(3)得，兩種效應(yīng)必將引起RC的變化.文獻(xiàn)［11］指出，不僅熔錐型光纖耦合器的分光比隨溫度發(fā)生變化，而且附加損耗也是溫度的函數(shù)，外界溫度的變化直接引起兩者變化.另外，耦合器是兩根光纖通過熔融拉錐的方式制成，當(dāng)溫度變化時(shí)，兩根光纖之間的耦合將會發(fā)生變化，致使光波在直通臂和耦合臂中傳輸時(shí)透射光波和耦合光波傳輸光譜隨之變化.

1.2 陀螺誤差與耦合器輸出光波的關(guān)系

在光纖陀螺中，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器輸入給Y波導(dǎo)，然后進(jìn)入Sagnac干涉儀，如圖2所示.

圖2 光纖陀螺的光路結(jié)構(gòu)示意圖

采用方波偏置方案的干涉式閉環(huán)光纖陀螺探測器的輸出為［12］

2 實(shí)驗(yàn)與仿真

將耦合器放入溫箱中，4根尾纖分別從溫箱中伸出.為了消除輸入光偏振態(tài)的影響，耦合器的輸入尾纖與Lyot消偏器熔接，耦合器透射光波與耦合光波的光譜分別由86142B型光譜儀測試，光譜儀與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動采集，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.實(shí)驗(yàn)中采用的光源是平均波長在1545 nm附近的光纖光源.

圖3 單模耦合器的傳輸光譜溫度特性實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的是大多數(shù)光纖陀螺的工作溫度范圍，即T為－40℃ ～+60℃，升降溫速率為2℃/min，在－40℃和+60℃各保溫1h，最后在20℃保溫20min.由式(6)可得，在其它參數(shù)不變的情況下，影響光纖陀螺的檢測靈敏度和測量精度、并導(dǎo)致光纖陀螺產(chǎn)生非互易相移漂移的因素是P和.因此實(shí)驗(yàn)中主要對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 耦合器傳輸光譜的溫度特性曲線

為了衡量在－40℃ ～+60℃范圍內(nèi)光譜特征參數(shù)的最大變化，對測試結(jié)果進(jìn)行處理，用如下公式分別表示平均波長和功率的最大變化:

從透射光波和耦合光波平均波長的穩(wěn)定性考慮，用式(7)進(jìn)行計(jì)算可得，在－40℃ ～+60℃溫度范圍內(nèi)，透射光波和耦合光波的平均波長都隨溫度的變化而變化，其中透射光波平均波長的最大變化為25×10－6，耦合光波平均波長的最大變化為192×10－6，約是透射光波平均波長變化的8倍，透射光波的平均波長要比耦合光波的平均波長穩(wěn)定.

從透射光波和耦合光波輸出功率的穩(wěn)定性考慮，用式(8)進(jìn)行計(jì)算可得，在－40℃ ～+60℃溫度范圍內(nèi)，透射光波和耦合光波的功率都隨溫度的變化而發(fā)生改變，其中透射光波平均波長的最大變化為1.3%，耦合光波功率的最大變化為18.1%，約是透射光波功率變化的14倍，透射光波的功率要比耦合光波的功率穩(wěn)定.

對于長度和直徑分別為1 500m和10 cm的光纖環(huán)，將耦合器輸出光波的和P的測試結(jié)果代入式(6)，得干涉儀輸出信號誤差隨T的變化曲線，如圖5所示.

圖5 探測器輸出誤差與溫度關(guān)系曲線

由圖5可得，當(dāng)T發(fā)生變化時(shí)，不論輸入光波是透射光波還是耦合光波，探測器輸出信號的誤差都隨溫度的變化而變化，其中耦合光波作為輸入光波時(shí)，誤差隨溫度變化較大，且在升降溫過程和高溫保溫段變化尤為劇烈.通過計(jì)算得透射光波和耦合光波隨溫度波動帶來的探測器誤差最大變化 分 別 是 3.90 × 10－5(°)/h 和 3.55 ×10－4(°)/h.透射光波作為干涉儀輸入光波時(shí)，由溫度變化引起的輸出誤差比耦合光波作為輸入光波時(shí)的誤差小一個(gè)數(shù)量級.

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算得出，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，①經(jīng)單模光纖耦合器傳輸?shù)墓獠ǎ渫干涔獠ǖ墓庾V要比耦合光波的光譜穩(wěn)定;②不論是透射光波還是耦合光波，在升降溫過程和高溫段光譜的變化尤為劇烈;③當(dāng)耦合器的輸出光波作為干涉儀的輸入光波時(shí)，光纖陀螺中探測器輸出信號的誤差隨溫度發(fā)生變化，其中耦合波作為輸入光波時(shí)，誤差隨溫度變化較大，且在升降溫過程和高溫段變化尤為劇烈.

為了降低或消除溫度對單模耦合器傳輸光譜穩(wěn)定性的影響，可以采取兩個(gè)措施:①采用參數(shù)受溫度影響小的單模光纖制作耦合器;②優(yōu)化和完善單模耦合器的制作工藝.另外，為了提高光纖陀螺的檢測靈敏度和測量精度，以及減小光纖環(huán)的非互易相移產(chǎn)生的漂移，在制作陀螺時(shí)應(yīng)選擇耦合器的直通臂跟Y波導(dǎo)的輸入尾纖連接.

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(編 輯:劉登敏)

Transmitting spectra-temperature characteristic of single-mode fiber coupler

Li Yan Zhang Min Li Lijing Yang Dewei

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

The output spectra of fiber sources which transmitted through a single-mode fiber coupler were measured by changing temperature.When the input wave of Sagnac interferometer from the fiber coupler were transmitting wave and coupling wave respectively，the temperature characteristics of signal-errors outputted from Sagnac interferometer were simulated.The above experimental results demonstrate that the output power and mean-wavelength of the spectra traveling through the arm of directly-transmission and that of the coupling of coupler will both change when the temperature changes.And the temperature-stability of output power and mean-wavelength of the directly-transmission arm is higher than that of the coupling arm.The simulated results demonstrate that the interferometer's errors caused by the light wave outputting from the directly-transmission arm of SM fiber coupler are one order smaller than that of the coupling arm.

fiber coupler;spectrum;stability;fiber-optic gyroscope

O 434.19

A

1001-5965(2012)06-0819-04

2011-04-02;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2012-06-15 15:44

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120615.1544.027.htm l

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60207002)

李 彥(1975 －)，女，河北靈壽人，講師，lettlrom@aspe.buaa.edu.cn.