周柯江，魏 兵，朱敬禮，李宇波，2

(1.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江杭州310027;2.浙江大學(xué)唐仲英傳感材料及應(yīng)用中心，浙江杭州310027)

1 引言

反射式光纖電流計(jì)因安全性高、無(wú)磁滯飽和、測(cè)量范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)研究者的重視。我國(guó)發(fā)改委今年起準(zhǔn)備投資18億支持全光纖電流計(jì)的研制及產(chǎn)業(yè)化。

目前，由于實(shí)際系統(tǒng)中的光學(xué)器件不是完全理想的，系統(tǒng)存在偏振光之間的串?dāng)_，表現(xiàn)為引入了非法拉第相移的其他非互易相移，在無(wú)電流情況下，系統(tǒng)輸出不為零，即出現(xiàn)零漂現(xiàn)象。對(duì)于零漂大的電流計(jì)，無(wú)法判斷其輸出是漂移還是有較小的電流，成為產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。因此，有必要對(duì)反射式光纖電流計(jì)的零漂進(jìn)行研究。

本文針對(duì)反射式光纖電流傳感系統(tǒng)，首先分析了起偏器消光比對(duì)系統(tǒng)標(biāo)度因子的影響，接著通過(guò)分析系統(tǒng)偏振串?dāng)_得到了提高消光比可降低零漂的結(jié)論，進(jìn)而提出了一種降低反射式光纖電流計(jì)零漂的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

反射式光纖電流計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1［1－3］所示。由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)3dB耦合器，再經(jīng)過(guò)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，后經(jīng)45°熔接點(diǎn)，一束線偏振光變?yōu)閮墒嗷ゴ怪钡木€偏振光，分別沿保偏光纖的X軸及Y軸傳播，經(jīng)1/4波片后兩束線偏振光分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振光及右旋圓偏振光，當(dāng)兩束圓偏振光通過(guò)傳感光纖時(shí)，由于電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的法拉第效應(yīng)，兩束光之間產(chǎn)生法拉第相差;接著兩束圓偏振光傳輸?shù)焦饫w末端，由于反射鏡的作用，兩束光偏振態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)并按原光路返回，再次經(jīng)過(guò)傳感光纖時(shí)，兩束光由于法拉第效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差加倍，傳至1/4波片處圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閮墒Ｊ秸坏木€偏振光，最后攜帶法拉第相移的光在起偏器處發(fā)生干涉。干涉后的光進(jìn)入光電探測(cè)器，得到光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理可解調(diào)出被測(cè)電流大小。

圖1 反射式光纖電流計(jì)系統(tǒng)框圖

3 仿真與分析

3.1 系統(tǒng)建模

在起偏器不理想并假設(shè)系統(tǒng)中其他器件均為理想器件的情況下，可用以下瓊斯矩陣表示光路中各偏振器件的偏振特性［4－5］。

(1)光纖起偏器P

其中，ε表示電矢量在消光軸和透光軸方向上各自的振幅比，用T= －10logε2表示消光比。

(2)45°熔接點(diǎn)字母S

(3)相位調(diào)制器Z

式中，ψ(t－τ)表示t－τ時(shí)刻相位調(diào)制器的調(diào)制相位;ψ(t)表示t時(shí)刻相位調(diào)制的調(diào)制相位。

(4)四分之波片R

其中，θ=VNI;V表示費(fèi)爾德常數(shù);N為傳感光纖匝數(shù);I為被測(cè)電流。

(6)末端反射鏡M

輸出光矢量的表達(dá)式:

則輸出光強(qiáng):

其中，Δφ=ψ(t－τ)－ψ(t)，表示由于相位調(diào)制引入的非互易相位差。

對(duì)于開環(huán)解調(diào)方案，解調(diào)之后的相位差為:

歸一化標(biāo)度因子:

通過(guò)仿真可得歸一化標(biāo)度因子與消光比的關(guān)系如圖2所示。

圖2 歸一化標(biāo)度因子與消光比的關(guān)系

歸一化標(biāo)度因子反映了實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理想結(jié)果的比例關(guān)系。可見(jiàn)，當(dāng)消光比越大時(shí)，歸一化標(biāo)度因子越接近于1，即消光比越大，測(cè)試結(jié)果越接近理想值。

3.2 系統(tǒng)偏振串?dāng)_分析

上述分析未考慮系統(tǒng)中的偏振耦合點(diǎn)，實(shí)際的反射式全光纖電流計(jì)系統(tǒng)存在偏振串?dāng)_問(wèn)題，我們考慮如圖3所示的系統(tǒng)。在距離45°熔點(diǎn)l1長(zhǎng)度之后有一偏振耦合點(diǎn)Q，耦合點(diǎn)之后的所有器件看作偏振器件N，耦合點(diǎn)Q之后部分，長(zhǎng)度記為l2。

圖3 系統(tǒng)偏振耦合模型圖

由于起偏器消光比不理想，輸入光波經(jīng)過(guò)起偏器后變?yōu)檠赝腹廨S方向的光波A1和沿消光軸方向的A2，經(jīng)過(guò)45°熔點(diǎn)后這兩束光波分別分解為偏振方向垂直的光波A11，A12和A21，A22，這四束光波繼續(xù)傳播，經(jīng)過(guò)偏振耦合點(diǎn)Q及偏振器件N。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，我們只考慮光波第一次經(jīng)過(guò)耦合點(diǎn)Q時(shí)發(fā)生偏振耦合的情況，而不考慮返回過(guò)程的偏振耦合。這樣當(dāng)光波再次返回45°熔點(diǎn)時(shí)可分為三類，分別是未發(fā)生任何耦合但偏振態(tài)翻轉(zhuǎn)的主光波對(duì)A11，A12和A21，A22，由光波A11，A12分別耦合到正交偏振軸后的耦合光波對(duì)A112，A121，由光波A21，A22分別耦合到正交偏振軸后的耦合光波對(duì)A212，A221，這4對(duì)光波經(jīng)過(guò)45°熔點(diǎn)后分解為16束光波如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)偏振態(tài)演變圖

所有光波到達(dá)起偏器處干涉情況如下

(1)由主光波對(duì) A11，A12及 A21，A22分解得到的光波對(duì) A1k1，A2k1及 A1k2，A2k2(k=1，2)，產(chǎn)生主干涉信號(hào)，干涉相位差僅為傳感頭部分引入的非互易相位差。

(2)耦合光波對(duì)A112，A121因經(jīng)歷了一次偏振耦合，經(jīng)整個(gè)傳輸過(guò)程后其光程不相同，這兩束光的相移分別為

式中，βx為保偏光纖X偏振軸傳播常數(shù)，βy為保偏光纖Y偏振軸傳播常數(shù)。兩束光波之間的非互易相位差表示為:

由公式(6)知，耦合點(diǎn)距離45°熔點(diǎn)越近，產(chǎn)生的非互易相差就越小。光波A112，A121經(jīng)過(guò)45°熔點(diǎn)后分解為 A1i1，A1i2(i=12，21)，光波 A1i1與 A1k1偏振方向相同，A1i2與A1k2偏振方向相同，它們之間發(fā)生干涉，總的相位誤差正比于ε［6］。同理，耦合光波A212，A221經(jīng)過(guò)45°熔點(diǎn)，分解后的光波的干涉及它們與對(duì)應(yīng)主波干涉所引入的相位誤差也正比于ε。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

由以上分析可知，當(dāng)反射式光纖電流計(jì)系統(tǒng)的起偏器消光T越大時(shí)，系統(tǒng)歸一化影響因子越趨于1，且引入的相位誤差越小，即系統(tǒng)的零漂降低，穩(wěn)定性提高。目前，光纖起偏器的消光比在25 dB左右，難以滿足高精度光纖電流計(jì)的要求。鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件具有低損耗、低電壓、單偏振、寬工作溫度范圍、高穩(wěn)定性性等優(yōu)點(diǎn)［7］，尤其是其偏振消光比可達(dá)到60 dB以上，被廣泛應(yīng)用在光纖陀螺系統(tǒng)中。該器件制作工藝成熟，為此，將其應(yīng)用于光纖電流計(jì)系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)性能。

為了驗(yàn)證提高消光比可以降低零漂，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，搭建了兩套系統(tǒng)，分別如圖1和圖5所示。圖5系統(tǒng)將Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件倒向使用，三個(gè)端口分別與SLD，PINFET及相位調(diào)制器熔接，其余部分與原系統(tǒng)(圖1)一致。

圖5 倒向使用Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用光源為1310 nm SLD，PINFET型號(hào)為MFT915，鎖相放大器為SR830，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡分別采集兩套系統(tǒng)的零漂數(shù)據(jù)，每系統(tǒng)測(cè)試3 h，圖6是實(shí)驗(yàn)得到的長(zhǎng)期零漂測(cè)試結(jié)果，通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，系統(tǒng)零漂從11.1 A降到1.58 A，利用Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)明顯降低了零漂，提高了反射式光纖電流計(jì)輸出穩(wěn)定性。這與理論分析是一致的。

圖6 長(zhǎng)期零漂測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)反射式光纖電流計(jì)的零漂問(wèn)題，首先推導(dǎo)了反射式光纖電流計(jì)系統(tǒng)起偏器消光比與歸一化標(biāo)度因子的關(guān)系式，接著分析了消光比對(duì)偏振串?dāng)_的影響，在此基礎(chǔ)上得出了提高消光比可減低零漂，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)論。最后搭建了兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，倒向使用Y波導(dǎo)后，系統(tǒng)零漂從11.1 A降低到1.58 A，該結(jié)果有力驗(yàn)證了理論的正確性。

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