光纤陀螺中的光电子与光纤器件

光纤陀螺中的光电子与光纤器件
 
 
  1 偏振保持光纤/细经光纤/匹配型保偏光纤

    光纤陀螺敏感线圈中的光纤长度需要几百米至一公里，用通常的单模光纤制造光纤环圈是不合适的。众所周知两束具有相同的波长，相同的偏振态，相同的光强度，并且处于相干长度内的光会产生最佳相干度的稳定的光干涉。但是当光传输经过单模光纤时，由于单模光纤的非均匀性，输入的线偏振光将分解为分量的方式传播，并且材料的非均匀性和受环境影响，使分量的大小和传播速度沿着转播空间不规则变化，这种所谓的相位滞后使偏振态椭园化，具有了空间和时间的不确定性。具有不确定性偏振态的两束光在经过捡偏器后的相干光强度将会随时间涨落。在干涉型光纤陀螺中，对角速率的度量是通过对相干光强的测量而实现的。因此用单模光纤制造的陀螺是不稳定的。偏振保持光纤是通过在光纤中增加应力区，使光纤内具有确定的应力分布的单模光纤。这种应力分布应远大于外界影响，这样，当平面偏振光的振动方向与保偏光纤的光轴一致时，光将沿着这个方向一直传播下去，保持了偏振相干的稳定性。对于高精度光纤陀螺，必须用高质量的保偏光纤制造敏感环圈。光纤陀螺对角速率的灵敏度与光纤环圈中的光纤长度成比例，为了使光纤陀螺小型化，光纤陀螺必然会使用 0.08mm 左右的细经保偏光纤。细经保偏光纤是保偏光纤发展的方向。在保偏的光学系统中，光纤耦合器也必须是保偏的。为了制造保偏耦合器，还需要有匹配型保偏光纤和专用的制造设备。

2 超辐射二极管/高灵敏度宽带/PIN-FET

    当光在几百米长的光纤中传输时，瑞利散射对陀螺的影响是必须考虑的。背向的瑞利散射与该方向上的传输光产生的相干光强度会干扰陀螺的正常输出，形成瑞利噪声。在光纤陀螺中瑞利散射与传输光之间的相位差不是定值，而是随光纤不同的位置而变化，但绝大部分的相位差或者说光程差都大于 SAGNAC 相移，显然，只要使用短相干长度的光源就可以去除大部分的瑞利噪声，提高陀螺性能。为了达到以上目的，同时考虑到光功率的需要，在光纤陀螺中使用了宽带光源超辐射二极管（ SLD ） , 这种半导体二极管介于 LD 和 LED 之间，譜宽在 30nm 以上，发光效率应不低于 150mW / 100 μ A （出纤）。超辐射二极管在光纤陀螺中占有很重要的地位，除了上面提到的要求外，还有工程上的一些特殊要求。但是目前就超辐射二极管进行针对性的结构和工艺研究甚少，器件研发和陀螺应用之间还未形成良性循环，这种状态是急待改善的。有源器件中还有一项重要器件是高灵敏度宽带 PIN-FET 。高灵敏度与宽带是矛盾的，造成了这种器件研发的难度。

3 特种耦合器

    在光纤陀螺中使用的耦合器是特种耦合器。主要有三类：保偏耦合器、 1 × 3 （ 1 × 4 ）耦合器、特殊波长耦合器。 保偏耦合器的基本原理与标准耦合器相似，但是制造保偏光纤耦合器的设备是专用的，还要配合一系列专用技术，其中包括光纤平行熔融拉锥、光轴调节与测定、熔融拉锥工艺过程中的保持光轴稳定、器件封装等。此外对于保偏光纤也有特殊要求，专用的光纤必须具是折射率匹配型保偏光纤。1 × 3 （ 1 × 4 ）耦合器也要符合保偏器件的要求。光纤陀螺中的特殊波长耦合器用于自发辐射型的掺饵光纤光源，和 EDFA 中的耦合器相同。 为了降低克尔效应的影响，用于高精度光纤陀螺中的耦合器对分束比有较高的要求。

4 多功能集成光器件

    光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位调制和光分路。替代用于全光纤陀螺中的偏振器、相位调制器和耦合器。制造集成光学器件的衬底材料可以有多种选择，如 Ⅲ- Ⅴ属半导体、在硅材料上制备的二氧化硅、玻璃等。但对于光纤陀螺来说，最好的选择还是铌酸锂材料（ lithium niobate --- LiNb03），这是因为这种材料具有很好的电光性能，当通过电极对波导施加电场时，波导的折射率将发生相应的变化，并使光波产生相移，这种相位调制性能对于干涉型光纤陀螺来说是十分必要的。调制器上的电极是通过第二次蚀刻工艺将金属制作在波导两侧。在衬底上紧挨着的电极电容大约为 10pF, 对 50 负载阻抗的调制带宽为 300MHz, 对于光纤陀螺来说 , 这样的带宽已经够用了。在这样带宽范围内 , 调制器的响应是平坦的 , 使集成光学相位调制器在光纤陀螺中成为一种理想的器件。LiNb0 集成光学波导通常是用鈦（ Ti ）扩散技术制造的。为了获得最佳效率 , 必需将晶体加工成 X- 切向 (X 轴与衬底面垂直 ) 、 Y- 向传播的波导 ( 即波导与 Y 轴平行 ) 。于是，与 Z 轴平行的 ，即 TE 模能受平行于波导的金属电极有效调制。在集成光器件中将波导设计成 Y 型，并在单 Y 型波导的分路上分别做上电极，使得 Y 型波导既是相位调制器又相当于全光纤陀螺中的光纤分路器。钛扩散波导的缺点是，在钛扩散加温时会发生衬底表面 外扩散的问题从而产生一个非常偏振光的寄生平面波导（即 X －切的 TE 模） , 这种寄生的平面波导会在正常扩散的波导间产生光的泄漏或波导间的串音。质子交换是解决钛扩散波导缺点的有效方法。质子交换是在较低的温度下（约 200 － 300 ℃ ）进行的，这样就避免了高温下外扩散的问题，但是低温交换会使器件的长期稳定性差。使用退火技术能使寿命明显提高，现在的质子交换对光纤陀螺来说已成为一种很好的选择，因为，通过质子交换技术可获得波导的高偏振度，而高偏振度是高精度陀螺的必要条件。

5 EDFA

    在光通信领域中 EDFA 用于特定波长下的光信号放大，这种放大器被称之为掺饵光纤放大器。用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源的出纤光功率大，使得增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。还有一个突出优点是光纤光源的波长稳定，改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。EDFA 用于光纤陀螺需要做许多改进，包括适用于陀螺仪使用的，与小型化相关的一系列工艺和技术的改进。用掺饵光纤光源的光纤陀螺在国外已经实用化，这种高精度陀螺已被用于舰船的导航系统。

6 光纤消偏器

    光纤陀螺的发展，一方面向高精度，另一方面是向着低成本。尤其中低精度的光纤陀螺有着庞大的应用市场，如若成本过高，则将失去竞争优势。降低成本的因素是多方面的，但就陀螺自身而言，消偏陀螺是有效的途径。在前面我们已经介绍，在光纤陀螺中的偏振噪声是由于线偏振光传输通过单模光纤时变成不稳定的椭园偏振光所引起的。当以顺时针方向和以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了陀螺输出的漂移。如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光分别以正交方式出现，一对正交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互补的，他们又是互不相关的，那末输出干涉光强将是稳定的。消偏器在光纤陀螺中就能起这样的作用。光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光轴互成 45 度。这种消偏器称为 Lyot 型消偏器，是一种特殊的光纤无源器件。

7 微小型光纤偏振控制器

    全单模光纤的光纤陀螺是可以实现的，甚至无需使用光纤消偏器。为了使这种陀螺处于最好的工作状态，在光路中需加入一个光纤偏振控制器。偏振控制器的原理是清楚的，但是作为光纤陀螺中应用，要实现小型化和高偏振稳定度确是有难度的。使用微型光纤偏振控制器可以制成低成本的全单模光纤陀螺，这种模式的光纤陀螺有广泛的应用市场，如用于汽车导航系统、机器人等。