光纖陀螺用光學(xué)器件的匹配優(yōu)化

姜輝等

摘要： 針對(duì)光纖陀螺采用分立光學(xué)器件組裝的特點(diǎn)，從光纖類型匹配、損耗匹配、偏振特性匹配幾個(gè)方面討論了對(duì)光纖陀螺精度的影響。給出了組成光纖陀螺各器件的理想匹配參數(shù)和光學(xué)器件的保偏尾纖連接時(shí)的對(duì)軸精度的優(yōu)化，提高了光纖陀螺批量生產(chǎn)的一致性、穩(wěn)定性、重復(fù)性以及光纖陀螺的性能。

關(guān)鍵詞： 光纖陀螺； 器件參數(shù)匹配； 對(duì)軸誤差

中圖分類號(hào)： TN253文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.006

Abstract： Based on the characteristics of assembly of fiber optic gyro using discrete optical device， we discuss the influence on the accuracy of fiber optic gyro in the aspects of fiber type matching， loss matching， and polarization matching. We give ideal matching parameters of the device of fiber optic gyro and the optimization of shaft precision when polarization pigtail is connected. It increases the consistency of the fiber optic gyro production， and ensures batch stability， reproducibility and the performance of fiber optic gyroscope.

Keywords： fiber optic gyroscop； parameter matching； shaft error

引言光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)角速率傳感器，目前光纖陀螺的光學(xué)表頭是根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按光學(xué)表頭的設(shè)計(jì)要求提出每個(gè)光學(xué)器件的參數(shù)指標(biāo)，光學(xué)表頭的生產(chǎn)則采用分立光學(xué)器件組裝生產(chǎn)的模式。分立光學(xué)器件的指標(biāo)參數(shù)一般采用降額設(shè)計(jì)，并有一定的區(qū)間范圍。由于不同的器件由不同廠商生產(chǎn)、篩選、提供，導(dǎo)致幾個(gè)分立的光學(xué)器件組裝成的光學(xué)表頭的一致性低，同批次內(nèi)光纖陀螺的性能差異大。為提高光纖陀螺批量生產(chǎn)的一致性、保證批次穩(wěn)定性、重復(fù)性，需要對(duì)光纖陀螺用光學(xué)器件進(jìn)行匹配優(yōu)化。光學(xué)器件的匹配優(yōu)化包括光學(xué)器件指標(biāo)參數(shù)的匹配和光學(xué)器件的保偏尾纖連接時(shí)的對(duì)軸精度的優(yōu)化，這些都是影響光纖陀螺輸出特性的重要因素，也是提高光學(xué)陀螺實(shí)際性能的關(guān)鍵。本文從光纖類型匹配、損耗匹配、偏振特性匹配幾個(gè)方面介紹了光纖陀螺用光學(xué)器件的匹配優(yōu)化措施。1光纖陀螺基本結(jié)構(gòu)類型匹配最常見的也是被大多數(shù)廠家和單位采納的光纖陀螺基本結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，由光學(xué)表頭和電路兩部分組成。光學(xué)表頭由光源、光波導(dǎo)、耦合器、光纖敏感器、探測(cè)器組成，光學(xué)表頭是敏感角速度的關(guān)鍵，是光纖陀螺的核心部分。目前光纖陀螺的光學(xué)表頭均采用全光纖固態(tài)結(jié)構(gòu)。光學(xué)表頭的光路是通過光學(xué)器件的尾纖熔接連接來實(shí)現(xiàn)的，為保證光波傳輸特性，避免引入附加的損耗和誤差，并保證熔接點(diǎn)的強(qiáng)度，光學(xué)器件所用尾纖的結(jié)構(gòu)、類型、特征參數(shù)需保持一致。

根據(jù)光纖陀螺采用的全保偏、退偏等方案的不同，器件的尾纖類型也具有差異，但是相連接器件的尾纖最好保證類型一致。有些方案中，光源與耦合器、耦合器與光波導(dǎo)、光波導(dǎo)與光纖敏感器、耦合器與探測(cè)器之間的尾纖有單模、多模等，光纖類型不一致，但是需保證其他的特征參數(shù)一致。光纖類型包括單模光纖、保偏光纖、光子晶體光纖等，目前主流的光纖陀螺采用的光纖類型主要為單模光纖和熊貓型保偏光纖。光纖特征參數(shù)有包層直徑、涂覆層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差、包層/涂覆層同心度誤差等幾何參數(shù)以及截止波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑等光學(xué)參數(shù)。在保證截止波長(zhǎng)略小于光纖工作波長(zhǎng)的情況下，影響光路連接的主要光纖特征參數(shù)為包層直徑、芯/包層同心度誤差、數(shù)值孔徑和模場(chǎng)直徑。典型的光纖特征參數(shù)不一致表現(xiàn)是包層80 μm保偏（PM）光纖與包層125 μm保偏光纖的熔接，除了包層直徑不同，其數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑等均不一致。經(jīng)同一廠家125 μm保偏光纖與125 μm、80 μm保偏光纖的熔接測(cè)試，得到熔接點(diǎn)損耗和所能承受的拉力如表1所示。因此幾個(gè)器件之間通過選用同一廠家、同一型號(hào)的光纖來實(shí)現(xiàn)光纖類型匹配。2損耗匹配光纖陀螺中，光源的信號(hào)經(jīng)過光路產(chǎn)生干涉，再經(jīng)光纖耦合器后由探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，獲取輸入的角速度。光纖陀螺對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理的過程中會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲、熱噪聲和量化噪聲。其中散粒噪聲是光纖陀螺的一種基本噪聲源，構(gòu)成了干涉式光纖陀螺的基本測(cè)量極限，因而增加探測(cè)器接收功率和提高光路系統(tǒng)信噪比是減小散粒噪聲的主要技術(shù)途徑[24]。為了使光纖陀螺達(dá)到必要的精度，并保證同批次每只光纖陀螺精度的一致，到達(dá)每只光纖陀螺探測(cè)器上的光功率值必須滿足一定要求并盡量一致。到達(dá)探測(cè)器的光功率由光源功率和光路損耗以及探測(cè)器的響應(yīng)度決定。光路損耗包括熔接點(diǎn)損耗和每個(gè)光學(xué)器件的插入損耗，光纖陀螺光路各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的總損耗值為L(zhǎng)=L0+2×L1+2×L2+L3（1）式中：L0為各熔接點(diǎn)總損耗；L1為光波導(dǎo)插入損耗；L2為光纖耦合器插入損耗；L3為光纖敏感器插入損耗。因此，同批次光學(xué)器件應(yīng)該光源高功率與光路高損耗匹配，光源低功率與光路低損耗匹配，這樣可使到達(dá)探測(cè)器的功率值盡量接近一致，分立的光學(xué)器件根據(jù)以上原則進(jìn)行參數(shù)匹配。光學(xué)器件在裝配之前需進(jìn)行常溫關(guān)鍵參數(shù)復(fù)測(cè)，根據(jù)復(fù)測(cè)結(jié)果將光源按光功率P0大小分為高、中、低三檔，光波導(dǎo)、耦合器、光纖敏感環(huán)按插入損耗大小也分為高、中、低三檔，裝配生產(chǎn)中按表2進(jìn)行光學(xué)表頭的分立光學(xué)器件匹配。在以往的光纖陀螺生產(chǎn)過程中，由于器件隨機(jī)領(lǐng)取未進(jìn)行參數(shù)匹配，裝配好的光纖陀螺的總損耗值分布在較大的范圍內(nèi)，陀螺同批次的參數(shù)一致性差，表3為已裝配完成的100只光纖陀螺總損耗值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

光纖熔接點(diǎn)損耗L0是兩根光學(xué)器件尾纖連接時(shí)帶來的損耗，待熔接兩根光纖X方向的偏移、Y方向的偏移、光纖端面的傾斜角θ、光纖的距離都會(huì)帶來?yè)p耗，因此需要對(duì)光纖熔接機(jī)進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，保證兩根光纖纖芯在X、Y方向的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，以及兩根光纖切割端面的傾斜角在1°以內(nèi)，以此保證單個(gè)熔接點(diǎn)的損耗L0小于0.1 dB。3偏振特性匹配目前的光纖陀螺大多采用保偏方案，可以在很大程度上解決光纖陀螺的信號(hào)衰減和非互易性偏振誤差問題，并成為目前中、高精度光纖陀螺的最佳選擇方案。保偏光纖陀螺采用的是保偏光纖線圈，而保偏光纖連接時(shí)的對(duì)軸誤差帶來的偏振交叉耦合，是影響光纖陀螺輸出誤差的重要因素[5]。在整個(gè)光纖陀螺光路中有五個(gè)光纖熔接點(diǎn)，其中影響光纖陀螺輸出的主要是集成光波導(dǎo)與保偏光纖線圈的熔接點(diǎn)的對(duì)軸誤差，因此必須保證嚴(yán)格對(duì)軸。暫不考慮光學(xué)器件本身的附加損耗以及光波偏振態(tài)的影響，并假設(shè)其他熔接點(diǎn)對(duì)軸是理想的，波導(dǎo)與線圈的兩個(gè)熔接點(diǎn)對(duì)軸誤差為θ1和θ2，達(dá)到探測(cè)器的光纖陀螺的輸出誤差[6]為Δφ<2ε21+1-d1+d·tanθ1·tanθ21+tan2θ1·tan2θ2（2）式中：d為光波偏振度；ε為波導(dǎo)集成芯片的振幅抑制比。由此可見，輸出誤差是隨著對(duì)軸角度的增加以更大的速率增加。利用一個(gè)實(shí)際的閉環(huán)光纖陀螺，測(cè)試波導(dǎo)與線圈的兩個(gè)熔接點(diǎn)的對(duì)軸誤差θ1、θ2的變化對(duì)光纖陀螺零偏穩(wěn)定性的影響。測(cè)試內(nèi)容：對(duì)軸誤差θ2保持0°固定不變，對(duì)軸誤差θ1分別從0°、5°、10°、20°、30°、45°組裝成光纖陀螺單表，測(cè)試1 s和100 s平滑的零偏穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示。由于光纖陀螺結(jié)構(gòu)的互易性，θ1不變，θ2變化對(duì)光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響是一樣的，現(xiàn)用上述試驗(yàn)的同一只陀螺進(jìn)行驗(yàn)證，使對(duì)軸誤差θ1為0°且固定不變，對(duì)軸誤差θ2從0°、5°、10°、20°、30°、45°變化，測(cè)試1 s和100 s平滑的零偏穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3所示。從圖2、圖3可見，由于光纖敏感器繞制工藝所限，本身光學(xué)上的非嚴(yán)格對(duì)稱性，所以同樣的角度誤差造成的零偏穩(wěn)定性值略有差異，但是變化規(guī)律相似。由于θ1、θ2中任意一個(gè)變化都會(huì)對(duì)光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，因此必須保證對(duì)軸精度。通過對(duì)熔接機(jī)設(shè)置及熔接同時(shí)對(duì)消光比參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試等方法，可以保證對(duì)軸熔接角度誤差在±1°

4結(jié)論通過對(duì)光學(xué)器件指標(biāo)參數(shù)的匹配和光學(xué)器件的保偏尾纖連接時(shí)的對(duì)軸精度的優(yōu)化，提高了光纖陀螺批量生產(chǎn)的一致性，保證了同批次產(chǎn)品的穩(wěn)定性、重復(fù)性，確保了光纖陀螺實(shí)際性能，為今后光纖陀螺的批量生產(chǎn)提供了有效的參考。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）