諧振式光子帶隙光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、諧振式光纖陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG）以其良好的發(fā)展前景成為了人們研究的熱點，其基本工作原理是通過檢測諧振腔內(nèi)由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率差，完成對旋轉(zhuǎn)角速度的測量。在 R-FOG中，通常采用窄帶光源獲得良好的諧振性能，而窄帶光源的高相干性使得陀螺中的光學(xué)噪聲大幅增強(qiáng)，嚴(yán)重影響了R-FOG的性能。科研人員考慮采用多種措施對相關(guān)光學(xué)噪聲進(jìn)行抑制，然而效果都不是十分理想。
　　空芯光子帶隙光纖（Holl

2、ow-core Photonic-bandgap Fiber, HC-PBF）是一種新型的微結(jié)構(gòu)光纖，由于其能夠?qū)崿F(xiàn)光波在空氣纖芯內(nèi)傳輸，且空氣介質(zhì)相比傳統(tǒng)實芯纖芯（Si/SiO2）具有更優(yōu)的光學(xué)特性，人們考慮將HC-PBF應(yīng)用于R-FOG構(gòu)建HC-PBF-ROG，從而降低相關(guān)噪聲。盡管HC-PBF-ROG在誤差抑制方面具有潛在的優(yōu)勢，然而目前仍存在一些問題：1. HC-PBF中，光波導(dǎo)尺寸直接影響傳輸特性。針對R-FOG進(jìn)行光纖設(shè)計時

3、，如何使得特定波段的光源入射光在傳輸時具有最優(yōu)的傳輸特性有待研究。2.空芯光纖的損耗要大于傳統(tǒng)單模光纖，影響了空芯光纖的應(yīng)用，損耗主要是由表面模機(jī)制引起的；3.還沒有針對R-FOG的特種HC-PBF研究進(jìn)行，考慮到R-FOG的誤差因素，特種HC-PBF的主要特性應(yīng)包括更低的克爾非線性特性和瑞利散射特性，同時也應(yīng)具有良好的保偏特性或單偏振特性；4. HC-PBF諧振腔內(nèi)由于雙本征偏振態(tài)之間相互串?dāng)_而產(chǎn)生的偏振波動噪聲的問題；5.光纖陀螺系

4、統(tǒng)中離散背向反射的問題。
　　針對以上HC-PBF-ROG中存在的問題，本論文由HC-PBF結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，研究設(shè)計了新型的HC-PBF，對單偏振HC-PBF諧振腔中的偏振噪聲和HC-PBF-ROG中的離散背向反射進(jìn)行了研究，論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.研究了HC-PBF傳輸截止區(qū)間特性。利用平面波展開法對HC-PBF的光子帶隙特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了空芯光纖的數(shù)值孔徑，發(fā)現(xiàn)由于光子帶隙的限制，HC-PBF中的數(shù)值孔徑存在

5、兩個極值；進(jìn)一步研究了不同占空比下的傳輸截止區(qū)間特性，發(fā)現(xiàn)占空比是影響中心波長比率和波長比率寬度的重要因素；利用HC-PBF傳輸截止區(qū)間，設(shè)計了針對1550nm光源的具有最低限制損耗的HC-PBF基本結(jié)構(gòu)。
　　2.研究了HC-PBF的表面模損耗問題。利用全矢量有限元法對HC-PBF進(jìn)行了數(shù)值計算，得到表面模在纖芯附近的強(qiáng)度分布，研究了HC-PBF纖芯截切半徑對表面模損耗的影響，研究結(jié)果表明，以融合截切方式引入19單元纖芯孔能夠最

6、有效地抑制表面模損耗，獲得最優(yōu)的纖芯傳輸功率。
　　3.研究設(shè)計了單模單偏振態(tài) HC-PBF?；谥C振耦合的思想，設(shè)計了一種針對R-FOG的新型的雙橢圓輔助孔HC-PBF，并對其各個傳播模式的傳輸特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明新型光纖在1550nm波段附近具有良好的單模單偏振特性；考慮到R-FOG中主要的誤差因素，重點對雙橢圓輔助孔HC-PBF中的克爾非線性特性和瑞利散射特性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)單模光纖相比，新型光纖具有極低的克

7、爾非線性系數(shù)和瑞利散射損耗系數(shù)。
　　4.全面分析了HC-PBF-ROG中的克爾效應(yīng)和Shupe效應(yīng)。包括產(chǎn)生機(jī)理及目前主要的抑制措施等，分析結(jié)果表明，利用空芯光纖構(gòu)建的HC-PBF-ROG，能夠有效地、大幅地降低克爾效應(yīng)對于陀螺性能的影響；Shupe效應(yīng)誤差在高精度R-FOG中也應(yīng)加以考慮，HC-PBF-ROG中采用較低Shupe系數(shù)的空芯光纖，配合環(huán)形諧振腔較短的低光纖長度和合理的繞制手段，能夠大幅降低陀螺中的Shupe效應(yīng)誤

8、差
　　5.研究了單偏振HC-PBF諧振腔中的偏振誤差。建立了單偏振態(tài)HC-PBF諧振腔的傳輸矩陣，基于該傳輸矩陣，利用瓊斯矩陣方法建立了單偏振態(tài)諧振腔的偏振噪聲模型，在理論上對單偏振態(tài) HC-PBF諧振腔的偏振噪聲進(jìn)行了分析，結(jié)果表明單偏振態(tài)HC-PBF諧振腔能夠有效抑制偏振波動誤差。
　　6.研究了HC-PBF-ROG中的離散背向反射噪聲。分析了HC-PBF-ROG中的瑞利背向散射和離散背向反射，對離散背向反射進(jìn)行了歸納