光纤陀螺偏振误差及关键器件的研究

论文摘要

光纤陀螺是一种以Sagnac效应为基础的全固态角速率测量仪,具有成本低、体积小、重量轻、启动快、动态范围大、精度高等优点,在航空、航天、航海等军事和民用领域具有广泛的应用前景,成为当今光纤传感领域的研究热点之一。为了进一步提高光纤陀螺的性能,如何有效减小系统中的误差及研制高性能的关键器件至关重要。本论文的主要内容是研究不同光器件的偏振误差和光纤耦合器。偏振误差对光纤陀螺的零偏稳定性有重要影响,研究不同器件偏振误差对光纤陀螺输出的影响对进一步优化光纤陀螺的设计,改善陀螺的性能具有重要意义。本文运用光传输矩阵理论建立了不同光器件的琼斯矩阵,推导出光纤陀螺的光强输出表达式,通过方波调制解调出输出相位。然后分别考虑光源波动(包括光功率波动和偏振度波动)、保偏光纤耦合器分光比波动、光器件尾纤熔接点对轴误差所引起的偏振误差,通过不同参数所引起的偏振误差的比较,给出了不同精度陀螺所使用的光器件性能参数的误差容限。保偏光纤耦合器是光纤陀螺的一种关键器件,它的分光比稳定性受偏振依赖性、波长依赖性、温度依赖性和折射依赖性等因素的影响。本文运用耦合模理论推导耦合器的耦合系数,基于保偏光纤偏振模的正交性给出了保偏光纤耦合器快慢轴的耦合系数。在此基础上数值计算了保偏光纤对轴误差、波长波动、耦合长度变化、双折射变化对熊猫型保偏光纤耦合器分光比的影响。这对制作高性能光纤耦合器的光纤选型、拉制工艺、封装工艺有重要意义。双芯光子晶体光纤可应用于宽带耦合器。本文以设计性能良好的双芯光子晶体光纤偏振不敏感宽带耦合器为目标,首先使用有限元法对双芯光子晶体光纤的结构参数和物理参数对耦合特性的影响进行数值分析。基于数值分析得到的规律,提出了一种中心孔为椭圆孔的新型双芯光子晶体光纤偏振不敏感宽带耦合器并对其进行了优化。该设计有效地提高了光纤的兼容性和实验拉制的可行性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 光纤陀螺的发展过程
• 1.2 光纤陀螺的优点和国内外研究状况
• 1.3 光纤陀螺的应用和发展趋势
• 1.4 本课题提出的背景和所做的工作
• 2 光纤陀螺偏振误差的研究
• 2.1 光纤陀螺的原理概述
• 2.1.1 光纤陀螺的Sagnac效应
• 2.1.2 光纤陀螺的主要性能参数
• 2.1.3 光纤陀螺误差来源和补偿方法
• 2.2 开环光纤陀螺光器件传输矩阵模型的建立
• 2.2.1 光源
• 2.2.2 保偏光纤耦合器
• 2.2.3 偏振器
• 2.2.4 光纤环
• 2.2.5 相位调制器
• 2.2.6 光纤熔接点的旋转矩阵
• 2.2.7 坐标系的旋转矩阵
• 2.3 光纤陀螺的传输矩阵与输出解调
• 2.3.1 光纤陀螺输出的矩阵运算
• 2.3.2 光纤陀螺的工作点选择
• 2.3.3 输出相位的正弦调制
• 2.4 开环陀螺偏振误差的分析
• 2.4.1 光源波动
• 2.4.2 保偏光纤耦合器分光比的波动
• 2.4.3 熔接点对轴误差致偏振误差
• 2.5 本章小结
• 3 保偏光纤耦合器的依赖性分析
• 3.1 单模光纤的耦合模理论
• 3.2 保偏光纤耦合器快慢轴折射率对分光比的影响
• 3.3 保偏光纤耦合器依赖性的数值分析
• 3.3.1 偏振依赖性
• 3.3.2 波长依赖性
• 3.3.3 温度依赖性
• 3.3.4 双折射依赖性
• 3.4 本章小结
• 4 双芯光子晶体光纤偏振不敏感宽带耦合器的设计
• 4.1 双芯光子晶体光纤概述
• 4.2 双芯光子晶体光纤的模式分析
• 4.3 双芯光子晶体光纤耦合特性的数值分析
• 4.3.1 纤芯直径对耦合长度的影响
• 4.3.2 椭圆中心孔对耦合长度的影响
• 4.3.3 纤芯与包层介质折射率差对耦合长度的影响
• 4.4 新型偏振不敏感宽带耦合器的设计
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 课题总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集