單模光纖耦合器的傳輸光譜溫度特性

李 彥 章 敏 李立京 楊德偉

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

單模光纖耦合器的傳輸光譜溫度特性

李 彥 章 敏 李立京 楊德偉

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

在溫變條件下，對光纖光源發(fā)出光波經(jīng)單模光纖耦合器傳輸后的輸出光譜進行了測試.借助測試結果，仿真計算了耦合器的透射光波和耦合光波分別進入Sagnac干涉儀后干涉儀輸出信號的誤差隨溫度的變化情況.結果表明:當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，耦合器透射光波和耦合光波的平均波長和功率都會發(fā)生變化，且透射光波的平均波長和功率的溫度穩(wěn)定性遠遠高于耦合光波的穩(wěn)定性;當透射光波作為干涉儀輸入光波時，由溫變引起的干涉儀輸出誤差比耦合光波作為輸入光波時的誤差小一個數(shù)量級.

光纖耦合器;光譜;穩(wěn)定性;光纖陀螺

光纖耦合器是各種干涉型傳感器和相干通信的關鍵器件，是構成高精度光纖陀螺的基礎元件之一.在光纖陀螺中，耦合器主要起到傳輸光的作用，其優(yōu)劣直接影響陀螺的性能.

鑒于光纖耦合器在光纖傳感和光纖通信領域中的重要作用，國內外人士對耦合器展開了各方面的研究.文獻［1－5］分別對單模光纖耦合器的耦合系數(shù)和損耗進行了理論分析.文獻［6－9］分別對耦合器的分光比、損耗和偏振特性進行了測試.文獻［10］從制作工藝的角度分析了拉錐和扭轉對單模耦合器性能的影響.

以上主要對耦合器的工作原理、制作工藝及影響耦合器參數(shù)的因素進行分析，而對于耦合器傳輸光譜溫度特性的研究迄今為止尚未見報道.

1 理論分析

1.1 光纖耦合器的耦合機理

本論文的研究對象是錐體頸部區(qū)域縱向為平行線形，橫向為矩形的熔融拉錐型單模光纖耦合器，如圖1所示.

圖1 縱向為平行線、橫切面為矩形的熔錐型耦合器

當組成耦合器的兩根光纖相同，且P0=1時，根據(jù)無損耗光波導系統(tǒng)中能量守恒原理，耦合器的輸出功率為［11］

因此耦合器的分光比為

式中，C為耦合系數(shù)，其表達式為

式中，λ為輸入光波的波長;V為光纖的歸一化頻率，其表達式為

式中，k0=2π/λ.

從分光比的理論表達式可以看出，RC是由n2，n3，L，a，λ 等決定的，而這些參數(shù)又受外部環(huán)境因素(如溫度、應力等)的影響.當溫度變化時，一方面由于熱膨脹導致L伸縮，另一方面熱光效應將會引起n2和n3變化.由式(3)得，兩種效應必將引起RC的變化.文獻［11］指出，不僅熔錐型光纖耦合器的分光比隨溫度發(fā)生變化，而且附加損耗也是溫度的函數(shù)，外界溫度的變化直接引起兩者變化.另外，耦合器是兩根光纖通過熔融拉錐的方式制成，當溫度變化時，兩根光纖之間的耦合將會發(fā)生變化，致使光波在直通臂和耦合臂中傳輸時透射光波和耦合光波傳輸光譜隨之變化.

1.2 陀螺誤差與耦合器輸出光波的關系

在光纖陀螺中，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器輸入給Y波導，然后進入Sagnac干涉儀，如圖2所示.

圖2 光纖陀螺的光路結構示意圖

采用方波偏置方案的干涉式閉環(huán)光纖陀螺探測器的輸出為［12］

2 實驗與仿真

將耦合器放入溫箱中，4根尾纖分別從溫箱中伸出.為了消除輸入光偏振態(tài)的影響，耦合器的輸入尾纖與Lyot消偏器熔接，耦合器透射光波與耦合光波的光譜分別由86142B型光譜儀測試，光譜儀與計算機連接，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動采集，實驗裝置如圖3所示.實驗中采用的光源是平均波長在1545 nm附近的光纖光源.

圖3 單模耦合器的傳輸光譜溫度特性實驗裝置

實驗采用的是大多數(shù)光纖陀螺的工作溫度范圍，即T為－40℃ ～+60℃，升降溫速率為2℃/min，在－40℃和+60℃各保溫1h，最后在20℃保溫20min.由式(6)可得，在其它參數(shù)不變的情況下，影響光纖陀螺的檢測靈敏度和測量精度、并導致光纖陀螺產(chǎn)生非互易相移漂移的因素是P和.因此實驗中主要對這兩個參數(shù)進行測試，測試結果如圖4所示.

圖4 耦合器傳輸光譜的溫度特性曲線

為了衡量在－40℃ ～+60℃范圍內光譜特征參數(shù)的最大變化，對測試結果進行處理，用如下公式分別表示平均波長和功率的最大變化:

從透射光波和耦合光波平均波長的穩(wěn)定性考慮，用式(7)進行計算可得，在－40℃ ～+60℃溫度范圍內，透射光波和耦合光波的平均波長都隨溫度的變化而變化，其中透射光波平均波長的最大變化為25×10－6，耦合光波平均波長的最大變化為192×10－6，約是透射光波平均波長變化的8倍，透射光波的平均波長要比耦合光波的平均波長穩(wěn)定.

從透射光波和耦合光波輸出功率的穩(wěn)定性考慮，用式(8)進行計算可得，在－40℃ ～+60℃溫度范圍內，透射光波和耦合光波的功率都隨溫度的變化而發(fā)生改變，其中透射光波平均波長的最大變化為1.3%，耦合光波功率的最大變化為18.1%，約是透射光波功率變化的14倍，透射光波的功率要比耦合光波的功率穩(wěn)定.

對于長度和直徑分別為1 500m和10 cm的光纖環(huán)，將耦合器輸出光波的和P的測試結果代入式(6)，得干涉儀輸出信號誤差隨T的變化曲線，如圖5所示.

圖5 探測器輸出誤差與溫度關系曲線

由圖5可得，當T發(fā)生變化時，不論輸入光波是透射光波還是耦合光波，探測器輸出信號的誤差都隨溫度的變化而變化，其中耦合光波作為輸入光波時，誤差隨溫度變化較大，且在升降溫過程和高溫保溫段變化尤為劇烈.通過計算得透射光波和耦合光波隨溫度波動帶來的探測器誤差最大變化 分 別 是 3.90 × 10－5(°)/h 和 3.55 ×10－4(°)/h.透射光波作為干涉儀輸入光波時，由溫度變化引起的輸出誤差比耦合光波作為輸入光波時的誤差小一個數(shù)量級.

3 結論

通過實驗與仿真計算得出，當溫度發(fā)生變化時，①經(jīng)單模光纖耦合器傳輸?shù)墓獠?，其透射光波的光譜要比耦合光波的光譜穩(wěn)定;②不論是透射光波還是耦合光波，在升降溫過程和高溫段光譜的變化尤為劇烈;③當耦合器的輸出光波作為干涉儀的輸入光波時，光纖陀螺中探測器輸出信號的誤差隨溫度發(fā)生變化，其中耦合波作為輸入光波時，誤差隨溫度變化較大，且在升降溫過程和高溫段變化尤為劇烈.

為了降低或消除溫度對單模耦合器傳輸光譜穩(wěn)定性的影響，可以采取兩個措施:①采用參數(shù)受溫度影響小的單模光纖制作耦合器;②優(yōu)化和完善單模耦合器的制作工藝.另外，為了提高光纖陀螺的檢測靈敏度和測量精度，以及減小光纖環(huán)的非互易相移產(chǎn)生的漂移，在制作陀螺時應選擇耦合器的直通臂跟Y波導的輸入尾纖連接.

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(編 輯:劉登敏)

Transmitting spectra-temperature characteristic of single-mode fiber coupler

Li Yan Zhang Min Li Lijing Yang Dewei

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

The output spectra of fiber sources which transmitted through a single-mode fiber coupler were measured by changing temperature.When the input wave of Sagnac interferometer from the fiber coupler were transmitting wave and coupling wave respectively，the temperature characteristics of signal-errors outputted from Sagnac interferometer were simulated.The above experimental results demonstrate that the output power and mean-wavelength of the spectra traveling through the arm of directly-transmission and that of the coupling of coupler will both change when the temperature changes.And the temperature-stability of output power and mean-wavelength of the directly-transmission arm is higher than that of the coupling arm.The simulated results demonstrate that the interferometer's errors caused by the light wave outputting from the directly-transmission arm of SM fiber coupler are one order smaller than that of the coupling arm.

fiber coupler;spectrum;stability;fiber-optic gyroscope

O 434.19

A

1001-5965(2012)06-0819-04

2011-04-02;網(wǎng)絡出版時間:2012-06-15 15:44

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120615.1544.027.htm l

國家自然科學基金資助項目(60207002)

李 彥(1975 －)，女，河北靈壽人，講師，lettlrom@aspe.buaa.edu.cn.