光纖陀螺中的光電子與光纖器件
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? 1 偏振保持光纖/細(xì)經(jīng)光纖/匹配型保偏光纖
??? 光纖陀螺敏感線(xiàn)圈中的光纖長(zhǎng)度需要幾百米至一公里，用通常的單模光纖制造光纖環(huán)圈是不合適的。眾所周知兩束具有相同的波長(zhǎng)，相同的偏振態(tài)，相同的光強(qiáng)度，并且處于相干長(zhǎng)度內(nèi)的光會(huì)產(chǎn)生最佳相干度的穩(wěn)定的光干涉。但是當(dāng)光傳輸經(jīng)過(guò)單模光纖時(shí)，由于單模光纖的非均勻性，輸入的線(xiàn)偏振光將分解為分量的方式傳播，并且材料的非均勻性和受環(huán)境影響，使分量的大小和傳播速度沿著轉(zhuǎn)播空間不規(guī)則變化，這種所謂的相位滯后使偏振態(tài)橢園化，具有了空間和時(shí)間的不確定性。具有不確定性偏振態(tài)的兩束光在經(jīng)過(guò)撿偏器后的相干光強(qiáng)度將會(huì)隨時(shí)間漲落。在干涉型光纖陀螺中，對(duì)角速率的度量是通過(guò)對(duì)相干光強(qiáng)的測(cè)量而實(shí)現(xiàn)的。因此用單模光纖制造的陀螺是不穩(wěn)定的。偏振保持光纖是通過(guò)在光纖中增加應(yīng)力區(qū)，使光纖內(nèi)具有確定的應(yīng)力分布的單模光纖。這種應(yīng)力分布應(yīng)遠(yuǎn)大于外界影響，這樣，當(dāng)平面偏振光的振動(dòng)方向與保偏光纖的光軸一致時(shí)，光將沿著這個(gè)方向一直傳播下去，保持了偏振相干的穩(wěn)定性。對(duì)于高精度光纖陀螺，必須用高質(zhì)量的保偏光纖制造敏感環(huán)圈。光纖陀螺對(duì)角速率的靈敏度與光纖環(huán)圈中的光纖長(zhǎng)度成比例，為了使光纖陀螺小型化，光纖陀螺必然會(huì)使用 0.08mm 左右的細(xì)經(jīng)保偏光纖。細(xì)經(jīng)保偏光纖是保偏光纖發(fā)展的方向。在保偏的光學(xué)系統(tǒng)中，光纖耦合器也必須是保偏的。為了制造保偏耦合器，還需要有匹配型保偏光纖和專(zhuān)用的制造設(shè)備。
??? 當(dāng)光在幾百米長(zhǎng)的光纖中傳輸時(shí)，瑞利散射對(duì)陀螺的影響是必須考慮的。背向的瑞利散射與該方向上的傳輸光產(chǎn)生的相干光強(qiáng)度會(huì)干擾陀螺的正常輸出，形成瑞利噪聲。在光纖陀螺中瑞利散射與傳輸光之間的相位差不是定值，而是隨光纖不同的位置而變化，但絕大部分的相位差或者說(shuō)光程差都大于 SAGNAC 相移，顯然，只要使用短相干長(zhǎng)度的光源就可以去除大部分的瑞利噪聲，提高陀螺性能。為了達(dá)到以上目的，同時(shí)考慮到光功率的需要，在光纖陀螺中使用了寬帶光源超輻射二極管（ SLD ） , 這種半導(dǎo)體二極管介于 LD 和 LED 之間，譜寬在 30nm 以上，發(fā)光效率應(yīng)不低于 150mW / 100 μ A （出纖）。超輻射二極管在光纖陀螺中占有很重要的地位，除了上面提到的要求外，還有工程上的一些特殊要求。但是目前就超輻射二極管進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)和工藝研究甚少，器件研發(fā)和陀螺應(yīng)用之間還未形成良性循環(huán)，這種狀態(tài)是急待改善的。有源器件中還有一項(xiàng)重要器件是高靈敏度寬帶 PIN-FET 。高靈敏度與寬帶是矛盾的，造成了這種器件研發(fā)的難度。
3 特種耦合器
??? 在光纖陀螺中使用的耦合器是特種耦合器。主要有三類(lèi)：保偏耦合器、 1 × 3 （ 1 × 4 ）耦合器、特殊波長(zhǎng)耦合器。 保偏耦合器的基本原理與標(biāo)準(zhǔn)耦合器相似，但是制造保偏光纖耦合器的設(shè)備是專(zhuān)用的，還要配合一系列專(zhuān)用技術(shù)，其中包括光纖平行熔融拉錐、光軸調(diào)節(jié)與測(cè)定、熔融拉錐工藝過(guò)程中的保持光軸穩(wěn)定、器件封裝等。此外對(duì)于保偏光纖也有特殊要求，專(zhuān)用的光纖必須具是折射率匹配型保偏光纖。1 × 3 （ 1 × 4 ）耦合器也要符合保偏器件的要求。光纖陀螺中的特殊波長(zhǎng)耦合器用于自發(fā)輻射型的摻餌光纖光源，和 EDFA 中的耦合器相同。 為了降低克爾效應(yīng)的影響，用于高精度光纖陀螺中的耦合器對(duì)分束比有較高的要求。
4 多功能集成光器件
??? 光纖陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位調(diào)制和光分路。替代用于全光纖陀螺中的偏振器、相位調(diào)制器和耦合器。制造集成光學(xué)器件的襯底材料可以有多種選擇，如 Ⅲ- Ⅴ屬半導(dǎo)體、在硅材料上制備的二氧化硅、玻璃等。但對(duì)于光纖陀螺來(lái)說(shuō)，最好的選擇還是鈮酸鋰材料（ lithium niobate --- LiNb03），這是因?yàn)檫@種材料具有很好的電光性能，當(dāng)通過(guò)電極對(duì)波導(dǎo)施加電場(chǎng)時(shí)，波導(dǎo)的折射率將發(fā)生相應(yīng)的變化，并使光波產(chǎn)生相移，這種相位調(diào)制性能對(duì)于干涉型光纖陀螺來(lái)說(shuō)是十分必要的。調(diào)制器上的電極是通過(guò)第二次蝕刻工藝將金屬制作在波導(dǎo)兩側(cè)。在襯底上緊挨著的電極電容大約為 10pF, 對(duì) 50 負(fù)載阻抗的調(diào)制帶寬為 300MHz, 對(duì)于光纖陀螺來(lái)說(shuō) , 這樣的帶寬已經(jīng)夠用了。在這樣帶寬范圍內(nèi) , 調(diào)制器的響應(yīng)是平坦的 , 使集成光學(xué)相位調(diào)制器在光纖陀螺中成為一種理想的器件。LiNb0 集成光學(xué)波導(dǎo)通常是用鈦（ Ti ）擴(kuò)散技術(shù)制造的。為了獲得最佳效率 , 必需將晶體加工成 X- 切向 (X 軸與襯底面垂直 ) 、 Y- 向傳播的波導(dǎo) ( 即波導(dǎo)與 Y 軸平行 ) 。于是，與 Z 軸平行的 ，即 TE 模能受平行于波導(dǎo)的金屬電極有效調(diào)制。在集成光器件中將波導(dǎo)設(shè)計(jì)成 Y 型，并在單 Y 型波導(dǎo)的分路上分別做上電極，使得 Y 型波導(dǎo)既是相位調(diào)制器又相當(dāng)于全光纖陀螺中的光纖分路器。鈦擴(kuò)散波導(dǎo)的缺點(diǎn)是，在鈦擴(kuò)散加溫時(shí)會(huì)發(fā)生襯底表面 外擴(kuò)散的問(wèn)題從而產(chǎn)生一個(gè)非常偏振光的寄生平面波導(dǎo)（即 X －切的 TE 模） , 這種寄生的平面波導(dǎo)會(huì)在正常擴(kuò)散的波導(dǎo)間產(chǎn)生光的泄漏或波導(dǎo)間的串音。質(zhì)子交換是解決鈦擴(kuò)散波導(dǎo)缺點(diǎn)的有效方法。質(zhì)子交換是在較低的溫度下（約 200 － 300 ℃ ）進(jìn)行的，這樣就避免了高溫下外擴(kuò)散的問(wèn)題，但是低溫交換會(huì)使器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。使用退火技術(shù)能使壽命明顯提高，現(xiàn)在的質(zhì)子交換對(duì)光纖陀螺來(lái)說(shuō)已成為一種很好的選擇，因?yàn)椋ㄟ^(guò)質(zhì)子交換技術(shù)可獲得波導(dǎo)的高偏振度，而高偏振度是高精度陀螺的必要條件。
5 EDFA
??? 在光通信領(lǐng)域中 EDFA 用于特定波長(zhǎng)下的光信號(hào)放大，這種放大器被稱(chēng)之為摻餌光纖放大器。用泵浦光源激勵(lì)摻餌光纖并使其工作在自發(fā)輻射狀態(tài)，此時(shí)摻餌光纖的輸出是波長(zhǎng)與光功率穩(wěn)定的寬帶光源，這種光源的出纖光功率大，使得增加光纖環(huán)圈中的光纖長(zhǎng)度成為可能，從而實(shí)現(xiàn)光纖陀螺的高靈敏度。還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是光纖光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定，改善了光纖陀螺由波長(zhǎng)漂移所造成的不穩(wěn)定性。EDFA 用于光纖陀螺需要做許多改進(jìn)，包括適用于陀螺儀使用的，與小型化相關(guān)的一系列工藝和技術(shù)的改進(jìn)。用摻餌光纖光源的光纖陀螺在國(guó)外已經(jīng)實(shí)用化，這種高精度陀螺已被用于艦船的導(dǎo)航系統(tǒng)。
6 光纖消偏器
??? 光纖陀螺的發(fā)展，一方面向高精度，另一方面是向著低成本。尤其中低精度的光纖陀螺有著龐大的應(yīng)用市場(chǎng)，如若成本過(guò)高，則將失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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徑。在前面我們已經(jīng)介紹，在光纖陀螺中的偏振噪聲是由于線(xiàn)偏振光傳輸通過(guò)單模光纖時(shí)變成不穩(wěn)定的橢園偏振光所引起的。當(dāng)以順時(shí)針?lè)较蚝鸵阅鏁r(shí)針?lè)较虻臋E圓偏振光在撿偏方向發(fā)生干涉時(shí)，干涉光強(qiáng)不穩(wěn)定，造成了陀螺輸出的漂移。如果順時(shí)針?lè)较蚧蚰鏁r(shí)針?lè)较虻臋E圓偏振光分別以正交方式出現(xiàn)，一對(duì)正交的橢圓偏振光強(qiáng)在撿偏方向上是互補(bǔ)的，他們又是互不相關(guān)的，那末輸出干涉光強(qiáng)將是穩(wěn)定的。消偏器在光纖陀螺中就能起這樣的作用。光纖消偏器用兩段長(zhǎng)度不同的保偏光纖制成，主光軸互成 45 度。這種消偏器稱(chēng)為 Lyot 型消偏器，是一種特殊的光纖無(wú)源器件。
7 微小型光纖偏振控制器
??? 全單模光纖的光纖陀螺是可以實(shí)現(xiàn)的，甚至無(wú)需使用光纖消偏器。為了使這種陀螺處于最好的工作狀態(tài)，在光路中需加入一個(gè)光纖偏振控制器。偏振控制器的原理是清楚的，但是作為光纖陀螺中應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)小型化和高偏振穩(wěn)定度確是有難度的。使用微型光纖偏振控制器可以制成低成本的全單模光纖陀螺，這種模式的光纖陀螺有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，如用于汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人等。
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