一种小型化单偏振光纤谐振腔

摘要

本发明涉及光纤谐振腔，尤其涉及一种小型化单偏振光纤谐振腔。本发明小型化单偏振光纤谐振腔包括基座以及设置在该基座上的光循环模块、旋光模块、第一光束输入通道、第二光束输入通道、第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ。其中，所述第一、二光束输入通道的输出光束分别经各自偏振分光镜反射后，进入旋光模块、光循环模块并再次进入旋光模块后再分别透过对方偏振分光镜，进入第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ，所述光循环模块内部进入光纤前的光路中设置有起偏器。本发明具有单偏振特性，可抑制次谐振峰，降低偏振波动噪声对信号检测影响，且在减少元件数量下保持光路互易性且无熔接点，其多功能集成和小体积封装有利于小型化。

权利要求

1.一种小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，包括基座以及设置在该基座上的光循环模块、旋光模块、第一光束输入通道、第二光束输入通道、第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ，其中，所述第一光束输入通道和第二光束输入通道的输出光束分别经各自偏振分光镜反射后，进入旋光模块、光循环模块并再次进入旋光模块后再分别透过对方偏振分光镜，进入第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ，光循环模块中的部分循环光分别由其内部的两个分束镜反射进入到第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ，所述光循环模块内部进入光纤前的光路中设置有起偏器；

所述光循环模块包括依次设置的第一分束镜、第一起偏器、第二耦合透镜、第一光纤端面、光纤、第二光纤端面、第三耦合透镜、第二起偏器、第二分束镜；所述第一分束镜和第二分束镜为部分反射镜，对称倾斜45°朝向旋光模块；

所述旋光模块包括法拉第旋光器、半波片，利用对光偏振态旋转中法拉第旋光器的非互易性和半波片的互易性改变光束偏振态；使得输入光循环模块方向的光束的偏振态不变，从而进入光循环模块中循环；使得输出光循环模块方向的光束偏振态旋转90°，从而分别透过两个偏振分光镜输出；

所述起偏器为一对，对称设置在两个分束镜输出的循环光路上，且第一起偏器和第二起偏器偏振方向一致。

2.根据权利要求1所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述两个分束镜分成第一分束镜和第二分束镜，均包括部分反射镀膜面和高透射率镀膜面，所述第一分束镜和第二分束镜的部分反射镀膜面位于背离的两侧；所述第一分束镜和第二分束镜的高透射率镀膜面位于相向的两侧。

3.根据权利要求1所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的输出端分别设置有与光循环模块起偏器完全匹配的起偏器。

4.根据权利要求3所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的输出端的起偏器与光循环模块内的起偏器为一体结构。

5.根据权利要求1所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述第一光束输入通道、第二光束输入通道、第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ各自均包括端口、耦合透镜。

6.根据权利要求1所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的端口处设置有光源，所述第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ处的端口设置有光探测器，所述各端口与各自光源或光探测器之间采用光纤相连或直接对准。

7.根据权利要求1所述的小型化单偏振光纤谐振腔，其特征在于，所述第一光束输入通道输入的光束经起偏器后，经偏振分光镜反射后通过旋光模块进入光循环模块，输入第一分束镜(7)经反射后透过第一起偏器(4)、第二耦合透镜(8)，耦合进入第一光纤端面(9)，并在光纤中传输后由第二光纤端面(11)出射，经过第三耦合透镜(12)扩束准之后，依次透射第二起偏器(15)、第二分束镜(13)、第一分束镜(7)后，再次由第二耦合透镜(8)耦合进入第一光纤端面(9)形成第一循环光(b10)，每次循环过程中都有部分光被第二分束镜(13)反射输出光循环模块(100)到达旋光模块(6)，有部分光被第一分束镜(7)反射输出光循环模块(100到达第一光束输出通道Ⅱ(105)；

所述第二光束输入通道输入的光束经起偏器后，经偏振分光镜反射后通过旋光模块进入光循环模块，输入第二分束镜(13)经反射后透过第二起偏器(15)、第三耦合透镜(12)，耦合进入第二光纤端面(11)，并在光纤中传输后由第一光纤端面(9)出射，经过第二耦合透镜(8)扩束准之后，依次透射第一起偏器(4)、第一分束镜(7)、第二分束镜(13)后，再次由第三耦合透镜(12)耦合进入第二光纤端面(11)形成第二循环光(b20)，每次循环过程中都有部分光被第一分束镜(7)反射输出光循环模块(100)到达旋光模块(6)，有部分光被第二分束镜(13)反射输出光循环模块(100)到达第二光束输出通道Ⅱ(106)。

说明书

一种小型化单偏振光纤谐振腔

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤谐振腔，尤其涉及一种小型化单偏振光纤谐振腔。

背景技术

[0002] 谐振振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，RFOG)是一种角速度传感器，利用Sagnac效应测量光纤谐振腔内顺时针和逆时针光束的频差来获得角速度信息。该陀螺在工作原理上将激光陀螺谐振检测灵敏度高和干涉式光纤陀螺多匝光路这两个优点相结合，能够在小体积内实现高精度测量，具备成为下一代小体积导航级陀螺的潜力。

[0003] 光纤谐振腔是谐振式光纤陀螺的核心敏感组件，其性能尺寸直接影响此种陀螺的精度和体积，是此种陀螺设计和制造的关键。目前光纤谐振腔多采用耦合器熔接方式构成，其性能、尺寸及应用受到耦合器制约。随着光纤技术发展多种新型光纤不断出现，如光子晶体光纤,其多项光学性能优于现有光纤，同时较小的弯曲半径也有利于光纤谐振腔小型化。但是由于缺乏相应理想的耦合器，限制了光子晶体光纤在光纤谐振腔上的使用。光纤谐振腔中通常存在两个正交的本征偏振(Eigenstate of polarization,ESOP)。由于受外界环境影响，光纤谐振腔内两个偏振态存在波动会影响谐振腔的信号检测，从而在陀螺输出中产生噪声。偏振波动噪声是谐振式光纤陀螺系统中重要噪声源之一。

[0004] 为了降低光纤耦合器尺寸，研究学者们通常选用更小体积的光纤器件，但由于耦合器的存在，光纤环形腔无法进一步小型化。在新型光纤应用方面，研究学者们将光子晶体光纤与现有耦合器尾纤熔接得到的光纤谐振腔不仅损耗大，且无法避免熔接点引入的噪声误差。此外，由于熔接点处光纤脆弱，其最小弯曲半径较大也限制了光纤谐振腔的小型化。对于抑制偏振波动噪声对陀螺影响方面，通常采用偏振旋转方法或熔接在线起偏器等方式。前者需严格控制光纤长度和对轴误差，后者熔接有光纤器件不利于小型化。因此，当前光纤谐振腔无法较好地满足小型化和单偏振性能。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：提供了一种基于空间耦合的小型化单偏振光纤谐振腔，以有效降低光纤谐振腔体积的同时，能够很好的抑制谐振腔内偏振波动噪声。

[0006] 本发明一种小型化单偏振光纤谐振腔，一种小型化单偏振光纤谐振腔，其包括基座以及设置在该基座上的光循环模块、旋光模块、第一光束输入通道、第二光束输入通道、第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ，其中，所述第一光束输入通道和第二光束输入通道的输出光束分别经各自偏振分光镜反射后，进入旋光模块、光循环模块并再次进入旋光模块后再分别透过对方偏振分光镜，进入第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ，光循环模块中的部分循环光分别由其内部的两个分束镜反射进入到第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ，所述光循环模块内进入光纤前的光路中设置有起偏器。

[0007] 所述起偏器为一对，对称设置在两个分束镜输出的循环光路上，且第一起偏器和第二起偏器偏振方向一致。

[0008] 所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的输出端分别设置有与光循环模块起偏器完全匹配的起偏器。

[0009] 所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的输出端的起偏器与光循环模块内的起偏器为一体结构。

[0010] 所述第一光束输入通道、第二光束输入通道、第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ各自均包括端口、耦合透镜。

[0011] 所述第一光束输入通道、第二光束输入通道的端口处设置有光源，所述第一光束输出通道Ⅰ、第二光束输出通道Ⅰ、第一光束输出通道Ⅱ、第二光束输出通道Ⅱ处的端口设置有光探测器，所述各端口与各自光源或光探测器之间采用光纤相连或直接对准。

[0012] 所述旋光模块包括法拉第旋光器、半波片，利用对光偏振态旋转中法拉第旋光器的非互易性和半波片的互易性改变光束偏振态；使得输入光循环模块方向的光束的偏振态不变，从而进入光循环模块中循环；使得输出光循环模块方向的光束偏振态旋转90°，从而分别透过两个偏振分光镜输出。

[0013] 所述两个分束镜分成第一分束镜和第二分束镜，均包括部分反射镀膜面和高透射率镀膜面，所述第一分束镜和第二分束镜的部分反射镀膜面位于背离的两侧；所述第一分束镜和第二分束镜的高透射率镀膜面位于相向的两侧。

[0014] 所述光循环模块包括依次设置的第一分束镜7、第一起偏器4、第二耦合透镜8、第一光纤端面9、光纤31、第二光纤端面11、第三耦合透镜12、第二起偏器15、第二分束镜13；所述第一分束镜7和第二分束镜13为部分反射镜，对称倾斜45°朝向旋光模块。

[0015] 所述第一光束输入通道输入的光束经起偏器后，经偏振分光镜反射后通过旋光模块进入光循环模块，输入第一分束镜7经反射后透过第一起偏器4、第二耦合透镜8，耦合进入第一光纤端面9，并在光纤中传输后由第二光纤端面11出射，经过第三耦合透镜12扩束准之后，依次透射第二起偏器15、第二分束镜13、第一分束镜7后，再次由第二耦合透镜8耦合进入第一光纤端面9形成第一循环光b10，每次循环过程中都有部分光被第二分束镜13反射输出光循环模块100到达旋光模块6，有部分光被第一分束镜7反射输出光循环模块100到达第一光束输出通道Ⅱ105；

[0016] 所述第二光束输入通道输入的光束经起偏器后，经偏振分光镜反射后通过旋光模块进入光循环模块，输入第二分束镜13经反射后透过第二起偏器15、第三耦合透镜12，耦合进入第二光纤端面11，并在光纤中传输后由第一光纤端面9出射，经过第二耦合透镜8扩束准之后，依次透射第一起偏器4、第一分束镜7、第二分束镜13后，再次由第三耦合透镜12耦合进入第二光纤端面11形成第二循环光b20，每次循环过程中都有部分光被第一分束镜7反射输出光循环模块100到达旋光模块6，有部分光被第二分束镜13反射输出光循环模块100到达第二光束输出通道Ⅱ106。

[0017] 本发明的有益效果：本发明可实现顺逆光输入、腔内光循环及信号光采集等功能，在减少元件数量下保持光路互易性且无熔接点，其多功能集成和小体积封装有利于小型化；本发明具有单偏振特性，可抑制次谐振峰，降低偏振波动噪声对信号检测影响；本发明基于空间光学耦合可应用于多种光纤，尤其是缺乏理想耦合器的光纤如光子晶体光纤等，易于推广。这对于减小光纤谐振腔体积和提高光纤谐振腔信噪比具有重要意义。

附图说明

[0018] 图1是本发明小型化单偏振光纤谐振腔一较佳结构示意图；

[0019] 图2是旋光模块结构示意图；

[0020] 图3是单偏振光纤谐振腔的频谱分布图；

[0021] 其中，1-第一激光光源，2-第一端口，3-第一耦合透镜，4-第一起偏器，5-第一偏振分光镜，6-旋光模块，7-第一分束镜，8-第二耦合透镜，9-第一光纤端面，10-基座，11-第二光纤端面，12-第三耦合透镜，13-第二分束镜，14-第二偏振分光镜，15-第二起偏器，16-第五耦合透镜，17-第四端口，18-第二探测器，19-第二端口，20-第四耦合透镜，21-第六耦合透镜，22-第三端口，23-第一探测器，24-第八耦合透镜，25-第六端口，26-第四探测器，27-第七耦合透镜，28-第五端口，29-第三探测器，30-第二激光光源，31-光纤，61-法拉第旋光器，62-半波片，100-光循环模块，101-第一光束输入通道，102-第二光束输入通道，103-第一光束输出通道Ⅰ，104-第二光束输出通道Ⅰ，105-第一光束输出通道Ⅱ，106-第二光束输出通道Ⅱ，b1-第一光线，b2-第二光线，b10-第一循环光，b20-第二循环光，b11-输入光循环模块方向的第一光线，b21-输入光循环模块方向的第二光线，b12-输出光循环模块方向的第一光线，b22-输出光循环模块方向的第二光线。

具体实施方式

[0022] 下面通过附图对本发明做进一步的说明：

[0023] 请参阅图1，其是本发明小型化单偏振光纤谐振腔一较佳结构示意图。本发明小型化单偏振光纤谐振腔包括：基座10以及设置在该基座上的光循环模块100、旋光模块6、第一光束输入通道101、第二光束输入通道102、第一光束输出通道Ⅰ103、第二光束输出通道Ⅰ104、第一光束输出通道Ⅱ105、第二光束输出通道Ⅱ106。其中，所述第一光束输入通道101和第二光束输入通道102的输出光束分别为第一光线b1和第二光线b2，分别经第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜14反射后，透过旋光模块6进入光循环模块100，并从光循环模块
100出射后并再次透过旋光模块6后再分别透过第二偏振分光镜14和第一偏振分光镜5，进入第一光束输出通道Ⅰ103和第二光束输出通道Ⅰ104，光循环模块100中的由第一循环光b10和第二循环光b20，分别由其内部的第一分束镜7、第二分束镜13反射进入到第一光束输出通道Ⅱ105、第二光束输出通道Ⅱ106。

[0024] 所述第一光束输入通道101、第二光束输入通道102分别包括第一端口2与第一耦合透镜3、第二端口19与第四耦合透镜20，用于接收外部光源输入。

[0025] 所述第一偏振分光镜5相对于第一光线b1倾斜45°放置，将从第一端口2发射的第一光线b1反射进入旋光模块6。所述第二偏振分光镜14相对于第二光线45°斜放，将从第二端口19发射的第二光线b2反射进入光循环模块100。

[0026] 所述光循环模块100内部第一光线b1和第二光线b2的传播路径位置相同、方向相反。沿所述第一光线b1的传播路径上，依次设置第一分束镜7、第二耦合透镜8、第一光纤端面9、光纤31、第二光纤端面11、第三耦合透镜12、第二分束镜13；所述第一分束镜7和第二分束镜13为部分反射镜，对称倾斜45°放置。

[0027] 所述光循环模块100中第一光线b1的循环回路为：第一光线b1输入到第一分束镜7后被反射，并通过第二耦合透镜8耦合进入第一光纤端面9，在光纤31中传输后由第二光纤端面11出射，经过第三耦合透镜12扩束准之后，依次透射第二分束镜13、第一分束镜7后，再次由第二耦合透镜8耦合进入第一光纤端面9形成第一循环光b10，每次循环过程中都有部分光被第二分束镜13反射输出光循环模块100，到达旋光模块6。

[0028] 所述光循环模块100中第二光线b2的循环回路为：第二光线b2输入第二分束镜13，反射通过第三耦合透镜12，耦合进入第二光纤端面11，并在光纤中传输后由第一光纤端面9出射，经过第二耦合透镜8扩束准之后，依次透射第一分束镜7、第二分束镜13后，再次由第三耦合透镜12耦合进入第二光纤端面11形成第二循环光b20，每次循环过程中都有部分光被第一分束镜7反射输出光循环模块100，到达旋光模块6。

[0029] 所述基座10上的第一起偏器4设置于第一耦合透镜3和第一偏振分光镜5、第二耦合透镜8和第一分束镜7之间。所述基座10上的第二起偏器15设置于第四耦合透镜20和第二偏振分光镜14、第三耦合透镜12和第二分束镜13之间。第一起偏器4和第二起偏器15偏振方向一致，将所通过的不同于偏振轴方向的光滤去，决定了光纤谐振腔所运行的偏振态；第一起偏器4和第二起偏器15可选倾斜放置来降低背向散射光。

[0030] 所述基座10上的旋光模块6，设置于第一偏振分光镜5和第一分束镜7、第二偏振分光镜14和第二分束镜13之间，垂直于放置于第一光线b1和第二光线b2。所述旋光模块6通过改变光束偏振态，使得对沿第一光线b1和第二光线b2中输入光循环模块100方向的光束的偏振态不变，从而进入光循环模块100中循环；使得第一光线b1和第二光线b2中输出光循环模块100方向的光束偏振态旋转90°，从而分别透射第一偏振分光镜5和第二偏振分光镜13。

[0031] 所述光纤谐振腔还包括形成在所述基座10上的第一光束输出通道Ⅰ103、第二光束输出通道Ⅰ104。第一光束输出通道Ⅰ103沿所述第一光线传播方向上依次设置有第五耦合透镜16，第四端口17。第二光束输出通道Ⅰ104沿所述第二光线b2传播路径上，依次设置有第六耦合透镜21，第三端口22。所述第五耦合透镜16将光循环模块内部第一循环光b10在第二分束镜13上的反射光，耦合到第四端口17。所述第六耦合透镜21将光循环模块100内部第二循环光b20在第一分束镜7上的反射光，耦合到第三端口22。

[0032] 进一步的，所述第一分束镜7和第二分束镜13包括部分反射镀膜面和高透射率镀膜面。所述第一分束镜7和第二分束镜13的部分反射镀膜面位于背离的两侧；所述第一分束镜7和第二分束镜13的高透射率镀膜面位于相向的两侧。

[0033] 进一步的，所述光纤谐振腔还包括光源模块，包括第一激光光源1和第二激光光源30。第一激光光源1与第一端口2采用光纤相连或直接对准，发射第一光线b1；第二激光光源
30与第二端口19采用光纤相连或直接对准，发射第二光线b2。

[0034] 进一步的，所述光纤谐振腔还包括第一光探测器23、第二光探测器18。第一光探测器23与第三端口22光纤相连或直接对准，用于第三端口22光强探测；第二光探测18器与第四端口17光纤相连或直接对准，用于第四端口17光强探测。

[0035] 进一步的，所述光纤谐振腔还包括形成在所述基座10上的所述基座10上的的第一光束输出通道Ⅱ105、第二光束输出通道Ⅱ106分别沿所述第一光线b1传播方向上，依次设置有第七耦合透镜27、第五端口28、第三探测器29。沿所述第二光线b2传播路径上，依次设置有第八耦合透镜24、第六端口25、第四探测器26。所述第七耦合透镜27将在第一分束镜7上输入光循环模块100方向上第一光线b1的透射光及第一循环光b10的反射光，耦合到第五端口28。所述第八耦合透镜24将在第二分束镜13上输入光循环模块100方向上第二光线b2的透射光及第二循环光b20的反射光，耦合到第六端口25。第三探测器29与第五端口28采用光纤相连或直接对准，用于第五端口28光强探测。第四探测器26与第六端口25采用光纤相连或直接对准，用于第六端口25光强探测。

[0036] 如图2所示，给出了旋光模块6结构示意图，包括法拉第旋光器61和半波片62。法拉第旋光器61利用法拉第效应旋光非互易性，使得对沿第一光线传播路径和第二光线传播路径中输入旋光模块6方向的光束b11和b21的偏振态顺时针(或逆时针)旋转45°且对输出光循环模块100方向的光束b12和b22的偏振态顺时针(或逆时针)旋转45°。半波片62设置快轴或慢轴与入射光束夹角22.5°，使得对沿第一光线传播路径和第二光线传播路径中输入光循环模块100方向的光束b11和b21的偏振态顺时针(或逆时针)旋转45°且对输出光循环模块100方向的光束b12和b22的偏振态顺时针(或逆时针)旋转45°。法拉第旋光器61和半波片62的位置顺序可以互换；其综合效果为沿第一光线传播路径和第二光线传播路径中输入光循环模块100方向的光束b11和b21的偏振态不变，且对输出光循环模块100方向的光束b12和b22的偏振态旋转90°。

[0037] 如图3所示，给出了由光纤谐振腔中第二探测器18和第一探测器23所探测得到的第一光线b1和第二光线b2的不同输入光频率下的频谱分布。所述单偏振光纤谐振腔只运行一个偏振态，因此频谱曲线中次谐振峰被抑制，只存在实线部分的谐振峰，从而可以降低由次谐振峰所引起的偏振波动噪声。

[0038] 综上所述本发明可实现顺逆光输入、腔内光循环及信号光采集等功能，在减少元件数量下保持光路互易性且无熔接点，其多功能集成和小体积封装有利于小型化；具有单偏振特性，可抑制次谐振峰，降低偏振波动噪声对信号检测影响；本发明基于空间光学耦合可应用于多种光纤，尤其是缺乏理想耦合器的光纤如光子晶体光纤等，易于推广，对于减小光纤谐振腔体积和提高光纤谐振腔信噪比具有重要意义。