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
??? 光纖陀螺敏感線圈中的光纖長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，相同的偏振態(tài)，相同的光強(qiáng)度，并且處于相干長度內(nèi)的光會產(chǎn)生最佳相干度的穩(wěn)定的光干涉。但是當(dāng)光傳輸經(jīng)過單模光纖時，由于單模光纖的非均勻性，輸入的線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，具有了空間和時間的不確定性。具有不確定性偏振態(tài)的兩束光在經(jīng)過撿偏器后的相干光強(qiáng)度將會隨時間漲落。在干涉型光纖陀螺中，對角速率的度量是通過對相干光強(qiáng)的測量而實現(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)平面偏振光的振動方向與保偏光纖的光軸一致時，光將沿著這個方向一直傳播下去，保持了偏振相干的穩(wěn)定性。對于高精度光纖陀螺，必須用高質(zhì)量的保偏光纖制造敏感環(huán)圈。光纖陀螺對角速率的靈敏度與光纖環(huán)圈中的光纖長度成比例，為了使光纖陀螺小型化，光纖陀螺必然會使用 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用的制造設(shè)備。
??? 當(dāng)光在幾百米長的光纖中傳輸時，瑞利散射對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光程差都大于 SAGNAC 相移，顯然，只要使用短相干長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：保偏耦合器、 1 × 3 （ 1 × 4 ）耦合器、特殊波長耦合器。 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)備是專用的，還要配合一系列專用技術(shù)，其中包括光纖平行熔融拉錐、光軸調(diào)節(jié)與測定、熔融拉錐工藝過程中的保持光軸穩(wěn)定、器件封裝等。此外對于保偏光纖也有特殊要求，專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。但對于光纖陀螺來說，最好的選擇還是鈮酸鋰材料（ lithium niobate --- LiNb03），這是因為這種材料具有很好的電光性能，當(dāng)通過電極對波導(dǎo)施加電場時，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)制性能對于干涉型光纖陀螺來說是十分必要的。調(diào)制器上的電極是通過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 50 負(fù)載阻抗的調(diào)制帶寬為 300MHz, 對于光纖陀螺來說 , 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)的缺點是，在鈦擴(kuò)散加溫時會發(fā)生襯底表面 外擴(kuò)散的問題從而產(chǎn)生一個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)散的問題，但是低溫交換會使器件的長期穩(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)子交換對光纖陀螺來說已成為一種很好的選擇，因為，通過質(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 用于特定波長下的光信號放大，這種放大器被稱之為摻餌光纖放大器。用泵浦光源激勵摻餌光纖并使其工作在自發(fā)輻射狀態(tài)，此時摻餌光纖的輸出是波長與光功率穩(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)圈中的光纖長度成為可能，從而實現(xiàn)光纖陀螺的高靈敏度。還有一個突出優(yōu)點是光纖光源的波長穩(wěn)定，改善了光纖陀螺由波長漂移所造成的不穩(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外已經(jīng)實用化，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，如若成本過高，則將失去競爭優(yōu)勢。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偏振光傳輸通過單模光纖時變成不穩(wěn)定的橢園偏振光所引起的。當(dāng)以順時針方向和以逆時針方向的橢圓偏振光在撿偏方向發(fā)生干涉時，干涉光強(qiáng)不穩(wěn)定，造成了陀螺輸出的漂移。如果順時針方向或逆時針方向的橢圓偏振光分別以正交方式出現(xiàn)，一對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度不同的保偏光纖制成，主光軸互成 45 度。這種消偏器稱為 Lyot 型消偏器，是一種特殊的光纖無源器件。
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現(xiàn)的，甚至無需使用光纖消偏器。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，如用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人等。
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