本發(fā)明涉及一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試方法，屬于光纖陀螺領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖陀螺作為發(fā)展極為迅速的一種新型慣性角速度傳感器，以其特有的技術(shù)和性能優(yōu)勢，如全固態(tài)結(jié)構(gòu)、可靠性高、壽命長；啟動速度快，響應(yīng)時間短；測量范圍大，動態(tài)范圍寬；抗沖擊、振動，耐化學(xué)腐蝕；體積小、重量輕、成本低；適合大批量生產(chǎn)等，已經(jīng)廣泛用于各領(lǐng)域。

在光纖陀螺中，集成光學(xué)波導(dǎo)是關(guān)鍵的光學(xué)器件，Y型集成光學(xué)波導(dǎo)在光纖陀螺中起到分束/合束、起偏、相位調(diào)制的作用。在集成光學(xué)波導(dǎo)中，對光信號起調(diào)制作用的電極位于波導(dǎo)芯片的頂部，對主波(波導(dǎo)芯片中的導(dǎo)波)進(jìn)行調(diào)制。如圖1所示，由于輸入光纖與波導(dǎo)芯片的耦合存在模式不匹配，入射光中90％的光被耦合到主波中，而剩余的10％的光衍射到波導(dǎo)芯片的襯底，在襯底反射后反射光中的一部分在波導(dǎo)出射端耦合到輸出光纖中，這一部分出射光稱為“次波”。這種次波在傳播路徑上沒有經(jīng)過電極的調(diào)制，次波的相位與主波存在與所加調(diào)制相關(guān)的相位誤差。而且由于次波的光程與主波的光程相近，在波導(dǎo)的出射端次波會和主波進(jìn)行干涉，在Sagnac干涉儀中引起附加強(qiáng)度調(diào)制。這種次波導(dǎo)致的強(qiáng)度調(diào)制會在光纖陀螺等利用Sagnac原理的干涉儀中引入附加誤差，影響干涉儀精度。

由于集成光學(xué)波導(dǎo)中的次波信號小，產(chǎn)生的誤差對低精度的Sagnac干涉儀影響不顯著，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有測量這種附加誤差的手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了測量上述的次波強(qiáng)度，提出了一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試方法。

本發(fā)明首先提供一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試裝置，所述測試裝置包括光源、耦合器、集成光學(xué)波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器、信號處理電路及采集計(jì)算機(jī)，所述的信號處理電路包括信號發(fā)生器和鎖相放大器。

光源的輸出尾纖經(jīng)過耦合器入射到集成光學(xué)波導(dǎo)，集成光學(xué)波導(dǎo)將入射光分為兩束并分別從光纖環(huán)的兩端進(jìn)入光纖環(huán)，兩束光分別經(jīng)過光纖環(huán)后在集成光學(xué)波導(dǎo)處干涉，干涉光經(jīng)過耦合器后到達(dá)探測器。信號發(fā)生器將制定的調(diào)制信號施加在集成光學(xué)波導(dǎo)上，并將該調(diào)制信號作為參考信號提供給鎖相放大器。鎖相放大器檢測與參考信號同頻率的Sagnac干涉儀輸出(探測器檢測的信號)并將該輸出信號傳輸給上位機(jī)即采集計(jì)算機(jī)，采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行次波強(qiáng)度計(jì)算。

基于所述的測試裝置，本發(fā)明還提供一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試方法，如下所述：

信號發(fā)生器為集成光學(xué)波導(dǎo)施加光纖環(huán)本征頻率2倍的方波調(diào)制加斜波調(diào)制，通過測量鎖相放大器輸出的峰峰值，利用如下公式計(jì)算集成光學(xué)波導(dǎo)中次波的強(qiáng)度A：

A＝V_p²/[16sin(π/8)cos(2πΔL/λ)(1+cosФ_s)γ(ΔL)√I_up]²

其中，V_p為鎖相放大器輸出的峰峰值的1/2，ΔL為集成光學(xué)波導(dǎo)中主波與次波的光程差，λ為工作波長，Ф_s表示Sagnac相位，γ(ΔL)為光程差為ΔL時光源的相干函數(shù)，I_up是集成光學(xué)波導(dǎo)上臂的光強(qiáng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)提出了基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試方法；

(2)采用光纖器件，測試裝置搭建比較方便；

(3)測量精度高，能達(dá)到10^-10V數(shù)量級；

(4)無需破壞陀螺光路，可以在線檢測。

附圖說明

圖1是集成光學(xué)波導(dǎo)中主波與次波傳播示意圖；

圖2是本發(fā)明中的測試裝置示意圖；

圖3是施加兩倍頻調(diào)制后次波強(qiáng)度調(diào)制相位誤差示意圖；

圖中：

1-光源； 2-探測器； 3-耦合器；

4-集成光學(xué)波導(dǎo)； 5-光纖環(huán)； 6-鎖相放大器；

7-信號發(fā)生器； 8-采集計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明首先提供一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試裝置，如圖2所示，所述的測試裝置包括光源1、探測器2、耦合器3、集成光學(xué)波導(dǎo)4、光纖環(huán)5、鎖相放大器6、信號發(fā)生器7和采集計(jì)算機(jī)8；所述的光源1為ASE光源。所述耦合器3為四端口器件，兩個輸入端口分別連接光源1和探測器2，兩個輸出端口中，一個輸出端口連接集成光學(xué)波導(dǎo)4，另一個輸出端口的光纖空置，光纖端面斜切八度角以防止端面反射。集成光學(xué)波導(dǎo)4的上臂和下臂分別連接光纖環(huán)5的兩端，所述的鎖相放大器6連接在探測器2的輸出端，所述的信號發(fā)生器7連接在所述的鎖相放大器6和集成光學(xué)波導(dǎo)4之間，所述的采集計(jì)算機(jī)8連接在鎖相放大器6的輸出端。

光源1的輸出尾纖經(jīng)過耦合器3入射到集成光學(xué)波導(dǎo)4，集成光波導(dǎo)4將入射光分為W_up與W_down兩束，如圖2所示，兩束光分別從光纖環(huán)5的兩端進(jìn)入并經(jīng)過光纖環(huán)5后在集成光學(xué)波導(dǎo)4處干涉，干涉光經(jīng)過耦合器3后到達(dá)探測器2。信號發(fā)生器7將指定調(diào)制信號施加在集成光學(xué)波導(dǎo)4上，并將該調(diào)制信號作為參考信號提供給鎖相放大器6。鎖相放大器6檢測與參考信號同頻率的探測器2的輸出信號并將該輸出信號傳輸給采集計(jì)算機(jī)8，完成信號采集。

通過信號發(fā)生器7將固定頻率的調(diào)制信號加到集成光學(xué)波導(dǎo)4上，并通過采集計(jì)算機(jī)8采集輸出信號，對輸出信號進(jìn)行計(jì)算得到次波強(qiáng)度。

所述的光源1為1550nm波長ASE光源，所述探測器2為20k跨阻。所述耦合器3為2×2單模耦合器，所述的集成光學(xué)波導(dǎo)4為Y1588-P型Y波導(dǎo),所述的光纖環(huán)5為2800m，所述的鎖相放大器6為SR830鎖相放大器，所述的信號發(fā)生器7型號為AFG3102。

本發(fā)明的一種基于Sagnac干涉儀的集成光學(xué)波導(dǎo)中次波強(qiáng)度的測試方法，所述測試方法具體如下：

第一步，光源1的輸出尾纖經(jīng)過耦合器3入射到集成光學(xué)波導(dǎo)4，集成光學(xué)波導(dǎo)4將入射光分為主波W_up與W_down兩束，入射光在經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)4時會在上臂和下臂產(chǎn)生兩束次波，分別為次波W₁與次波W₂。當(dāng)W_up與W_down分別經(jīng)過光纖環(huán)5后，會經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)4形成干涉，干涉后的兩束光再次分別形成兩束次波，分別為次波W₃與次波W₄。其中除了W_up與W_down會發(fā)生干涉外，W₁、W₂、W₃、W₄會分別與W_up、W_down干涉。同時，W₁、W₂、W₃、W₄之間也會發(fā)生干涉，但干涉波強(qiáng)度極小，可忽略不計(jì)。此時，到達(dá)探測器2的光強(qiáng)I_AC為：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄分別為次波W₁、W₂、W₃、W₄的強(qiáng)度，I_up和I_down為主波W_up與W_down的強(qiáng)度。Ф_up和Ф_down分別為主波W_up與W_down經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)時的相位變化量，Ф_up′為次波W₁和W₃經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)上臂時產(chǎn)生的相位變化量，Ф_down′為次波W₂和W₄經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)下臂時產(chǎn)生的相位變化量。其中，次波W₁、W₃經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)時經(jīng)歷的光程相同，對應(yīng)的相位變化量也相同，W₂、W₄經(jīng)過集成光學(xué)波導(dǎo)時經(jīng)歷的相位變化量相同。Ф_up-Ф_up′以及Ф_down-Ф_down′可以由光程差公式2πΔL/λ計(jì)算，ΔL為主波和次波在波導(dǎo)中傳播的光程差，λ為工作波長。公式中γ表示光源的相干函數(shù)，Ф_s表示Sagnac相位，Ф_m1～Ф_m9分別表示了主波之間的干涉光、以及兩個主波分別與相應(yīng)的次波干涉的干涉光在通過集成光學(xué)波導(dǎo)時經(jīng)歷的總調(diào)制相位。

第二步，在集成光學(xué)波導(dǎo)4上施加幅度為±V_π/4、頻率為光纖環(huán)5本征頻率的方波調(diào)制時(本征頻率＝1/(2τ),其中τ是光在光纖環(huán)中傳輸?shù)臅r間，V_π是集成光學(xué)波導(dǎo)使光產(chǎn)生相位為π的相位差時所加的電壓)，主波W_up與W_down分別會在集成光學(xué)波導(dǎo)上臂和下臂經(jīng)歷幅度為V_π/8和-V_π/8的調(diào)制，此時陀螺處于正常工作狀態(tài)。在集成光學(xué)波導(dǎo)4上施加光纖環(huán)本征頻率兩倍的方波調(diào)制頻率時，W_up與W_down兩束光在集成光學(xué)波導(dǎo)4上經(jīng)歷的調(diào)制為直流，無法被鎖相放大器檢測，公式(1)中的第一項(xiàng)為零。在這個狀態(tài)下，由于次波沒有經(jīng)歷調(diào)制，與主波之間的相位差會以此時的方波調(diào)制頻率周期性變換，可以被鎖相放大器6解調(diào)。此時公式(1)中(Ф_m2～Ф_m9)可以表示為–Ф_m2＝-Ф_m3＝Ф_m4＝Ф_m5＝Ф_m6＝Ф_m7＝Ф_m8＝Ф_m9＝Ф_m′,Ф_m′為波導(dǎo)次波強(qiáng)度調(diào)制相位，而四個次波的強(qiáng)度近似相等，施加兩倍頻調(diào)制后次波強(qiáng)度調(diào)制相位Ф_m′如圖3所示。因此由公式(1)可以推出由鎖相放大器6得到的解調(diào)值D為：

其中，A為次波的強(qiáng)度，Ф₀為調(diào)制方波的直流分量。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定，Ф₀由-π變化到π，解調(diào)值D的變化為一個正弦周期。

第三步，通過解調(diào)值D的峰峰值2V_p計(jì)算出次波的強(qiáng)度：

A＝V_p²/[16sin(π/8)cos(2πΔL/λ)(1+cosФ_s)γ(ΔL)√I_up]² (3)

ΔL為集成光學(xué)波導(dǎo)中主波與次波的光程差。

利用上述方法，測量長度為46mm，V_π為4.65V的集成光學(xué)波導(dǎo)，得到其次波的強(qiáng)度為2.38×10^-10V，對應(yīng)于-91.5dB的功率耦合，測量值比集成光學(xué)波導(dǎo)半波電壓小10個數(shù)量級，因此，此方法可以精確測量集成光學(xué)波導(dǎo)中極其微弱的次波信號強(qiáng)度，從而為衡量集成光學(xué)調(diào)制器性能提供了一個定量的手段。