专利名称：Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置及其在线对轴方法
技术领域：
本发明涉及一种对Y波导芯片与保偏光纤在线对轴的装置及其在线对轴方法。
背景技术：
Y波导是干涉式闭环光纤陀螺中的一个重要部件，它是在LiNbO3衬底上利用质子交换法获得类似于单偏振导波的效应，只允许TE模通过，而阻止TM模通过，因此具有很高的偏振抑制能力。保偏光纤3作为Y波导芯片4的输入尾纤必须与其完全对轴，即保偏光纤3的快慢轴与Y波导芯片4的快慢轴完全对准(快轴定义为x轴，慢轴定义为y)，这样才能充分发挥Y波导芯片4的高偏振抑制能力，并且如果保偏光纤3与Y波导芯片4不能很好的对轴，就会在光纤陀螺输入通道带来较大的偏振交叉耦合，影响Y波导芯片4的输出光功率及其光谱的调制度，从而对光纤陀螺带来一定的影响。
目前，国内光纤陀螺所用的Y波导输入尾纤对轴方法均是在显微镜下利用输入保偏尾纤两应力区与Y波导芯片横截面的相对位置人为地去调整角度，这样不能实现在线实时对轴，并且由于保偏光纤应力区及Y波导芯片的形状不理想，从而导致了对轴精度不高，效率低，并且一致性差。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于Y波导芯片与保偏光纤在线对轴的方法，是利用光源出射光经过Y波导后，由光谱仪采集连接点D的光谱，并用计算机解析出其对应的相干函数信息去估计Y波导芯片与其输入尾纤对轴的角度，并将所述对轴角度反馈给执行机构，即可实现Y波导芯片与保偏光纤在线对轴。
本发明的一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置，包括有光源、保偏光纤、Y波导芯片、光谱仪、计算机、对轴反馈模块和用于使保偏光纤转动的执行机构；光源尾纤与保偏光纤的一端以45°熔接于熔点A，保偏光纤另一端与Y波导芯片对轴于耦合点B，Y波导尾纤与光谱仪连接于连接点D，光谱仪利用GPIB采集卡与计算机连接，计算机与执行机构连接，执行机构作用于耦合点B。所述执行机构，用于在接收到计算机输出驱动指令后对保偏光纤进行转动。所述计算机，用于对实时采集的光谱信息进行相干函数解析，获取对轴反馈信息R，并作用于所述执行机构。所述对轴反馈模块由解析相干函数单元、寻峰单元、峰值比较单元组成；所述寻峰单元根据所述解析相干函数单元解析出的相干函数γ(n)进行次峰搜索分别获得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后将所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比较单元中进行比值解析获得对轴反馈信息R。
本发明的一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴方法，有下列对轴步骤第一步光谱仪将采集的光源出射光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出光源出射光经熔点A后的相干函数γ(A)，然后将所述相干函数γ(A)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得光源相干函数γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)；第二步光谱仪将采集的Y波导芯片的尾纤输出光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出光源出射光经保偏光纤、Y波导芯片、Y波导尾纤、连接点D后的相干函数γ(D)，然后将所述Y波导后的相干函数γ(D)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得Y波导后的相干函数γ(D)上Y波导次峰幅值A(D)及Y波导次峰位置D(D)；第三步将光源次峰位置D(A)与Y波导次峰位置D(D)在峰值比较单元中进行位置比较，在Y波导后的相干函数γ(D)上获得与光源相干函数γ(A)上的位置不同的四个次峰，即在时间t1时的第一次峰P1、在时间t2时的第二次峰P2、在时间t3时的第三次峰P3、在时间t4时的第四次峰P4；在时间t1时相干函数γ(D)的幅值为A1、在时间t2时相干函数γ(D)的幅值为A2、在时间t3时相干函数γ(D)的幅值为A3、在时间t4时相干函数γ(D)的幅值为A4；其中t1∶t2∶t3∶t4＝|L1-L2|∶L2∶L1∶L1+L2，A1:A2:A3:A4=]]>ExEy=sin(2θB)sin2θAγ(L1-L2):|12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)|]]>:ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1):ExEysin(2θC)cos2θAγ(L1+L2);]]>第四步将经第三步处理得到的幅值A4与幅值A3进行比值解析，获得用于驱动执行机构的对轴反馈信息R。
本发明Y波导芯片与保偏光纤在线对轴方法的优点在于(一)通过计算机8与对轴反馈模块的结合使用，解决了在线对轴的实时性，实现了Y波导芯片4与保偏光纤3在生产线上的自动化连接；
(二)运用对轴反馈模块解析出的对轴反馈信息R，解决了在生产线上受保偏光纤3应力区形状影响造成的对轴精度不高，有效地克服了不同形状保偏光纤与Y波导芯片4的连接方式；(三)利用GPIB采集卡使光谱仪6与计算机8的配合使用，实现了Y波导芯片4与保偏光纤3工业化生产；(四)本发明采用对轴角度变化的解析方式使得Y波导芯片4与保偏光纤3准确的对轴，有效地降低了生产成本和次品率。
图1是Y波导芯片与保偏光纤实时对轴装置的结构示意图。
图2是Y波导芯片与保偏光纤实时对轴理论分析示意图。
图3是本发明对轴反馈模块的处理流程框图。
图4是光源出射光经熔点A后的相干函数γ(A)。
图5是θB＝15°时，光源出射光经Y波导后在连接点D处的相干函数γ(D)。
图6是各次峰幅值随Y波导与其输入尾纤对轴角度变化曲线。
图7是对轴反馈信息R随Y波导与其输入尾纤对轴角度变化曲线。
图中 1.光源2.光源尾纤 3.保偏光纤 4.Y波导芯片5.Y波导尾纤 6.光谱仪 7.执行机构 8.计算机具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种对Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置，包括有光源1、保偏光纤3、Y波导芯片4、光谱仪6、计算机8、对轴反馈模块和用于使保偏光纤3转动的执行机构7；光源尾纤2与保偏光纤3的一端以45°熔接于熔点A，保偏光纤3另一端与Y波导芯片4对轴于耦合点B，Y波导尾纤5与光谱仪6连接于连接点D，光谱仪6利用GPIB采集卡与计算机8(在本发明中，计算机的最低配置可以是具有128M内存，主频900M的CPU)连接，计算机8与执行机构7连接，执行机构7作用于耦合点B(执行机构7是用于对保偏光纤3与Y波导芯片4在进行对轴时，对保偏光纤3进行转动的设备)，所述对轴反馈模块存储于所述计算机8的存储器中，运用了计算机8的计算和存储能力。在本发明中，所述对轴反馈模块由解析相干函数单元、寻峰单元、峰值比较单元组成；所述寻峰单元根据所述解析相干函数单元解析出的相干函数γ(n)进行次峰搜索分别获得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后将所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比较单元中进行比值解析获得对轴反馈信息R。次峰位置信息Dn和次峰幅值信息An表示光源1出射光经其尾纤2和Y波导芯片4后的输出光对应的相干函数上的次峰。其实质是对光谱仪6所采集的两处不同位置的光谱对应的相干函数进行比较，得到新增次峰的幅值和位置信息。
在本发明中，所述执行机构7，用于在接收到计算机8输出驱动指令后对保偏光纤3进行转动；所述计算机8，用于对实时采集的光谱信息进行相干函数解析，获取对轴反馈信息R，并作用于所述执行机构7。
在本发明中，光源1的尾纤2为保偏光纤，其长度L1为0.5～1.5m。保偏光纤3(也称作Y波导芯片4的输入尾纤)的长度L2为0.5～1.5m。请参见图2所示，利用光源1出射光经Y波导芯片4起偏后导致相干函数中新增次峰的位置信息和幅值信息来估计保偏光纤3与Y波导芯片4在耦合点B的耦合角度，所以首先必须分析各熔接和耦合角度以及各段光纤长度对相干函数的影响。光源(SLD)1出射光包含TE模和TM模，设光源的琼斯向量EIN=TETM]]>，光源尾纤2长度为L1，光源尾纤2与光源芯片1对轴角度为θC，保偏光纤3长度为L2，保偏光纤3与光源尾纤2对轴角度为θA(熔点A处)，保偏光纤3与Y波导芯片4对轴角度为θB(耦合点B处)，Y波导芯片4振幅消光比设为ε＝-30dB，则有光源1输出光经过Y波导4后的琼斯向量EOUT=Eo_xEo_y=P·R(θB)·M(L2)·R(θA)·M(L1)·R(θC)·EIN]]>，式中EO_x表示Y波导芯片4的快轴输出光的振幅，EO_y表示Y波导芯片4的慢轴输出光的振幅，P表示Y波导芯片4的传输矩阵，则P=100ϵ,]]>R(θA)表示熔点A的传输矩阵，则R(θA)=cosθAsinθA-sinθAcosθA,]]>R(θB)表示耦合点B的传输矩阵，则R(θB)=cosθBsinθB-sinθBcosθB,]]>R(θC)表示耦合点C的传输矩阵，则R(θC)=cosθCsinθC-sinθCcosθC,]]>M(L1)表示光源尾纤2的传输矩阵，则M(L1)=ejΔβL1001,j2=-1,Δβ=2πΔn/λ,]]>
Δn为光源尾纤2快慢轴折射率之差，λ为波长，M(L2)表示保偏光纤3的传输矩阵，则M(L2)=ejΔβL2001]]>，j2＝-1，Δβ＝2πΔn/λ，Δn为保偏光纤3快慢轴折射率之差，λ为波长。
化简输出光琼斯向量EOUT得到光源1输出光经过Y波导4后输出的光强信息II=-ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2)cos(Δβ(L1-L2))]]>+12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)cos(ΔβL2)]]>+ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1)cos(ΔβL1)]]>+ExEysin(2θB)cos2θAγ(L1+L2)cos(Δβ(L1+L2))---(1)]]>式(1)中Ex表示光源尾纤2快轴输出光的振幅，且Ex＝cosθC·TE+sinθC·TM，Ey表示光源尾纤2慢轴输出光的振幅，且Ey＝-sinθC·TE+cosθC·TM，令-ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2)cos(Δβ(L1-L2))为第一调制项U，令+12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)cos(ΔβL2)]]>为第二调制项V，令+ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1)cos(ΔβL1)为第三调制项W，令+ExEysin(2θB)cos2θAγ(L1+L2)cos(Δβ(L1+L2))为第四调制项Z，γ(L1-L2)是光源相干函数γ(A)在时间t1时的大小，γ(L2)是光源相干函数γ(A)在时间t2时的大小，γ(L1)是光源相干函数γ(A)在时间t3时的大小，γ(L1+L2)是光源相干函数γ(A)在时间t4时的大小。
由式(1)可知，光源1出射光的光谱通过Y波导4后出现所述四个调制项(U、V、W和Z)，通过傅立叶逆变换将光谱变换成时域上Y波导后的相干函数γ(D)，则这四个调制项反映在相干函数γ(D)上会对应的出现四个次峰P1，P2，P3，P4，其离主峰的距离分别设为D1，D2，D3，D4，其大小分别设为A1，A2，A3，A4，则D1∶D2∶D3∶D4＝|L1-L2|∶L2∶L3∶(L1+L2) (2)A1:A2:A3:A4=]]>ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2):|12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)|]]>:ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1):ExEysin(2θC)cos2θAγ(L1+L2)---(3)]]>由式(2)、式(3)可知，当光源尾纤2和保偏光纤3长度一定时，相干函数上各次峰的位置就会固定，熔点A、耦合点B和耦合点C的耦合角度只会影响次峰幅值，且有耦合角度θB=12arctg(R·2tgθAγ(L1)γ(L1+L2))]]>，当L1和L2选择合适使得ΔβL1和Δβ(L1+L2)在光源相干函数γ(A)的平平坦区域时，θB≈12arctg(R·2tgθA)]]>，其中对轴反馈信息为R=A4A3]]>。因此可以利用第三次峰P3和第四次峰P4的幅值及其熔点A的耦合角度θA解析得到耦合点B的耦合角度θR。
在本发明中，Y波导芯片4与保偏光纤3(也称Y波导芯片4的输入尾纤)在线实时对轴的处理步骤是第一步光谱仪6将采集的光源1出射光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出光源1出射光的相干函数γ(A)，然后将所述相干函数γ(A)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得光源相干函数γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)，理想光源相干函数γ(A)与时间t的曲线如图4所示，图中，光源相干函数γ(A)除了主峰之外，无次峰。
第二步光谱仪6将采集的Y波导尾纤5输出光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出Y波导尾纤5的相干函数γ(D)，然后将所述Y波导后的相干函数γ(D)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得Y波导后的相干函数γ(D)上Y波导次峰幅值A(D)及Y波导次峰位置D(D)。
第三步将光源次峰位置D(A)与Y波导次峰位置D(D)在峰值比较单元中进行位置比较，在Y波导后的相干函数γ(D)上获得与光源相干函数γ(A)上的位置不同的四个次峰，即在时间t1时的第一次峰P1、在时间t2时的第二次峰P2、在时间t3时的第三次峰P3、在时间t4时的第四次峰P4；在时间t1时相干函数γ(D)的幅值为A1、在时间t2时相干函数γ(D)的幅值为A2、在时间t3时相干函数γ(D)的幅值为A3、在时间t4时相干函数γ(D)的幅值为A4；其中t1∶t2∶t3∶t4＝|L1-L2|∶L2∶L1∶L1+L2，A1:A2:A3:A4=]]>ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2):|12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)|]]>:ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1):ExEysin(2θC)cos2θAγ(L1+L2);]]>相干函数γ(D)与时间t的曲线如图5所示，图中，相干函数γ(D)除了主峰之外，还有四个次峰。
第四步将经第三步处理得到的幅值A4与幅值A3进行比值解析，获得用于驱动执行机构7的对轴反馈信息R。
实施例为不失一般性，设光源尾纤2的光纤长度L1＝1.5m，保偏光纤3的光纤长度L2＝1m，耦合点C的耦合角度θC＝10°，熔点A的熔接角度θA＝43°。
(A)测得光源1出射光经光源尾纤2后，至熔点A的光谱，将所述光谱利用“对轴反馈模块”解析出对应的光源相干函数γ(A)，如图4所示，图中，除主峰之外，无其他次峰。
(B)将光源尾纤2与Y波导输入尾纤3熔接，熔接角度θA，设保偏光纤3与Y波导芯片4初始对轴角度θR＝15°，则通过光谱仪6测试光谱，并利用计算机8以及对轴反馈模块解析出Y波导后的相干函数γ(D)，如图5所示，除主峰之外，增加了四个次峰，第一次峰P1、第二次峰P2、第三次峰P3和第四次峰P4。
(C)比较光源相干函数γ(A)与Y波导后的相干函数γ(D)，解析出Y波导后的相干函数γ(D)上的第一次峰P1、第二次峰P2、第三次峰P3和第四次峰P4，如图5所示，所述四个次峰与主峰的距离即位置分别为D1＝t1＝0.82×10-12S，D2＝t2＝1.64×10-12S，D3＝t3＝2.5×10-12S，D4＝t4＝4.15×10-12S，且有D1∶D2∶D3∶D4＝|L1-L2|∶L2∶L1∶L1+L2＝0.5∶1∶1.5∶2.5，然后解析出与时间t3所对应的次峰幅值A3＝0.29911，与时间t4所对应的次峰幅值A4＝0.092211，在峰值比较单元中进行比值解析得到对轴反馈信息R=A4A3=0.316.]]>(D)执行机构7接收到计算机8输出的对轴反馈信息R后，驱动保偏光纤3旋转一周(-180°～+180°)，即对轴角度θB开始变化。在旋转过程中，四个次峰位置不会变化，只是大小随着对轴角度θB变化而变化，如图6所示，对轴反馈信息R=A4A3]]>随着对轴角度的变化如图7所示。在此过程中，计算机8实时计算对轴反馈信息R，并存储。在初始化条件下，保偏光纤3旋转一周所对应的对轴反馈信息中有五个特征值(如图7所示)，即对轴信息R1、对轴信息R2、对轴信息R3、对轴信息R4、对轴信息R5。图中，R1＝R3＝R5＞R2＝R4。在本发明中，由图6中的第三次峰幅值A3随Y波导4与保偏光纤3的耦合角度θB变化的曲线可知，在耦合角度θB为-180°、0°、+180°时其幅值小于耦合角度θB为-90°、+90°时的幅值，并且在实际使用中由于噪声的存在导致对轴反馈信息R不为0，所以R1＝R3＝R6＞R2＝R4≠0(这个关系可以在计算机的显示屏中看到)。因此，本发明在对轴信息R1或者对轴信息R3或者对轴信息R5相对应的角度上即可认为Y波导芯片4与保偏光纤3实现了完全对轴。
在本发明中，符号的物理意义见下表
权利要求
1.一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置，包括有光源(1)、保偏光纤(3)、Y波导芯片(4)、执行机构(7)，其特征在于还包括有光谱仪(6)、计算机(8)、以及存储于计算机(8)存储器中的对轴反馈模块；光源尾纤(2)与保偏光纤(3)的一端以45°熔接于熔点A，保偏光纤(3)另一端与Y波导芯片(4)对轴于耦合点B，Y波导尾纤(5)与光谱仪(6)连接于连接点D，光谱仪(6)利用GPIB采集卡与计算机(8)连接，计算机(8)与执行机构(7)连接，执行机构(7)作用于耦合点B；所述执行机构(7)，用于在接收到计算机(8)输出驱动指令后对保偏光纤(3)进行转动；所述计算机(8)，用于对实时采集的光谱信息进行相干函数解析，获取对轴反馈信息R，并作用于所述执行机构(7)；所述对轴反馈模块由解析相干函数单元、寻峰单元、峰值比较单元组成；所述寻峰单元根据所述解析相干函数单元解析出的相干函数γ(n)进行次峰搜索分别获得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后将所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比较单元中进行比值解析获得对轴反馈信息R。
2.根据权利要求1所述的在线对轴装置，其特征在于所述光源尾纤(2)为保偏光纤，其长度L1为0.5～1.5m；所述保偏光纤(3)的长度L2为0.5～1.5m。
3.根据权利要求1所述的在线对轴装置的在线对轴方法，其特征在于有下列步骤第一步光谱仪(6)将采集的光源(1)出射光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出光源(1)出射光经熔点A后的相干函数γ(A)，然后将所述相干函数γ(A)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得光源相干函数γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)；第二步光谱仪(6)将采集的Y波导尾纤(5)输出光的光谱输出给所述对轴反馈模块，所述对轴反馈模块对接收的光谱信息在解析相干函数单元中解析出光源(1)出射光经保偏光纤(3)、Y波导芯片(4)、Y波导尾纤(5)、连接点D后的相干函数γ(D)，然后将所述Y波导后的相干函数γ(D)在寻峰单元中进行次峰搜索，获得Y波导后的相干函数γ(D)上Y波导次峰幅值A(D)及Y波导次峰位置D(D)；第三步将光源次峰位置D(A)与Y波导次峰位置D(D)在峰值比较单元中进行位置比较，在Y波导后的相干函数γ(D)上获得与光源相干函数γ(A)上的位置不同的四个次峰，即在时间t1时的第一次峰P1、在时间t2时的第二次峰P2、在时间t3时的第三次峰P3、在时间t4时的第四次峰P4；在时间t1时相干函数γ(D)的幅值为A1、在时间t2时相干函数γ(D)的幅值为A2、在时间t3时相干函数γ(D)的幅值为A3、在时间t4时相干函数γ(D)的幅值为A4；其中t1∶t2∶t3∶t4＝|L1-L2|∶L2∶L1∶L1+L2，A1:A2:A3:A4=]]>ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2):|12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)|]]>:ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1):ExEysin(2θC)cos2θAγ(L1+L2);]]>第四步将经第三步处理得到的幅值A4与幅值A3进行比值解析，获得用于驱动执行机构(7)的对轴反馈信息R。
全文摘要
本发明公开了一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴方法，其在线对轴所需装置有光源(1)、保偏光纤(3)、Y波导芯片(4)、光谱仪(6)、计算机(8)、对轴反馈模块和用于使保偏光纤(3)转动的执行机构(7)；光源尾纤(2)与保偏光纤(3)的一端以45°熔接于熔点A，保偏光纤(3)另一端与Y波导芯片(4)对轴于耦合点B，Y波导尾纤(5)与光谱仪(6)连接于连接点D，光谱仪(6)利用GPIB采集卡与计算机(8)连接，计算机(8)与执行机构(7)连接，执行机构(7)作用于耦合点B。本发明利用光源(1)出射光经过Y波导芯片(4)后，由光谱仪(6)采集连接点D的光谱，并对所述连接点D光谱利用对轴反馈模块解析出其相对应的相干函数信息，然后采用所述相干函数信息去解析Y波导芯片(4)与其连接的保偏光纤(3)对轴的角度以及对轴反馈信息R，并将所述对轴反馈信息R反馈给执行机构(7)，即可实现了Y波导芯片(4)与保偏光纤(3)的在线对轴。
文档编号G02B6/24GK101017222SQ20071006417
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月5日 优先权日2007年3月5日
发明者伊小素, 徐小斌, 宋凝芳, 金靖, 潘雄, 李敏 申请人:北京航空航天大学