一种单偏振宽谱光纤光源及光纤陀螺的制作方法

本发明涉及一种光源，尤其涉及一种单偏振宽谱光纤光源，主要用于对光源平均波长稳定性能要求高的高精度低噪声光纤陀螺仪。

背景技术：

伴随着光纤陀螺的高精度发展进步，宽谱自发辐射光纤光源已成为其高精度与性能稳定的关键核心器件。现有宽谱光纤光源多采用45度法拉第旋转反射镜、滤波器等手段，获得了准高斯光谱形状的宽谱光源输出。对于宽谱光纤光源(例如中心波长在1560nm附近)，因其波长位置特性等要素成为低噪声高精度光纤陀螺的主要备选光源。但是，这类光源仍然存在温度诱导的波长不稳定问题，在-40℃到+60℃范围内，波长漂移有上百个ppm。现有技术中，一般利用滤波器对光谱进行去噪，但是去噪效果不理想，实际应用中迫切需要一种在温度变化范围内波长更加稳定的光源器件。

技术实现要素：

为解决光纤陀螺的光源在温度变化范围内波长飘移较大的问题，本发明提供了一种单偏振宽谱光纤光源，包括光源产生装置、1×2偏振分束器、保偏光纤耦合器、第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤、第四保偏光纤，所述光源产生装置的输出端与偏振分束器的输入端连接；

所述偏振分束器的一个输出端、另一个输出端分别与第一保偏光纤一端、第二保偏光纤一端连接；

所述保偏光纤耦合器的一个输入端、另一个输入端分别与第三保偏光纤一端、第四保偏光纤一端连接，所述保偏光纤耦合器的输出端为所述单偏振宽谱光纤光源的输出端；

所述第一保偏光纤另一端与第三保偏光纤另一端连接，所述第二保偏光纤另一端与第四保偏光纤另一端连接；

所述第一保偏光纤的光轴与第三保偏光纤的光轴进行0度对接，所述第二保偏光纤的光轴与第四保偏光纤的光轴进行90度对接。

本发明中，偏振分束器输出的两束光的偏振方向相互正交，由于第一保偏光纤的光轴与第三保偏光纤的光轴进行0度对接、第二保偏光纤的光轴与第四保偏光纤的光轴进行90度对接，使得两路偏振方向正交的光又合并到了同一个偏振方向上，实现了两路光的混杂，统计平均了其内部的波长成分，由此使得单偏振宽谱光纤光源的输出端的光源的波长更为稳定。

进一步地，定义从所述第一保偏光纤一端延伸至所述第三保偏光纤一端的光路为第一光路，定义光信号在第一光路上的光程为第一光程da，定义从所述第二保偏光纤一端延伸至所述第四保偏光纤一端的光路为第二光路，定义光信号在第二光路上的光程为第二光程db，定义h为所述单偏振宽谱光纤光源的相干长度，所述第一光程、第二光程、相干长度之间的关系为|da-db|>>h。

由于经过偏振分束器的光信号分成的两路光在经过保偏光纤耦合器耦合时，可能残存同偏振光的寄生干涉噪声。通过设置第一光程与第二光程的差值的绝对值远大于相干长度，以避免经过第一光程、第二光程的两路偏振光之间存在寄生干涉噪声。“>>”的符号表示“远大于”。

进一步地，|da-db|≥10cm。

通过设置第一光程与第二光程的差值的绝对值不小于10cm，可以使得该差值绝对值远远大于相干长度，更好地避免干涉噪声。

进一步地，定义光信号在第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤、第四保偏光纤的光程分别为d11、d12、d21、d22，da＝d11+d21，db＝d12+d22；或

所述第一保偏光纤另一端和第三保偏光纤另一端之间连接有延迟保偏光纤，定义延迟保偏光纤的光程为d3，所述第一保偏光纤的光轴与延迟保偏光纤的光轴进行0度对接，所述延迟保偏光纤的光轴与第三保偏光纤的光轴进行0度对接，da＝d11+d21+d3，db＝d12+d22；或

所述第二保偏光纤另一端和第四保偏光纤另一端之间连接有延迟保偏光纤，所述第二保偏光纤的光轴与延迟保偏光纤的光轴进行0度对接，所述延迟保偏光纤的光轴与第四保偏光纤的光轴进行90度对接，da＝d11+d21，db＝d12+d22+d3；或

所述第二保偏光纤另一端和第四保偏光纤另一端之间连接有延迟保偏光纤，所述第二保偏光纤的光轴与延迟保偏光纤的光轴进行90度对接，所述延迟保偏光纤的光轴与第四保偏光纤的光轴进行0度对接，da＝d11+d21，db＝d12+d22+d3。

进一步地，所述偏振分束器输出的两路光信号的消光比不小于20db；所述第三保偏光纤、第四保偏光纤的偏振串音均优于-20db。

进一步地，所述保偏光纤耦合器为光功率平均分束的2×2保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器的一个输出端和/或另一个输出端为所述单偏振宽谱光纤光源的输出端。

进一步地，所述光源产生装置还包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、反射镜，所述波分复用器的公共端、泵浦输入端分别与掺铒光纤的一端、泵浦源连接，所述波分复用器的信号端依次通过滤波器、隔离器与偏振分束器的输入端连接。

进一步地，所述反射镜为45度法拉第旋转反射镜。

进一步地，所述泵浦源为980nm泵浦源，所述波分复用器的信号端、泵浦输入端分别为1550nm端和980nm端。

本发明还提供一种光纤陀螺，所述光纤陀螺中的光源由上述任一项所述的单偏振宽谱光纤光源提供。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明提出一种单偏振宽谱光纤光源，本质上利用了宽谱光纤光源本身的两个偏振方向的光，将它们调整到同一偏振方向上并混合后，统计平均了其内部的波长成分，提高了光波长稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的单偏振宽谱光纤光源的一种实施方式中的结构示意图；

图2是本发明的单偏振宽谱光纤光源的另一种实施方式中偏振分束器与保偏光纤耦合器的连接结构示意图；

图3是本发明实施例的偏振分束器的结构示意图；

图4是本发明实施例的保偏光纤耦合器的结构示意图；

图5是在不同温度时常规宽谱光纤光源与本发明的单偏振宽谱光纤光源的平均波长对比试验图。

上述附图中，1、偏振分束器，11、第一光纤连接头，2、保偏光纤耦合器，21、第二光纤连接头，3、延迟保偏光纤，4、波分复用器，5、掺铒光纤，6、反射镜，7、滤波器，8、隔离器，9、泵浦源，101、第一保偏光纤，102、第二保偏光纤，103、第三保偏光纤，104、第四保偏光纤，105、第五保偏光纤，106、第六保偏光纤，107、第七光纤，201、第一熔接点，202、第二熔接点，203、第三熔接点，204、第四熔接点，205、第五熔接点，206、第六熔接点，表示表示非偏振光，表示y偏振光，表示x偏振光。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种单偏振宽谱光纤光源，其特征在于：包括光源产生装置、1×2偏振分束器1、保偏光纤耦合器2、第一保偏光纤101、第二保偏光纤102、第三保偏光纤103、第四保偏光纤104，所述光源产生装置的输出端与偏振分束器1的输入端连接。

所述偏振分束器1的一个输出端、另一个输出端分别与第一保偏光纤101一端、第二保偏光纤102一端连接；

所述保偏光纤耦合器2的一个输入端、另一个输入端分别与第三保偏光纤103一端、第四保偏光纤104一端连接，所述保偏光纤耦合器2的输出端为所述单偏振宽谱光纤光源的输出端；

所述第一保偏光纤101另一端与第三保偏光纤103另一端连接，所述第二保偏光纤另一端102与第四保偏光纤104另一端连接；

所述第一保偏光纤101的光轴与第三保偏光纤103的光轴进行0度对接，所述第二保偏光纤102的光轴与第四保偏光纤104的光轴进行90度对接。

定义从所述第一保偏光纤101一端延伸至所述第三保偏光纤103一端的光路为第一光路，定义光信号在第一光路上的光程为第一光程da。

定义从所述第二保偏光纤102一端延伸至所述第四保偏光纤104一端的光路为第二光路，定义光信号在第二光路上的光程为第二光程db。定义h为所述单偏振宽谱光纤光源的相干长度。

所述第一光程、第二光程、相干长度之间的关系为|da-db|>>h。在一种优选实施方式中，|da-db|≥10cm。

定义光信号在第一保偏光纤101、第二保偏光纤102、第三保偏光纤103、第四保偏光纤104的光程分别为d11、d12、d21、d22。定义延迟保偏光纤3的光程为d3。

若光信号在第一保偏光纤101、第三保偏光纤103的光程之和与第二保偏光纤102、第四保偏光纤104的光程之和之间的差值的绝对值大于光源的相干长度，则无需加入延迟保偏光纤3。在这种情况下，da＝d11+d21，db＝d12+d22，|da-db|>>h。在一种优选实施方式中，|da-db|≥10cm。图1、2中未示出这种情况。

若第一保偏光纤101与第二保偏光纤102的长度相等，且第三保偏光纤103、第四保偏光纤104的长度相等，则需要加入延迟保偏光纤3，以避免第一光路、第二光路中的光信号相互干涉。

如图1所示，所述第一保偏光纤101另一端和第三保偏光纤103另一端之间连接有延迟保偏光纤3，所述第一保偏光纤101的光轴与延迟保偏光纤3的光轴在第一熔接点201进行0度对接，所述延迟保偏光纤3的光轴与第三保偏光纤103的光轴在第二熔接点202进行0度对接，所述第二保偏光纤102的光轴与第四保偏光纤104的光轴在第三熔接点203进行90度对接，da＝d11+d21+d3，db＝d12+d22。

如图2所示，所述第一保偏光纤101的光轴与第三保偏光纤103的光轴在第四熔接点204进行0度对接，所述第二保偏光纤102另一端和第四保偏光纤104另一端之间连接有延迟保偏光纤3，所述第二保偏光纤102的光轴与延迟保偏光纤3的光轴在第五熔接点205进行0度对接，所述延迟保偏光纤3的光轴与第四保偏光纤104的光轴在第六熔接点206进行90度对接，da＝d11+d21，db＝d12+d22+d3；或

所述第一保偏光纤101的光轴与第三保偏光纤103的光轴在第四熔接点204进行0度对接，所述第二保偏光纤102另一端和第四保偏光纤104另一端之间连接有延迟保偏光纤3，所述第二保偏光纤102的光轴与延迟保偏光纤3的光轴在第五熔接点205进行90度对接，所述延迟保偏光纤3的光轴与第四保偏光纤104的光轴在第六熔接点206进行0度对接，da＝d11+d21，db＝d12+d22+d3。

所述偏振分束器1输出的两路光信号的偏振态相互垂直。所述偏振分束器1输出的两路光信号的消光比不小于20db；所述保偏光纤耦合器2在第三保偏光纤103、第四保偏光纤104输出处的偏振串音均优于-20db。保偏光纤耦合器2可为光功率平均分束，也可采用1:9、3:7等其他的分束比例，本领域技术人员可根据需要选择。优选地，所述保偏光纤耦合器2为光功率平均分束的2×2保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器2的一个输出端和/或另一个输出端为所述单偏振宽谱光纤光源的输出端。

所述光源产生装置还包括泵浦源9、波分复用器4、掺铒光纤5、反射镜6，所述波分复用器4的公共端、泵浦输入端分别与掺铒光纤5的一端、泵浦源9连接，所述波分复用器4的信号端依次通过滤波器7、隔离器8与偏振分束器1的输入端连接。波分复用器4优选为980nm/1550nm波分复用器。

所述反射镜6为45度法拉第旋转反射镜。所述泵浦源9为980nm泵浦源，所述波分复用器4的信号端、泵浦输入端分别为1550nm端和980nm端。波分复用器4的第一分光端与980nm泵浦源9连接，第二分光端与滤波器8连接，合光端与掺铒光纤5连接。

本发明还提供一种光纤陀螺，所述光纤陀螺中的光源为上述任一项所述的单偏振宽谱光纤光源。即，光纤陀螺中的光源信号由本发明的单偏振宽谱光纤光源提供。

本发明涉及一种单偏振输出的平均波长稳定性优良的宽谱光纤光源。本发明的基础在于实际光纤陀螺应用宽谱光纤光源时，仅仅使用其中一个偏振方向的光，发明的目的在于减小温度变化引起的平均波长变化，提高光源平均波长稳定性，在一定程度上解决高精度光纤陀螺对平均波长稳定的光纤光源的需求。

本发明中，一个980nm泵浦源的输出光纤通过980nm/1550nm波分复用器4注入到掺铒光纤5，然后通过45度法拉第旋转反射镜6反射，再次经过掺铒光纤5，由波分复用器4的1550nm端输出，通过滤波器7和隔离器8，获得中心波长1560nm的准高斯光源输出。然后，将该输出光通过光纤偏振分束器1分成两路正交的偏振光，分别由两个保偏光纤传输，再调整保偏光纤传输轴(通过选择其中一路的保偏光纤对接为90度对接来实现)，将两路正交的偏振光用保偏光纤耦合器2合并在保偏光纤的快轴(也可选择慢轴)，即最终输出了单偏振的宽谱光。

如图3所示，所述偏振分束器1包括第一光纤连接头11，第一光纤连接头11的第一端口、第二端口、第三端口分别为偏振分束器1的输入端、一个输出端、另一个输出端。所述偏振分束器1的一个输入端连接有第七光纤107。所述偏振分束器1的一个输出端、另一个输出端分别连接有第一保偏光纤101、第二保偏光纤102。偏振分束器1的输入端与隔离器8的输出端连接。

如图4所示，所述保偏光纤耦合器2包括第二光纤连接头21，第二光纤连接头21的第一端口、第二端口、第三端口、第四端口分别为保偏光纤耦合器2的一个输入端、另一个输入端、一个输出端、另一个输出端。所述保偏光纤耦合器2的一个输入端、另一个输入端分别连接有第三保偏光纤103、第四保偏光纤104。所述保偏光纤耦合器2的两个输出端分别与第五保偏光纤105、第六保偏光纤106连接。所述保偏光纤耦合器2的一个输出端和/或另一个输出端为宽谱光纤光源的输出端。通过第五保偏光纤105和/或第六保偏光纤106，即可将本发明的光源接入例如光纤陀螺中的光路，从而为光纤陀螺提供光源。

第一保偏光纤101、第二保偏光纤102、第七光纤107可作为偏振分束器1的尾纤，即从属于偏振分束器1，也可看做与偏振分束器1独立设置。

第三保偏光纤103、第四保偏光纤104、第五保偏光纤105、第六保偏光纤106，可作为保偏光纤耦合器2的尾纤，即从属于保偏光纤耦合器2，也可看做与保偏光纤耦合器2独立设置。

在偏振分束器1和保偏光纤耦合器2之间的分束和合束的两路光路上，光程差远远大于该宽谱光源的相干长度，一般，两路光路的光纤的长度差不小于10厘米。

使用的偏振分束器要求输出的两路偏振光为正交分解得到的偏振光，偏振分束器两路输出光纤的消光比不小于20db，保偏光纤耦合器两路输入光纤的偏振串音均优于-20db。并且，要求上述指标在-40℃到+60℃范围内能够有效保持。

采用上述指标要求的结构构成的单偏振宽谱光纤光源，输出了两路单偏振的宽谱光，光功率稳定，输出光的光谱的平均波长在-40℃到+60℃范围内，没有进行单偏振合束处理前的性能提高一倍，从而大大提高了平均波长的稳定性。

这里，保偏光纤偏振分束器和保偏光纤耦合器构成的两路光程需要设计远远大于光源相干长度的光程差，以避免残存的同偏振光的寄生干涉噪声。该保偏光纤耦合器为光功率平均分束的2×2结构，因此，两路输出光纤均可输出近似相等功率的单偏振宽谱光。

掺铒光纤光源初始输出光是非偏振光，本方案将掺铒光纤光源输出光中的两个正交方向的宽谱光通过偏振分束器提取出来，然后又通过2×2结构的保偏光纤耦合器合并在一起。需要注意的是，偏振分束器输出的两路保偏光纤和保偏光纤耦合器的两个输入保偏光纤构成的两路光路中，其中一路保偏光纤熔接在保偏光轴0度对接，另一路保偏光纤熔接是将保偏光轴90度对接后熔接。这样，经过保偏光纤耦合器合光的时候，传输光都是在同一偏振方向上。或者说，经过该光路分束与合束后，将两个正交偏振的宽谱光合并到了同一个偏振方向上，再分束输出。本发明中，将两路正交的光耦合在一起，实现了混杂的作用，从而使得光源的波长更为稳定。

本发明的波长稳定的单偏振宽谱光纤光源设计中，以减小温度引起的宽谱光纤光源的平均波长变化量为主要目标。实际使用中，光纤陀螺仅仅使用了常见的宽谱光纤光源的一个偏振方向的宽谱光，其波长稳定性能一般在100ppm(-40℃到+60℃的温度变化范围)。本发明的单偏振宽谱光纤光源本质上利用了宽谱光纤光源本身的两个偏振方向的光，将它们调整到同一偏振方向上并混合后，统计平均了其内部的波长成分，一定程度上提高了光波长稳定性。

将常规宽谱光纤光源与本发明的单偏振宽谱光纤光源进行了平均波长的温度稳定性能测试，结果如表1所示。

表1不同温度时常规宽谱光纤光源与本发明的单偏振宽谱光纤光源的波长对比

图5为与表1对应的在不同温度时常规宽谱光纤光源与本发明的宽谱光纤光源的平均波长对比试验图。

根据表1、图5可见，在-40～60℃的温度范围内，常规宽谱光纤光源的平均波长在温度范围内变化最大为1561.176-1560.991＝185pm，相对变化量约118ppm；本发明的单偏振宽谱光纤光源的平均波长变化最大为1561.104-1561.05＝54pm，相对变化量约35ppm。因此，在-40～60℃的温度范围内，本发明的光源效果明显更优。

在0～60℃的温度范围内，常规宽谱光纤光源的平均波长在温度范围内变化最大为1561.176-1561.109＝67pm，本发明的单偏振宽谱光纤光源的平均波长变化最大为1561.104-1561.097＝7pm。可见，在0～60℃的温度范围内，本发明的光源的效果远远优于常规宽谱光纤光源，本发明的光源的波长基本保持稳定，且远远优于常规宽谱光纤光源。

综合所述，该单偏振宽谱光纤光源有效改善了平均波长的全温变化环境下的稳定性。应用于光纤陀螺中，有助于改善光纤陀螺的标度因数温度稳定性，对于提高光纤陀螺的测量精度会产生一定的良好效果。

本发明中：x偏振光、y偏振光分别表示x方向的偏振光、y方向的偏振光。对接也可表述为熔接。两个光纤进行0度对接，即一个光纤的快轴、慢轴分别与另一个光纤的快轴、慢轴相互对接。两个光纤进行90度对接，即一个光纤的快轴、慢轴分别与另一个光纤的慢轴、快轴相互对接。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。