专利名称：实现光纤环形腔双向单模激射的方法及其光纤陀螺激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域特别涉及新型有源光学陀螺的核心器件-双向、单模同时激射光纤环形激光器的实现方法和结构设计。
自激光问世的30多年来，光学陀螺作为航空、航天、航海技术中的新一代惯性导航仪表以其诸多独特的优点而得以大力发展。
光学陀螺的工作原理基于Sagnac效应当一个闭合光学环路绕所在平面中轴线旋转时，环路中沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的光波将产生正比于旋转角速度Ω的相位差Δs(或频率差Δνs)，表示为Δφs=8πAλ0CΩ]]>或ΔνS=4Aλ0CΩ]]>式中L和A分别为环路的周长与所环绕的面积λ0和C分别为真空中的光波波长与波速。于是，用相位检测方法测出Δs或用差频检测方法测出Δνs即可得知旋转角速度Ω的大小。
迄令，已先后发展了三类光学陀螺，虽然有的已经实用，但均未达到其潜在的高灵敏度和高精度。环形激光陀螺(RLG)是60年代最早出现、并且已经商品化的光学陀螺。其原理示意於
图1。它是一个双向输出的单频He-Ne气体环形激光器，当环形腔绕所在平面中轴线旋转时，顺、逆时针两个方向(CW，CCW)的激射光频率将产生正比于旋转角速度Ω的频差Δνs，这种主动振荡的有源器件无需外部光源并采用差频检测方法，对周围环境的扰动不太敏感具有较高的测量精度。但器件工艺相当复热，且光路环绕面积有限特别是气体激光腔内由放电激励、气体湍流、镜面1、2、3处折射率突变等诸多复杂因素引起的光学非均匀性导致背向光散射的增强产生所谓的“闭锁”效应，使其对微小角速度的变化不敏感限制了它的灵敏度。目前，这种陀螺的漂移率达到0.01°/hr。
70年代发展起来的干涉型光纤光学陀螺(I-FOG)是一种无源器件，其工作原理基于双光束干涉效应，如图2所示。采用一个分光比为1∶1的光纤耦合器C2将光纤连成Sagnac环SL，用一束激光从C2的21端输入，经耦合器后分成等光强的两束，分别从23和24两端进入光纤环，各自沿相反方向在环内传播一周后，分别到达24和23端，再经耦合器分光并产生干洗，相位相同的两束光波(CW，CCW)合成后将从21端输出；当光纤环旋转时，环内沿顺、逆时针方向传播的两束光将产生正比于旋转角速度Ω的相位差Δs，从而导致输出光干涉条纹的移动。这种陀螺的最显著特点是不存在如激光陀螺中固有的“闭锁”效应，且光路环绕面积较大，曾指望能达到很高的灵敏度和精度。但为此需要近公里长的光纤环，且因采用相位检测技术，光纤中固有的偏振效应及其对环境因素的高度敏感而引进附加相位噪声的干扰，迄今这种陀螺的漂移率限制在0.7～0.02°/hr，尚不及激光陀螺。
环形谐振腔光纤光学陀螺(R-FOG)是80年代发展的另一种新型无源光学陀螺。如图3所示。将耦合比很高的光纤耦合器C3的交叉耦合端32和34与一段光纤相连成环形谐振腔，单频激光从耦合器31和33两端同时输入，由于耦合器的分光作用，两路光波分别在光纤环内沿顺、逆时针方向产生多光束干涉，并分别从耦合器的33和31两端输出。当环形腔旋转时，两束光之间将产生正比于旋转角速度Ω的相位差，导致两路输出光干涉条纹的相对移动。因为这种陀螺基于多光束干涉原理，从理论上预计，只需很短(约10米)的光纤即可达到上述双光束干涉型光纤陀螺同样的灵敏度，因而对环境干扰的敏感性相对减小。但需使用稳频窄线宽相干光源；且因光纤腔内的光功率密度极高，非线性光学效应又成为限制其灵敏度和精度的有害因素，迄今其漂移率限制在0.1°/hr。
因此，探索新型高精度光学陀螺的技术途径便成为当今航空、航天光电子技术的重要课题。
本发明的目的在于针对现有三类光学陀螺的不足之处，提出了一种新的双向单模输出的光纤环形激光器，以构成一种新型光学陀螺—光纤环形激光陀螺。集有源激光陀螺和无源光纤陀螺两者的优点于一体，最大限度地消除气体激光陀螺中的“闭锁”效应，避免无源光纤陀螺中相位噪声或非线性光学效应的干扰，以期实现对旋转角速度的高灵敏度与高精度测量。
实现这种陀螺的核心问题，首先是要对光纤环形激光器双向、单模、同时输出的可行性进行理论和实验的论证。
以往有关环形激光器双向振荡特性的研究。主要集中在以流体(气体或液体)作为工作介质的环形激光器上理论分析中假设其为均匀展宽或非均匀展宽的四能级系绕；并以分子运动的多普勒效应作为基本出发点；He-Ne气体环形激光器的双向、同时振荡是通过在腔内加入同位素Ne23而实现的。
从传统激光理论的概念考虑，在光纤环形激光腔中，由于顺、逆时针方向两路行波间的模式竞争，试图获得双向、单模、同时激光输出几乎是不可能的。自稀土掺杂光纤激光器问世以来的十多年中，尽管国内外学者已通过多种技术手段实现了光纤环形激光器的单模激射，但困于其双向行波模式的竞争，都无一例外地在腔内置光隔离器，将其中一个方向的激光振荡予以抑制，因而只能获得单向激光输出。究竟在固态介质的环形激光器中能否实现、以及如何实现双向、同时激光振荡的研究。至今尚未见报导。
新近，本申请人就光纤环形激光双向、单模、同时激射的问题进行了理论研究。采用的理论模型与以往工作不同的是；考虑到固体工作介质一般兼具均匀展宽与非均匀展宽的综合谱特性；取典型掺杂(如铒离子)光纤属三能级原子系统；并在环形腔内引入非均匀激发机制。利用半经典Lamb激光理论得到光纤环形腔中激光振荡模场的时域特性为En(t)=12G[An-Si(fn)(In-CnI-n)]En+RE-n+qn(t)----(2)]]>式中下标n和-n分别代表沿顺、逆时针方向，E(t)为光波电场，I为无量纲光强，qn(t)代表噪声，G为增益指数，A为与增益相关的因子，S(f)为自饱和因子，f为复频率，R为等效腔内反射率，C为耦合系数。(2)式表明，顺、逆两路行波模场通过系数C互相耦合。根据量子理论计算出理想光腔中两路行波振荡的稳态几率分布Ps(In)与耦合系数C的关系为Pn(In)=πMexp[12(an-a-nC)In-14(1-C2)In2+14a-n2]erfc(C2In-12a-n)----(3)]]>式中an＝GAn是腔内电场的增益系数。当C＜1，即处于弱耦合状态时，环形腔中顺、逆时针方向两路行波模式有近乎相同的振荡几率。理论还得出使模式耦合减弱的物理因素包括弱泵浦、低温、腔内反射及腔的旋转等。
基于上述理论研究结果实验证实了光纤环形激光器的双向、单模、同时振荡输出。为此，本发明提出一种实现光纤环形激光器双向、单模、同时振荡的方法，其特征在于包括以下措施(1)采用稀土掺杂光纤制成环形激光腔；(2)对所说的掺杂光纤环形腔进行双向对称光泵浦，构成对称双向振荡光纤环形激光器；(3)在所说的对称双向振荡光纤环形激光器中引进模式选择机制，使其工作于单纵模状态；(4)使所说的单模光纤环形激光器中的顺、逆时针方向两路振荡模场满足弱耦合条件，即其间的耦合系数C＜1，以实现双向、单模、同时行波振荡。
上述方法中的光纤环形腔光纤环形腔可采用由两个以上波分复用(WDM)光纤耦合器和掺杂光纤连成的互耦级连子环形腔构成的复合光纤环形腔；位于端部子环形腔独用的端耦合器用来输入泵浦光和输出激射光，泵浦光从端耦合器的两个自由光纤端分别经直通光纤段入环激射光，泵浦光从端耦合器的两个自由光纤端分别经直通光纤段入环，激射光则通过其与环相连的一对交叉耦合端在腔内循环，并经两自由光纤端部分透出；位于中间的公共耦合器对激射光的功率耦合比约为50％，用来实现光纤环之间的有效耦合，并控制进入中间子环形腔泵浦光功率的大小。
上述方法中所说的模式选择机制可利用复合光纤环形腔模式共振来实现，所说的复合光纤环形腔至少要有两个子环形腔的腔长L基本相等，使其共振模式的频率间隔Δν＝c/n|ΔL|大于掺杂光纤的增益谱宽，以实现激光器单纵模运转。
上述方法中所说的弱耦合条件可通过两条途径来实现一是使激光器在弱泵浦下近阈值运转，二通过所说的公共耦合器进入子环形腔的泵浦光不足以漂白其中掺杂光纤的光吸收，使之具有可饱和吸收特性，起模间去耦合作用。
本发明利用上述方法设计出一种光纤环形陀螺激光器，其特征在于所说的复合光纤环形腔相邻两个耦合器之间的掺杂光纤段长度基本相等，构成对称耦合环形腔；泵浦光的输入和激射光的输出共用一个端耦合器，所说的该端耦合器的两个自由光纤端分别与另两个耦合特性与其相同的腔外WDM耦合器相连其直通光纤端分别连接两个泵浦激光源，其交叉耦合光纤端用作激光输出，并分别连接一个光隔离器，以消除光纤端面反射对腔内激光振荡的干扰；泵浦光的输入和激射光的输出也可分别采用两个端耦合器，一个端耦合器的两个自由光纤端分别连接泵浦激光源。另一个端耦合器的两个自由端分别用作激光输出端，并各连一个光隔离器。
所说的构成复合光纤环形腔的WDM耦合器对激射波长为窄带耦合器，即其在工作波长的滤波带宽小于掺杂光纤的增益谱宽。以利压窄激光线宽。
上述的激光器，可选用属三能级系统的掺杂光纤(如掺铒光纤)，既有利于实现弱耦合条件，又因其幅射波长(1550nm)较长而有利于削弱背向散射的影响。
上述的激光器，所说的互耦级连光纤环可采用普通光纤WDM耦合器与掺杂光纤焊连构成，为消除焊点损耗引起的光反馈，最好全部采用掺杂光纤直接耦合成无焊点的级联环形腔。
本发明具有如下效果第一，与He-Ne气体环形激光器相比。光纤环形激光器由全固态介质构成，光路中可以不存在任何介质折射率突变或介质扰动因素，具有极好的光学均匀性；可以选用长波长激射的掺杂光纤作激光介质，使腔内背向光散射的干扰比He-Ne气体激光(波长为633nm)陀螺中的弱得多，因而通常气体激光陀螺中固有的“闭锁”效应可大犬减弱；而且，光纤环形激光腔环绕的面积可以做得比较大，因而可提高旋转传感灵敏度。
第二，与无源光纤陀螺相比。光纤激光陀螺无需外部光源；并采用差频技术对旋转角速度进行传感测量，可避免普通干涉型光纤陀螺中由于偏振、温度及外部环境引入的相位扰动对测量精度的影响；同时，也不存在如谐振腔式无源光纤陀螺中那样的腔内强光非线性光学效应的干扰。
附图简要说明图1为在现有技术中的一种双向输出He-Ne气体激光器构成的环形激光陀螺结构示意图；图2为在现有技术中的一种干涉型无源光纤陀螺结构示意图；图3为在现有技术中的另一种无源光纤环形腔陀螺结构示意图；图4为本发明所述的一种复合环形腔光纤激光陀螺实施例结构示意图。
本发明利用复合环形腔选模原理实现单模振荡，并利用耦合子环形腔在弱泵浦条件下的可饱和吸收特性形成模间弱耦合机制，设计出一种复合腔光纤环形陀螺激光器实施例，实现了双向、单模、同时输出。装置如图4所示采用两个尾纤输出20mW的980nm激光二极管(LD1，LD2)作泵浦源，采用1500nm工作波段、三能级系统的掺铒光纤做激光介质，光纤数值孔径0.21，对激射光波长(1550nm)和泵浦光波长(980nm)的吸收系数分别为4.57dB/m与3.29dB/m。
采用两个窄带波分复用光纤耦合器WDM41和WDM42将掺铒光纤连成主环401和子环402构成复合环形谐振腔。耦合器在中心波长1550nm处的滤波带宽为20nm(小于掺铒光纤增益谱宽40nm)；WDM41对泵浦光和激射光的功率耦合比分别为0.5％和99.5％，绝大部分泵浦光功率经411-414段或413-412段直接通入环内，而激射光则通过412-414间的强耦合形成低损耗谐振环路；WDM42对激射光的功率耦合比为50％，使两个光纤腔有效耦合，实现共振选模而对泵浦光的耦合比＞50％，使子环402处于弱激发状态两个光纤腔(401，402)的长度L1和L2取为1米。
主环形腔两端411和413分别通过波分复用光纤耦合器WDM43和WDM44与泵浦激光二极管LD1和LD2相连WDM43、WDMx对泵浦光和激射光的功率耦合比分别为0.5％和99.5％。左路LD1泵浦光先后经WDM43的431-434段和WDM41的411-414段直通进光纤环形腔，沿顺时针方向传播；右路LD2泵浦光先后经WDM44的444-441段和WDM41的413-412段直通进光纤环形腔，沿逆时针方向传播，形成对称均匀的双向泵浦。沿顺时针方向的激射光(CW)先经WDM41的412-413段出射、再经WDM44的441-443间耦合输出；沿逆时针方向的激射光(CCW)先从WDM41的414-411段出射、再WDM43的434-432间耦合输出。
为消除光纤端面的光反馈对腔内激光振荡的干扰，在WDM43和WDM44的两个激光输出端432和443分别置光隔离器ISO1和ISO2。
利用上述装置，实验证实了光纤环形陀螺激光器的双向、单模、同时振荡输出，测得激光线宽＜1GHz(受扫描干涉仪分辨率限制)。
权利要求
1.一种实现光纤环形激光器双向、单模同时激射的方法，其特征在于包括以下措施(1)采用稀土掺杂光纤制成环形激光腔；(2)对所说的掺杂光纤环形腔进行双向对称光泵浦，构成对称双向振荡光纤环形激光器；(3)在所说的对称双向振荡光纤环形激光器中引进模式选择机制，使其工作于单纵模状态；(4)使所说的单模光纤环形激光器中的顺、逆时针方向两路振荡模场满足弱耦合条件，即其间的耦合系数C＜1，以实现双向、单模同时行波振荡。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的光纤环形腔可采用由两个以上波分复用(WDM)光纤耦合器和掺杂光纤连成的互耦级连子环形腔构成的复合光纤环形腔；位于所说的复合光纤环形腔端部子环形腔独用的端耦合器用来输入泵浦光和输出激射光，泵浦光从端耦合器的两个自由光纤端分别经直通光纤段进入环形腔，激射光则通过其与环形腔相连的一对交叉耦合端在腔内循环并经两自由光纤端部分透出。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所说的复合光纤环形腔中间的公共耦合器用来实现子环形腔之间的有效耦合，对激射光的功率耦合比约为50％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的模式选择机制可利用复合腔模式共振来实现，使其共振模式的频率间隔大于掺杂光纤的增益谱宽。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的弱耦合条件可采用在弱泵浦下激光器近阈值运转来实现。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的弱耦合条件可使通过所说的公共耦合器进入中间子环形腔的泵浦光功率不足以漂白其中掺杂光纤的光吸收，使之具有起模间去耦合作用的可饱和吸收特性。
7.一种采用权利要求2所述方法的光纤环形陀螺激光器其特征在于相邻两个耦合器之间的掺杂光纤段长度基本相等，构成对称耦合环形腔，泵浦光的输入和激射光的输出共用一个端耦合器所说的端耦合器的两个自由光纤端分别与另两个耦合特性与其相同的腔外耦合器相连，所说的两个腔外耦合器的直通光纤端分别连接泵浦激光源，其用作激光输出的两个交叉耦合光纤端各连一个光隔离器。
8.一种采用权利要求2所述方法的光纤环形陀螺激光器，其特征在于相邻两个耦合器之间的掺杂光纤段长度基本相等，构成对称耦合环形腔，泵浦光的输入和激射光的输出可分别采用两个端耦合器，其中一个端耦合器的两个自由光纤端分别与泵浦激光源相连，另一个端耦合器用作激光输出的两个自由光纤端各连一个光隔离器。
9.如权利要求7或8所述的激光器，其特征还在于构成所说的复合光纤环形腔的光纤耦合器对激射波长的滤波带宽小于掺杂光纤的增益谱宽。
10.如权利要求7或8所述的激光器所说的复合光纤环形腔至少要有两个子环形腔的腔长L基本相等，使其共振模式的频率间隔Δν＝c/n|ΔL|大于掺杂光纤的增益谱宽。
11.如权利要求7或8所述的激光器其特征还在于所说的复合光纤环形腔选用三能级系统激光介质的掺杂(如铒离子)光纤。
12.如权利要求7或8所述的激光器其特征还在于所说的复合光纤环形腔采用普通光纤WDM耦合器与掺杂光纤焊连构成。
13.如权利要求7或8所述的激光器其特征还在于所说的复合光纤环形腔采用掺杂光纤直接耦合成无焊点的级联环形腔。
全文摘要
本发明涉及新型光纤陀螺激光器的实现方法和结构设计。该方法包括采用双向对称光泵浦的掺杂光纤复合环形激光腔，利用复合腔共振选模实现单模运转，通过弱泵浦下激光器近阈值运转及弱激发耦合子环的可饱和吸收特性，使激光器中的顺、逆时针方向两路行波振荡模场处于弱耦合状态，实现双向、单模同时行波振荡。与现有光学陀螺相比。基于该方法的光纤激光陀螺“闭锁”效应减弱，对相位噪声干扰不敏感，其旋转传感灵敏度和精度可大幅度提高。
文档编号H01S3/083GK1123481SQ95108298
公开日1996年5月29日 申请日期1995年7月27日 优先权日1995年7月27日
发明者彭江得, 陈晓鹏, 刘小明, 康平生 申请人:清华大学