專利名稱：Y波導芯片與保偏光纖在線對軸裝置及其在線對軸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對Y波導芯片與保偏光纖在線對軸的裝置及其在線對軸方法。
背景技術：
Y波導是干涉式閉環(huán)光纖陀螺中的一個重要部件，它是在LiNbO3襯底上利用質子交換法獲得類似于單偏振導波的效應，只允許TE模通過，而阻止TM模通過，因此具有很高的偏振抑制能力。保偏光纖3作為Y波導芯片4的輸入尾纖必須與其完全對軸，即保偏光纖3的快慢軸與Y波導芯片4的快慢軸完全對準(快軸定義為x軸，慢軸定義為y)，這樣才能充分發(fā)揮Y波導芯片4的高偏振抑制能力，并且如果保偏光纖3與Y波導芯片4不能很好的對軸，就會在光纖陀螺輸入通道帶來較大的偏振交叉耦合，影響Y波導芯片4的輸出光功率及其光譜的調制度，從而對光纖陀螺帶來一定的影響。
目前，國內光纖陀螺所用的Y波導輸入尾纖對軸方法均是在顯微鏡下利用輸入保偏尾纖兩應力區(qū)與Y波導芯片橫截面的相對位置人為地去調整角度，這樣不能實現在線實時對軸，并且由于保偏光纖應力區(qū)及Y波導芯片的形狀不理想，從而導致了對軸精度不高，效率低，并且一致性差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于Y波導芯片與保偏光纖在線對軸的方法，是利用光源出射光經過Y波導后，由光譜儀采集連接點D的光譜，并用計算機解析出其對應的相干函數信息去估計Y波導芯片與其輸入尾纖對軸的角度，并將所述對軸角度反饋給執(zhí)行機構，即可實現Y波導芯片與保偏光纖在線對軸。
本發(fā)明的一種Y波導芯片與保偏光纖在線對軸裝置，包括有光源、保偏光纖、Y波導芯片、光譜儀、計算機、對軸反饋模塊和用于使保偏光纖轉動的執(zhí)行機構；光源尾纖與保偏光纖的一端以45°熔接于熔點A，保偏光纖另一端與Y波導芯片對軸于耦合點B，Y波導尾纖與光譜儀連接于連接點D，光譜儀利用GPIB采集卡與計算機連接，計算機與執(zhí)行機構連接，執(zhí)行機構作用于耦合點B。所述執(zhí)行機構，用于在接收到計算機輸出驅動指令后對保偏光纖進行轉動。所述計算機，用于對實時采集的光譜信息進行相干函數解析，獲取對軸反饋信息R，并作用于所述執(zhí)行機構。所述對軸反饋模塊由解析相干函數單元、尋峰單元、峰值比較單元組成；所述尋峰單元根據所述解析相干函數單元解析出的相干函數γ(n)進行次峰搜索分別獲得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后將所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比較單元中進行比值解析獲得對軸反饋信息R。
本發(fā)明的一種Y波導芯片與保偏光纖在線對軸方法，有下列對軸步驟第一步光譜儀將采集的光源出射光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出光源出射光經熔點A后的相干函數γ(A)，然后將所述相干函數γ(A)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得光源相干函數γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)；第二步光譜儀將采集的Y波導芯片的尾纖輸出光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出光源出射光經保偏光纖、Y波導芯片、Y波導尾纖、連接點D后的相干函數γ(D)，然后將所述Y波導后的相干函數γ(D)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得Y波導后的相干函數γ(D)上Y波導次峰幅值A(D)及Y波導次峰位置D(D)；第三步將光源次峰位置D(A)與Y波導次峰位置D(D)在峰值比較單元中進行位置比較，在Y波導后的相干函數γ(D)上獲得與光源相干函數γ(A)上的位置不同的四個次峰，即在時間t1時的第一次峰P1、在時間t2時的第二次峰P2、在時間t3時的第三次峰P3、在時間t4時的第四次峰P4；在時間t1時相干函數γ(D)的幅值為A1、在時間t2時相干函數γ(D)的幅值為A2、在時間t3時相干函數γ(D)的幅值為A3、在時間t4時相干函數γ(D)的幅值為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);]]>第四步將經第三步處理得到的幅值A4與幅值A3進行比值解析，獲得用于驅動執(zhí)行機構的對軸反饋信息R。
本發(fā)明Y波導芯片與保偏光纖在線對軸方法的優(yōu)點在于(一)通過計算機8與對軸反饋模塊的結合使用，解決了在線對軸的實時性，實現了Y波導芯片4與保偏光纖3在生產線上的自動化連接；
(二)運用對軸反饋模塊解析出的對軸反饋信息R，解決了在生產線上受保偏光纖3應力區(qū)形狀影響造成的對軸精度不高，有效地克服了不同形狀保偏光纖與Y波導芯片4的連接方式；(三)利用GPIB采集卡使光譜儀6與計算機8的配合使用，實現了Y波導芯片4與保偏光纖3工業(yè)化生產；(四)本發(fā)明采用對軸角度變化的解析方式使得Y波導芯片4與保偏光纖3準確的對軸，有效地降低了生產成本和次品率。


圖1是Y波導芯片與保偏光纖實時對軸裝置的結構示意圖。
圖2是Y波導芯片與保偏光纖實時對軸理論分析示意圖。
圖3是本發(fā)明對軸反饋模塊的處理流程框圖。
圖4是光源出射光經熔點A后的相干函數γ(A)。
圖5是θB＝15°時，光源出射光經Y波導后在連接點D處的相干函數γ(D)。
圖6是各次峰幅值隨Y波導與其輸入尾纖對軸角度變化曲線。
圖7是對軸反饋信息R隨Y波導與其輸入尾纖對軸角度變化曲線。
圖中 1.光源2.光源尾纖 3.保偏光纖 4.Y波導芯片5.Y波導尾纖 6.光譜儀 7.執(zhí)行機構 8.計算機具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種對Y波導芯片與保偏光纖在線對軸裝置，包括有光源1、保偏光纖3、Y波導芯片4、光譜儀6、計算機8、對軸反饋模塊和用于使保偏光纖3轉動的執(zhí)行機構7；光源尾纖2與保偏光纖3的一端以45°熔接于熔點A，保偏光纖3另一端與Y波導芯片4對軸于耦合點B，Y波導尾纖5與光譜儀6連接于連接點D，光譜儀6利用GPIB采集卡與計算機8(在本發(fā)明中，計算機的最低配置可以是具有128M內存，主頻900M的CPU)連接，計算機8與執(zhí)行機構7連接，執(zhí)行機構7作用于耦合點B(執(zhí)行機構7是用于對保偏光纖3與Y波導芯片4在進行對軸時，對保偏光纖3進行轉動的設備)，所述對軸反饋模塊存儲于所述計算機8的存儲器中，運用了計算機8的計算和存儲能力。在本發(fā)明中，所述對軸反饋模塊由解析相干函數單元、尋峰單元、峰值比較單元組成；所述尋峰單元根據所述解析相干函數單元解析出的相干函數γ(n)進行次峰搜索分別獲得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后將所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比較單元中進行比值解析獲得對軸反饋信息R。次峰位置信息Dn和次峰幅值信息An表示光源1出射光經其尾纖2和Y波導芯片4后的輸出光對應的相干函數上的次峰。其實質是對光譜儀6所采集的兩處不同位置的光譜對應的相干函數進行比較，得到新增次峰的幅值和位置信息。
在本發(fā)明中，所述執(zhí)行機構7，用于在接收到計算機8輸出驅動指令后對保偏光纖3進行轉動；所述計算機8，用于對實時采集的光譜信息進行相干函數解析，獲取對軸反饋信息R，并作用于所述執(zhí)行機構7。
在本發(fā)明中，光源1的尾纖2為保偏光纖，其長度L1為0.5～1.5m。保偏光纖3(也稱作Y波導芯片4的輸入尾纖)的長度L2為0.5～1.5m。請參見圖2所示，利用光源1出射光經Y波導芯片4起偏后導致相干函數中新增次峰的位置信息和幅值信息來估計保偏光纖3與Y波導芯片4在耦合點B的耦合角度，所以首先必須分析各熔接和耦合角度以及各段光纖長度對相干函數的影響。光源(SLD)1出射光包含TE模和TM模，設光源的瓊斯向量EIN=TETM]]>，光源尾纖2長度為L1，光源尾纖2與光源芯片1對軸角度為θC，保偏光纖3長度為L2，保偏光纖3與光源尾纖2對軸角度為θA(熔點A處)，保偏光纖3與Y波導芯片4對軸角度為θB(耦合點B處)，Y波導芯片4振幅消光比設為ε＝-30dB，則有光源1輸出光經過Y波導4后的瓊斯向量EOUT=Eo_xEo_y=P·R(θB)·M(L2)·R(θA)·M(L1)·R(θC)·EIN]]>，式中EO_x表示Y波導芯片4的快軸輸出光的振幅，EO_y表示Y波導芯片4的慢軸輸出光的振幅，P表示Y波導芯片4的傳輸矩陣，則P=100ϵ,]]>R(θA)表示熔點A的傳輸矩陣，則R(θA)=cosθAsinθA-sinθAcosθA,]]>R(θB)表示耦合點B的傳輸矩陣，則R(θB)=cosθBsinθB-sinθBcosθB,]]>R(θC)表示耦合點C的傳輸矩陣，則R(θC)=cosθCsinθC-sinθCcosθC,]]>M(L1)表示光源尾纖2的傳輸矩陣，則M(L1)=ejΔβL1001,j2=-1,Δβ=2πΔn/λ,]]>
Δn為光源尾纖2快慢軸折射率之差，λ為波長，M(L2)表示保偏光纖3的傳輸矩陣，則M(L2)=ejΔβL2001]]>，j2＝-1，Δβ＝2πΔn/λ，Δn為保偏光纖3快慢軸折射率之差，λ為波長。
化簡輸出光瓊斯向量EOUT得到光源1輸出光經過Y波導4后輸出的光強信息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表示光源尾纖2快軸輸出光的振幅，且Ex＝cosθC·TE+sinθC·TM，Ey表示光源尾纖2慢軸輸出光的振幅，且Ey＝-sinθC·TE+cosθC·TM，令-ExEysin(2θB)sin2θAγ(L1-L2)cos(Δβ(L1-L2))為第一調制項U，令+12(Ey2-Ex2)sin(2θA)sin(2θB)γ(L2)cos(ΔβL2)]]>為第二調制項V，令+ExEysin(2θA)cos(2θB)γ(L1)cos(ΔβL1)為第三調制項W，令+ExEysin(2θB)cos2θAγ(L1+L2)cos(Δβ(L1+L2))為第四調制項Z，γ(L1-L2)是光源相干函數γ(A)在時間t1時的大小，γ(L2)是光源相干函數γ(A)在時間t2時的大小，γ(L1)是光源相干函數γ(A)在時間t3時的大小，γ(L1+L2)是光源相干函數γ(A)在時間t4時的大小。
由式(1)可知，光源1出射光的光譜通過Y波導4后出現所述四個調制項(U、V、W和Z)，通過傅立葉逆變換將光譜變換成時域上Y波導后的相干函數γ(D)，則這四個調制項反映在相干函數γ(D)上會對應的出現四個次峰P1，P2，P3，P4，其離主峰的距離分別設為D1，D2，D3，D4，其大小分別設為A1，A2，A3，A4，則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，當光源尾纖2和保偏光纖3長度一定時，相干函數上各次峰的位置就會固定，熔點A、耦合點B和耦合點C的耦合角度只會影響次峰幅值，且有耦合角度θB=12arctg(R·2tgθAγ(L1)γ(L1+L2))]]>，當L1和L2選擇合適使得ΔβL1和Δβ(L1+L2)在光源相干函數γ(A)的平平坦區(qū)域時，θB≈12arctg(R·2tgθA)]]>，其中對軸反饋信息為R=A4A3]]>。因此可以利用第三次峰P3和第四次峰P4的幅值及其熔點A的耦合角度θA解析得到耦合點B的耦合角度θR。
在本發(fā)明中，Y波導芯片4與保偏光纖3(也稱Y波導芯片4的輸入尾纖)在線實時對軸的處理步驟是第一步光譜儀6將采集的光源1出射光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出光源1出射光的相干函數γ(A)，然后將所述相干函數γ(A)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得光源相干函數γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)，理想光源相干函數γ(A)與時間t的曲線如圖4所示，圖中，光源相干函數γ(A)除了主峰之外，無次峰。
第二步光譜儀6將采集的Y波導尾纖5輸出光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出Y波導尾纖5的相干函數γ(D)，然后將所述Y波導后的相干函數γ(D)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得Y波導后的相干函數γ(D)上Y波導次峰幅值A(D)及Y波導次峰位置D(D)。
第三步將光源次峰位置D(A)與Y波導次峰位置D(D)在峰值比較單元中進行位置比較，在Y波導后的相干函數γ(D)上獲得與光源相干函數γ(A)上的位置不同的四個次峰，即在時間t1時的第一次峰P1、在時間t2時的第二次峰P2、在時間t3時的第三次峰P3、在時間t4時的第四次峰P4；在時間t1時相干函數γ(D)的幅值為A1、在時間t2時相干函數γ(D)的幅值為A2、在時間t3時相干函數γ(D)的幅值為A3、在時間t4時相干函數γ(D)的幅值為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);]]>相干函數γ(D)與時間t的曲線如圖5所示，圖中，相干函數γ(D)除了主峰之外，還有四個次峰。
第四步將經第三步處理得到的幅值A4與幅值A3進行比值解析，獲得用于驅動執(zhí)行機構7的對軸反饋信息R。
實施例為不失一般性，設光源尾纖2的光纖長度L1＝1.5m，保偏光纖3的光纖長度L2＝1m，耦合點C的耦合角度θC＝10°，熔點A的熔接角度θA＝43°。
(A)測得光源1出射光經光源尾纖2后，至熔點A的光譜，將所述光譜利用“對軸反饋模塊”解析出對應的光源相干函數γ(A)，如圖4所示，圖中，除主峰之外，無其他次峰。
(B)將光源尾纖2與Y波導輸入尾纖3熔接，熔接角度θA，設保偏光纖3與Y波導芯片4初始對軸角度θR＝15°，則通過光譜儀6測試光譜，并利用計算機8以及對軸反饋模塊解析出Y波導后的相干函數γ(D)，如圖5所示，除主峰之外，增加了四個次峰，第一次峰P1、第二次峰P2、第三次峰P3和第四次峰P4。
(C)比較光源相干函數γ(A)與Y波導后的相干函數γ(D)，解析出Y波導后的相干函數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，如圖5所示，所述四個次峰與主峰的距離即位置分別為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，然后解析出與時間t3所對應的次峰幅值A3＝0.29911，與時間t4所對應的次峰幅值A4＝0.092211，在峰值比較單元中進行比值解析得到對軸反饋信息R=A4A3=0.316.]]>(D)執(zhí)行機構7接收到計算機8輸出的對軸反饋信息R后，驅動保偏光纖3旋轉一周(-180°～+180°)，即對軸角度θB開始變化。在旋轉過程中，四個次峰位置不會變化，只是大小隨著對軸角度θB變化而變化，如圖6所示，對軸反饋信息R=A4A3]]>隨著對軸角度的變化如圖7所示。在此過程中，計算機8實時計算對軸反饋信息R，并存儲。在初始化條件下，保偏光纖3旋轉一周所對應的對軸反饋信息中有五個特征值(如圖7所示)，即對軸信息R1、對軸信息R2、對軸信息R3、對軸信息R4、對軸信息R5。圖中，R1＝R3＝R5＞R2＝R4。在本發(fā)明中，由圖6中的第三次峰幅值A3隨Y波導4與保偏光纖3的耦合角度θB變化的曲線可知，在耦合角度θB為-180°、0°、+180°時其幅值小于耦合角度θB為-90°、+90°時的幅值，并且在實際使用中由于噪聲的存在導致對軸反饋信息R不為0，所以R1＝R3＝R6＞R2＝R4≠0(這個關系可以在計算機的顯示屏中看到)。因此，本發(fā)明在對軸信息R1或者對軸信息R3或者對軸信息R5相對應的角度上即可認為Y波導芯片4與保偏光纖3實現了完全對軸。
在本發(fā)明中，符號的物理意義見下表


權利要求
1.一種Y波導芯片與保偏光纖在線對軸裝置，包括有光源(1)、保偏光纖(3)、Y波導芯片(4)、執(zhí)行機構(7)，其特征在于還包括有光譜儀(6)、計算機(8)、以及存儲于計算機(8)存儲器中的對軸反饋模塊；光源尾纖(2)與保偏光纖(3)的一端以45°熔接于熔點A，保偏光纖(3)另一端與Y波導芯片(4)對軸于耦合點B，Y波導尾纖(5)與光譜儀(6)連接于連接點D，光譜儀(6)利用GPIB采集卡與計算機(8)連接，計算機(8)與執(zhí)行機構(7)連接，執(zhí)行機構(7)作用于耦合點B；所述執(zhí)行機構(7)，用于在接收到計算機(8)輸出驅動指令后對保偏光纖(3)進行轉動；所述計算機(8)，用于對實時采集的光譜信息進行相干函數解析，獲取對軸反饋信息R，并作用于所述執(zhí)行機構(7)；所述對軸反饋模塊由解析相干函數單元、尋峰單元、峰值比較單元組成；所述尋峰單元根據所述解析相干函數單元解析出的相干函數γ(n)進行次峰搜索分別獲得次峰位置信息Dn、次峰幅值信息An，然后將所述次峰位置信息Dn、所述次峰幅值信息An在所述峰值比較單元中進行比值解析獲得對軸反饋信息R。
2.根據權利要求1所述的在線對軸裝置，其特征在于所述光源尾纖(2)為保偏光纖，其長度L1為0.5～1.5m；所述保偏光纖(3)的長度L2為0.5～1.5m。
3.根據權利要求1所述的在線對軸裝置的在線對軸方法，其特征在于有下列步驟第一步光譜儀(6)將采集的光源(1)出射光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出光源(1)出射光經熔點A后的相干函數γ(A)，然后將所述相干函數γ(A)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得光源相干函數γ(A)上的光源次峰幅值A(A)及光源次峰位置D(A)；第二步光譜儀(6)將采集的Y波導尾纖(5)輸出光的光譜輸出給所述對軸反饋模塊，所述對軸反饋模塊對接收的光譜信息在解析相干函數單元中解析出光源(1)出射光經保偏光纖(3)、Y波導芯片(4)、Y波導尾纖(5)、連接點D后的相干函數γ(D)，然后將所述Y波導后的相干函數γ(D)在尋峰單元中進行次峰搜索，獲得Y波導后的相干函數γ(D)上Y波導次峰幅值A(D)及Y波導次峰位置D(D)；第三步將光源次峰位置D(A)與Y波導次峰位置D(D)在峰值比較單元中進行位置比較，在Y波導后的相干函數γ(D)上獲得與光源相干函數γ(A)上的位置不同的四個次峰，即在時間t1時的第一次峰P1、在時間t2時的第二次峰P2、在時間t3時的第三次峰P3、在時間t4時的第四次峰P4；在時間t1時相干函數γ(D)的幅值為A1、在時間t2時相干函數γ(D)的幅值為A2、在時間t3時相干函數γ(D)的幅值為A3、在時間t4時相干函數γ(D)的幅值為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);]]>第四步將經第三步處理得到的幅值A4與幅值A3進行比值解析，獲得用于驅動執(zhí)行機構(7)的對軸反饋信息R。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Y波導芯片與保偏光纖在線對軸方法，其在線對軸所需裝置有光源(1)、保偏光纖(3)、Y波導芯片(4)、光譜儀(6)、計算機(8)、對軸反饋模塊和用于使保偏光纖(3)轉動的執(zhí)行機構(7)；光源尾纖(2)與保偏光纖(3)的一端以45°熔接于熔點A，保偏光纖(3)另一端與Y波導芯片(4)對軸于耦合點B，Y波導尾纖(5)與光譜儀(6)連接于連接點D，光譜儀(6)利用GPIB采集卡與計算機(8)連接，計算機(8)與執(zhí)行機構(7)連接，執(zhí)行機構(7)作用于耦合點B。本發(fā)明利用光源(1)出射光經過Y波導芯片(4)后，由光譜儀(6)采集連接點D的光譜，并對所述連接點D光譜利用對軸反饋模塊解析出其相對應的相干函數信息，然后采用所述相干函數信息去解析Y波導芯片(4)與其連接的保偏光纖(3)對軸的角度以及對軸反饋信息R，并將所述對軸反饋信息R反饋給執(zhí)行機構(7)，即可實現了Y波導芯片(4)與保偏光纖(3)的在線對軸。
文檔編號G02B6/24GK101017222SQ20071006417
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月5日 優(yōu)先權日2007年3月5日
發(fā)明者伊小素, 徐小斌, 宋凝芳, 金靖, 潘雄, 李敏 申請人:北京航空航天大學