本發(fā)明涉及一種基于Sagnac干涉儀的集成光學波導中次波強度的測試方法，屬于光纖陀螺領域。

背景技術：

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，以其特有的技術和性能優(yōu)勢，如全固態(tài)結構、可靠性高、壽命長；啟動速度快，響應時間短；測量范圍大，動態(tài)范圍寬；抗沖擊、振動，耐化學腐蝕；體積小、重量輕、成本低；適合大批量生產等，已經廣泛用于各領域。

在光纖陀螺中，集成光學波導是關鍵的光學器件，Y型集成光學波導在光纖陀螺中起到分束/合束、起偏、相位調制的作用。在集成光學波導中，對光信號起調制作用的電極位于波導芯片的頂部，對主波(波導芯片中的導波)進行調制。如圖1所示，由于輸入光纖與波導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％的光衍射到波導芯片的襯底，在襯底反射后反射光中的一部分在波導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過電極的調制，次波的相位與主波存在與所加調制相關的相位誤差。而且由于次波的光程與主波的光程相近，在波導的出射端次波會和主波進行干涉，在Sagnac干涉儀中引起附加強度調制。這種次波導致的強度調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。

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

技術實現(xiàn)要素：

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

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

光源的輸出尾纖經過耦合器入射到集成光學波導，集成光學波導將入射光分為兩束并分別從光纖環(huán)的兩端進入光纖環(huán)，兩束光分別經過光纖環(huán)后在集成光學波導處干涉，干涉光經過耦合器后到達探測器。信號發(fā)生器將制定的調制信號施加在集成光學波導上，并將該調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即采集計算機，采集計算機進行次波強度計算。

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

信號發(fā)生器為集成光學波導施加光纖環(huán)本征頻率2倍的方波調制加斜波調制，通過測量鎖相放大器輸出的峰峰值，利用如下公式計算集成光學波導中次波的強度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為集成光學波導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，I_up是集成光學波導上臂的光強。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)提出了基于Sagnac干涉儀的集成光學波導中次波強度的測試方法；

(2)采用光纖器件，測試裝置搭建比較方便；

(3)測量精度高，能達到10^-10V數量級；

(4)無需破壞陀螺光路，可以在線檢測。

附圖說明

圖1是集成光學波導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是施加兩倍頻調制后次波強度調制相位誤差示意圖；

圖中：

1-光源； 2-探測器； 3-耦合器；

4-集成光學波導； 5-光纖環(huán)； 6-鎖相放大器；

7-信號發(fā)生器； 8-采集計算機。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明首先提供一種基于Sagnac干涉儀的集成光學波導中次波強度的測試裝置，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、集成光學波導4、光纖環(huán)5、鎖相放大器6、信號發(fā)生器7和采集計算機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波導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。集成光學波導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和集成光學波導4之間，所述的采集計算機8連接在鎖相放大器6的輸出端。

光源1的輸出尾纖經過耦合器3入射到集成光學波導4，集成光波導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的兩端進入并經過光纖環(huán)5后在集成光學波導4處干涉，干涉光經過耦合器3后到達探測器2。信號發(fā)生器7將指定調制信號施加在集成光學波導4上，并將該調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算機8，完成信號采集。

通過信號發(fā)生器7將固定頻率的調制信號加到集成光學波導4上，并通過采集計算機8采集輸出信號，對輸出信號進行計算得到次波強度。

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，所述的集成光學波導4為Y1588-P型Y波導,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干涉儀的集成光學波導中次波強度的測試方法，所述測試方法具體如下：

第一步，光源1的輸出尾纖經過耦合器3入射到集成光學波導4，集成光學波導4將入射光分為主波W_up與W_down兩束，入射光在經過集成光學波導4時會在上臂和下臂產生兩束次波，分別為次波W₁與次波W₂。當W_up與W_down分別經過光纖環(huán)5后，會經過集成光學波導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，但干涉波強度極小，可忽略不計。此時，到達探測器2的光強I_AC為：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄分別為次波W₁、W₂、W₃、W₄的強度，I_up和I_down為主波W_up與W_down的強度。Ф_up和Ф_down分別為主波W_up與W_down經過集成光學波導時的相位變化量，Ф_up′為次波W₁和W₃經過集成光學波導上臂時產生的相位變化量，Ф_down′為次波W₂和W₄經過集成光學波導下臂時產生的相位變化量。其中，次波W₁、W₃經過集成光學波導時經歷的光程相同，對應的相位變化量也相同，W₂、W₄經過集成光學波導時經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計算，ΔL為主波和次波在波導中傳播的光程差，λ為工作波長。公式中γ表示光源的相干函數，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的次波干涉的干涉光在通過集成光學波導時經歷的總調制相位。

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

其中，A為次波的強度，Ф₀為調制方波的直流分量。當系統(tǒng)穩(wěn)定，Ф₀由-π變化到π，解調值D的變化為一個正弦周期。

第三步，通過解調值D的峰峰值2V_p計算出次波的強度：

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

ΔL為集成光學波導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的集成光學波導，得到其次波的強度為2.38×10^-10V，對應于-91.5dB的功率耦合，測量值比集成光學波導半波電壓小10個數量級，因此，此方法可以精確測量集成光學波導中極其微弱的次波信號強度，從而為衡量集成光學調制器性能提供了一個定量的手段。