基于白光干涉的光纖環保偏能力溫度穩定性研究

王學勤,鄭艷彬,梁蘭菊

(棗莊學院光電工程學院,山東 棗莊277160)

1 引 言

光纖陀螺因具有體積小、重量輕、無轉動部件、結構設計靈活等優點在慣性導航和控制領域獲得了廣泛的應用[1-3]。光纖環是光纖陀螺的敏感部件,目前廣泛采用的全保偏和混合偏振光纖陀螺光路方案均采用保偏光纖繞環抑制陀螺偏振非互易性誤差,以提高光纖陀螺的零偏穩定性[4-5]。因此,光纖環的保偏能力是影響光纖陀螺性能的重要參數。光纖陀螺工程應用將面臨很寬的溫度范圍[6],陀螺光纖環能否在較大的溫度范圍內保持良好的保偏能力是影響光纖陀螺工作性能穩定性的重要因素[7]。而全面的光纖環保偏能力測試是分析光纖環保偏能力溫度穩定性主要影響因素,并針對性進行改進的前提條件。

白光干涉技術通過采用不平衡干涉儀補償保偏光纖器件中兩正交偏振主軸的光程差,重建主波列和耦合波列的對比度,能夠實現光纖環偏振耦合分布的測量?，F有研究主要以白光干涉測試方法、儀器實現和測試指標優化為研究目標[8-13],對光纖環全溫性能和影響因素的評估未見深入研究。本文以光纖環作為研究對象,以白光干涉儀為測試工具對光纖環進行不同溫度下的偏振耦合分布測試。從內應力的溫度穩定性、光纖環整體保偏能力的溫度穩定性、局部大耦合點偏振耦合幅值的溫度穩定性三個方面進行光纖環保偏能力穩定性的分析,并根據變化規律,探索主要影響因素。

2 基本原理

2.1 光纖環保偏能力影響因素

目前,我國陀螺光纖環主要采用熊貓型保偏光纖繞制而成。熊貓型保偏光纖是一種應力型保偏光纖,通過在單模光纖包層中引入具有高熱膨脹系數的應力區,使得纖芯受到各向異性的應力,產生高應力雙折射。光纖內部的高應力雙折射能夠減小外部擾動對光纖中傳輸光偏振態的影響,從而實現偏振保持功能。因此,可以將影響光纖環保偏能力的因素分成兩類。一是內部雙折射大小的影響,二是外部應力的影響。

內部應力雙折射的大小Δn與光纖拉絲時的玻璃軟化溫度及光纖的使用溫度之差ΔT成正比[14]:

Δn∝ΔT

(1)

對于特定的保偏光纖,拉絲溫度一定的情況下,改變光纖環的工作溫度將引起拉絲溫度與環境溫度差ΔT的變化,進而影響光纖的保偏能力。因此,繞環用光纖雙折射的溫度穩定性是影響光纖環保偏能力全溫穩定性的內在因素。

為了保證光纖環的抗振動性能,保偏光纖繞制成精密排列的光纖環過程中需刷膠固化,固化后的繞環膠會對光纖產生應力。因整個環體的光纖都會被繞環膠包覆,繞環膠對光纖環保偏能力的影響是整體上的影響。

光纖環繞制通常采用四極對稱繞法,在光纖換層點會因光纖交疊產生附加應力。因光纖換層引起的附加應力僅存在于每一層的換層點附近,只對部分光纖的保偏能力產生影響。對于無骨架光纖環,為方便安裝并保證振動性能,還需要將光纖環的一個底面粘接到金屬結構件上[15],則粘接面的光纖會受到粘接膠的影響。在不同的溫度條件下,因光纖材料、膠水等材料熱膨脹系數有很大差異,不同溫度下材料之間會受到不同程度的相互擠壓,使光纖受到外界應力發生變化,影響光纖環的保偏能力。換層交疊應力和底面粘接應力只作用于部分光纖,是影響光纖保偏能力的局部因素。

綜上,可以將影響光纖環保偏能力溫度穩定性的影響因素分為內部因素和外部因素。內部因素是光纖環使用溫度與拉絲溫度的溫度差變化引起的線性雙折射的變化。外部因素是各項外部應力隨溫度變化在光纖中引起的偏振耦合導致的光纖環保偏能力變化。外部應力因素還可以分為繞環膠對光纖環施加的整體應力變化,以及換層點和粘環點受到的局部應力變化。

2.2 白光干涉測量光纖環保偏能力原理

白光干涉儀基于不平衡干涉儀中寬帶光源的應用[16]。如圖1所示,寬帶光源發出的光信號經光纖偏振器起偏后變成線偏振光,光纖偏振器的尾纖與被測保偏光纖環尾纖以0°對軸熔接,則線偏振光在光纖環中激發一個偏振模式,稱為主模。當光纖環中任一點受到外界應力影響時,主模中的一部分光信號耦合到正交的另一個偏振主軸中去,稱為耦合模。因保偏光纖中存在高應力雙折射,兩正交偏振主軸的折射率不一致,則主模和耦合模光信號的傳播速度不一致,使得在光纖輸出端主波列和耦合波列間產生了一定的光程差(OPD)。光纖輸出的光信號經偏振軸與光纖環偏振主軸成45°的檢偏器檢偏后投射到同一偏振方向上,當耦合波列和主波列的光程差大于光源的相干長度時,信號疊加不產生干涉對比度。隨后光信號進入補償干涉儀,經分光器將信號分成兩束,分別經反射鏡反射后再經分光器合光,當干涉儀兩臂產生的光程差能夠補償耦合波列與主波列在光纖環中產生的光程差時,耦合波列和主波列發生干涉,干涉光強Ic由探測器進行探測。此外,當補償干涉儀兩臂光程差相等時,被分光器分成兩束的主波列之間及耦合波列之間也產生干涉,形成主干涉峰。則根據耦合干涉峰的幅值及主干涉峰的幅值可獲得光纖環中該耦合點的偏振耦合幅值。根據產生耦合干涉峰時干涉儀補償光程差的大小可定位耦合點位置[9,11]。

圖1 白光干涉儀測量光纖環保偏能力溫度穩定性裝置圖

設光纖中第i個耦合波列與主波列的干涉峰強度為Ici,主干涉峰的強度為Im,則干耦合點的偏振耦合幅值可表示為:

ε=Ici/Im

(2)

耦合點離光纖環出光點的距離可以表示為:

Li=li/Δn

(3)

式中,li為產生第i個耦合干涉峰時干涉儀兩臂的補償光程差,即第i個耦合波列與主波列在光纖環中兩正交偏振主軸傳播產生的光程差;Δn為光纖雙折射,可按下式計算得到[17]:

Δn=l/L

(4)

式中,L為光纖環長度;l為光纖環入光點產生的耦合波列與主波列在光纖環中產生的總光程差。連續調整補償干涉儀兩臂的光程差,即可測得光纖環的偏振耦合分布,從偏振耦合分布中可以分析光纖環的整體保偏能力和局部的大偏振耦合點特性。將光纖環放置在溫度試驗箱中,調節光纖環的環境溫度,可以測試不同溫度下光 纖環的偏振耦合分布,分析光纖環整體保偏能力及大耦合點偏振耦合幅值的溫度穩定性。在光纖環兩端,光纖環尾纖與光纖偏振器的熔接點雖然采用0°對軸,但因熔接存在一定對軸誤差,也會在熔點激發一個耦合模[18],通過對兩個熔點耦合干涉峰的定位,可以計算出整個光纖環中兩正交偏振主軸的總光程差l,則根據公式(4)可計算出光纖環繞環光纖的雙折射。測試不同溫度下光纖的雙折射,可以分析影響光纖環保偏能力的內在因素,即光纖線性雙折射的溫度穩定性。

3 實驗與討論

采用熊貓型保偏光纖繞制1只光纖環,繞纖長度1380 m,繞制層數為48層。采用白光干涉儀測試光纖環從-40～80 ℃的偏振耦合分布,每隔20 ℃設置一個測試點。在不同的溫度下共獲得了7個偏振耦合分布測試結果,如圖2所示。

(a)-40 ℃

光纖環在不同溫度下偏振耦合分布的變化趨勢類似,均呈現出中間高,兩側低的特點。說明光纖環中間位置,即內側光纖受到的應力較大,纏繞于外側的兩端光纖受應力較小。光纖環偏振耦合呈梳狀分布,具有一些周期性的大偏振耦合點,即為光纖換層點附近產生的大偏振耦合。從低溫時的偏振耦合分布測試結果中還可以明顯看出,大偏振耦合點呈現一高一低的間隔分布特點,如圖2(a)所示。但這種一高一低的周期特點隨著溫度升高逐漸變得不明顯,如圖2(g)所示。比較不同溫度下的測試結果還可以看出,為了實現整個光纖環的偏振耦合分布測試,白光干涉儀需要的總補償光程差越來越小。下面將從光纖內部影響因素、整體的外部影響因素,局部的外部影響因素三個方面分析光纖環的全溫保偏能力穩定性。

3.1 光纖雙折射的溫度穩定性

為了分析光纖雙折射的溫度穩定性,通過定位實驗中光纖環兩端尾纖熔點引起的偏振耦合峰,計算得到光纖環在不同溫度下兩正交偏振主軸的光程差,如圖2中標注?？梢?兩正交偏振主軸光程差隨著溫度的升高,光程差逐漸減小。原因是溫度越高,光纖溫度與熔融拉絲溫度的差值越小,則內應力變小,降低了應力雙折射。根據公式(4)計算不同溫度下光纖環的線性雙折射,畫出光纖線性雙折射與溫度的關系,如圖3所示。在80 ℃時,光纖雙折射相對于-40 ℃時下降了13.73 %。說明光纖環環境溫度越低,其本身的保偏能力越好。光纖雙折射與溫度成良好的線性關系,說明外界應力對雙折射的影響較小,沒有明顯影響雙折射與溫度的線性關系。

圖3 光纖線性雙折射與溫度的變化關系

3.2 光纖環整體保偏能力的溫度穩定性

為了分析光纖環整體保偏能力的溫度穩定性,計算了不同溫度點整個光纖環的平均偏振耦合幅值,如圖4所示。

圖4 光纖環平均偏振耦合幅值的溫度穩定性

可以看出,光纖環在40 ℃實現了最高的保偏能力,平均偏振耦合幅值最低,為-67.01 dB。從40 ℃開始,隨著溫度的降低,偏振耦合幅值逐漸增大,在-40 ℃下偏振耦合幅值升到了-65.13 dB。從40 ℃開始,隨著溫度的升高,偏振耦合幅值也逐漸增大,在80 ℃時偏振耦合幅值恰好也升到了-65.13 dB。

分析變化趨勢產生的原因,光纖環繞環膠的固化采用的是常溫下的紫外光固化。固化前,繞環膠為液態。固化過程中,紫外光源照射光纖環,光纖環吸收光能溫度升高,因此固化時的光纖環溫度應高于常溫,本實驗中的光纖環固化時環體溫度可能達到了40 ℃左右。因此,在固化溫度附近,繞環膠對光纖產生的應力最小。當溫度偏離固化溫度時,因繞環膠的熱膨脹系數遠高于光纖[19],熱脹冷縮均會對光纖施加一定的應力,溫度偏差越大,光纖環整體受力越大。當溫度降低時,光纖受到的應力增大,但光纖的內應力也增大,光纖本身的保偏能力增強,兩者共同作用下,光纖環的保偏能力的緩慢劣化,從40 ℃ 到-40 ℃,共80 ℃的溫差下光纖平均偏振耦合幅值從-67.01 dB提高到了-65.13 dB。當光纖環溫度從固化溫度升高時,一方面光纖本身的雙折射降低使得保偏能力變差,另一方面因繞環膠對光纖施加的外應力增加,兩方面共同作用使光纖環的保偏能力快速劣化,從40～80 ℃,共40 ℃的溫差就使光纖平均偏振耦合幅值從-67.01 dB提高到了-65.13 dB。為了保持光纖陀螺的全溫性能穩定性,光纖環的整體保偏能力變化量越小越好。本光纖環通過將固化溫度設置在40 ℃附近,-40～80 ℃范圍內平均偏振耦合幅值變化量僅為1.88 dB,保偏能力具有較高的穩定性。如果光纖環的工作溫度發生變化,例如為-40 ℃ 到60 ℃,那么可以通過降低紫外光源功率,增大固化時間的方法,將固化溫度降低,進一步縮小光纖環全溫范圍內的偏振耦合幅值變化量。

3.3 大偏振耦合點的溫度穩定性

為了分析局部應力對光纖環保偏能力的影響,選取6個換層點引起的大偏振耦合點進行統計分析。因光纖環采用四極對稱繞法,光纖環從中點開始繞制,光纖環整體上關于中點具有較好的對稱性,因此我們只從一側取點。為具有一般性,選用靠近端點的2個(點1、點2),位于環體中間的2個(點3、點4),靠近光纖環內側的點2個(點5、點6),如圖2所示。考慮到光纖環大偏振耦合點在低溫具有的一高一低的間隔周期性特點,每個位置取的兩個點都選取相鄰的成對的點。表1給出了6個換層點在不同溫度下的偏振耦合幅值。

表1 6個大偏振耦合點的偏振耦合幅值(單位:dB)

從表1中可以看出,1、4、6三個點在-40 ℃的偏振耦合幅值遠大于各自相鄰的2、3、5三個點,且整體上表現出一高一低的周期性特點。原因是光纖環為無骨架結構,采用了底面粘接的方式與金屬結構件相連,那么相鄰的兩個換層點中只有一個位于底面,另一個位于頂面。底面的換層點除受到換層交疊應力外,還受到粘接膠的應力影響,因此受外界應力較大,產生較大的偏振耦合。而位于頂面的換層點僅受換層應力的影響,偏振耦合幅值較小。光纖環粘接后,粘接膠采用85 ℃高溫固化方式,在固化溫度點對相鄰光纖產生的應力較小。與繞環膠類似,當偏離固化溫度時,粘接點光纖受到較大應力影響。工作溫度與固化溫度溫差越大,受力越大,越容易產生大的偏振耦合。因此,在-40 ℃下,光纖環環境溫度與底面粘接膠固化溫度差異達到了125 ℃,則粘接應力大,換層點偏振耦合幅值呈現出明顯的一高一低的周期分布特點。但在高溫下,粘接膠引起的附加應力較小,頂層和底層的換層點受到的外界應力主要是光纖換層引起的,則這種一高一低的周期分布不明顯。1、4、6三個點的偏振耦合幅值基本上呈現出了隨溫度升高逐漸降低的趨勢,但過程中均存在一定的波動,可能與不同溫度下的受力方向有關[20-21]。外界應力在光纖中引起的偏振耦合幅值,除與應力大小有關外,還有應力方向與內應力方向的夾角有關,但因光纖環結構是各向異性的,外應力的方向尚不確定。因此,2、3、5三個點偏振耦合幅值也表現出了較大的波動性,除第2個點在40 ℃具有最小偏振耦合幅值,且溫度升高和降低偏振耦合幅值均單調增加外,3點和5點偏振耦合幅值波動均較大,但最小偏振耦合幅值均出現在40 ℃附近。此外,同一溫度下不同耦合點的偏振耦合幅值也存在很大差異,以80 ℃為例,雖然各換層點受到的交疊應力大小方向具有一定的相似性,但各換層點光纖的內應力方向是隨機的,則即使相同的外力作用,表現出的偏振耦合幅值也不同,本光纖環選取的6個點中,80 ℃時的偏振耦合幅值差異就達到了10.74 dB。3.2部分整體偏振耦合幅值表現出的規律性,是因為光纖足夠長,多點的統計平均仍然能夠體現出外界應力的規律性。

4 結 論

采用白光干涉技術測試了一只保偏光纖環在-40～80 ℃范圍內的保偏能力溫度穩定性。從高內應力引起的線性雙折射溫度穩定性,光纖環整體偏振耦合幅值的溫度穩定性,光纖環局部大耦合點的溫度穩定性三個方面對測試結果進行了分析。結果表明,光纖線性雙折射在測試溫度范圍內保持了隨溫度升高線性減小的關系,溫度越高,光纖本身的保偏能力越弱,在80 ℃的雙折射比-40 ℃降低了13.73 %。光纖環繞環膠的固化溫度是其整體保偏能力溫度穩定性主要外部影響因素,在40 ℃平均偏振耦合幅值取得最小值為-67.01 dB。隨著溫度升高,光纖本身保偏能力減弱和繞環膠對光纖的外部應力增強,偏振耦合幅值出現較快增長。隨著溫度的降低,光纖本身保偏能力提高和繞環膠對光纖的外部應力增強共同作用,使偏振耦合幅值緩慢增長,在測試溫度范圍內,光纖環平均偏振耦合幅值變化量為1.88 dB。光纖換層引起的應力和光纖環與結構件的粘接應力是影響光纖環局部偏振耦合幅值增大的主要因素,使得光纖環偏振耦合呈梳狀分布。因光纖環與結構件的粘接膠采用高溫固化,使得光纖環偏振耦合分布在低溫下呈現出了大偏振耦合點一高一低周期分布的特點。整體偏振耦合幅值和大耦合點偏振耦合幅值隨溫度的變化規律表明,繞環膠及粘接膠的固化溫度是影響光纖環保偏能力溫度穩定性的主要外部因素。可以通過優化繞環膠的固化條件和粘接膠的固化溫度優化光纖環保偏能力的溫度穩定性。