基本介紹
- 中文名：非互易性
- 外文名：nonreciprocity
- 特性：電磁損耗、相移
錐形光纖微球腔諧振陀螺光學模式非互易性,錐形光纖倏逝場仿真,實驗與結果分析,光纖環的熱致非互易性噪聲理論與實驗,光纖環的非互易性溫度噪聲,光纖環的溫度場建模與分析,
錐形光纖微球腔諧振陀螺光學模式非互易性
通過Rsoft軟體對錐形光纖倏逝場能量分布特性進行仿真，從理論上分析錐形光纖激發微諧振腔非互易性產生的原因。實驗中，光纖熔融二氧化矽微球腔通過高精度三維調節架沿光纖方向移動，每次移動相同距離選取測試點，記錄光源正反傳輸情況下微球腔諧振譜線，得到諧振譜線特徵參量隨倏逝場變化的非互易性變化規律。通過計算微球腔理論鑒頻曲線獲得非互易性對陀螺動態範圍與靈敏度的影響，並提出抑制方法。
錐形光纖倏逝場仿真
為了解錐形光纖倏逝場傳輸特性，利用Rsoft軟體對錐形光纖錐區能量分布進行仿真，觀察倏逝場的分布形式。
設定光纖輸入端直徑為9μm，長度為500μm，漸變區長度為100μm，錐區直徑為2.5μm，長度為100μm。輸出端與入射端對稱，整個結構成中心對稱圖形。錐形光纖光能量傳輸與激發倏逝場能量分布可以看出，在入射端z=0到z=450μm的位置，光能量完全被束縛在光纖內部，從z=450μm位置進入光纖錐區，直徑開始逐漸變小，當減小到d≈4μm時，光能量開始以倏逝場的形式向空間擴散，在入射端的錐區達到最強，並逐漸擴散衰減，到達輸出端完全以光能量的形式在光纖內部傳輸，可以從不同光纖橫截面的能量分布直觀地看出光能的分布形式。由此可見，以錐形光纖倏逝場激發的光學諧振腔耦合模式，在除錐區中心點外的位置發生耦合諧振時，當輸入輸出端調換後，由於產生的倏逝場能量密度的改變，必然引入非互易性偏差。
實驗與結果分析
實驗中使用的微球腔採用SMF-28單模光纖氫火焰熔融法製備，首先去除光纖表層的塗覆層，在氫火焰的高溫下融化，熔融後的光纖在自身材料表面張力的作用下形成了球體；錐形光纖的製備採用拉錐機，通過控制氫火焰的溫度與步進電機轉速，控制拉錐速度和錐區長度，實現錐形光纖的超低損耗(0.29dB)。拉錐長度為26mm，纖錐直徑約為2.5μm，此參數的錐形光纖可以有效地激發微球諧振腔的高Q模式。
使用波長可調節範圍為1520~1570nm的Velocity6328半導體可調諧雷射器作為光源，實驗中使用中心波長為 1550nm的信號發生器對雷射器進行外部調製，調製電壓為1V，調製頻率為50Hz。使用高精度三位調節架調節耦合狀態，高倍CCD進行調節觀測，測試中儘量降低環境噪聲對測試結果的影響。
實驗中通過保偏跳線連線雙錐光纖輸入端，錐形光纖錐腰直徑約為2.5μm時，損耗較低僅為0.5dB~0.7dB，入射光在經過光纖錐區部分時會產生倏逝場，從而激發微球腔高Q模式，光纖輸出端通過保偏跳線連線到光電探測器轉換為電信號，通過示波器實時跟蹤讀取。雷射器輸出端連線1連線埠，作為光源的輸入，2連線埠輸出，與光電探測器相連。通過高精度三維調節架，調節微球腔與錐形光纖的耦合位置，從靠近1連線埠的錐區開始處，沿著漸變區向錐區中心位置水平移動，保持微球腔豎直赤道面低端與錐形光纖相切，水平位移每次調節相同距離取測試點，記錄輸出透射譜數據，保持耦合位置不變，將輸入輸出端對調，即將雷射器光源接 2 連線埠作為輸入端、光電探測器接1連線埠作為輸出端，記錄輸出透射譜，直到微球腔移動接近光纖錐區的中心點位置。實驗中將錐形光纖接頭固定在光學平台上，正反傳輸端對換過程中，只調整雷射器與光電探測器連線的保偏跳線，減少單模錐形光纖尾纖的扭曲產生的偏振噪聲對測試結果造成影響。
在沿光纖方向記錄耦合位置水平移動過程中，光從錐形光纖通過正反傳輸，從透射峰的耦合效率差值、諧振中心頻率偏差Q值偏差擬合後，可以看出整體的變化趨勢，其諧振中心頻率偏差Q值偏差隨著耦合位置接近錐形光纖中心點逐漸減小，最終接近零，這說明在錐區中心位置，錐形光纖與微球腔耦合系統具有較良好的互易性。
錐形光纖倏逝場激發微球腔諧振式陀螺系統中非互易特性對陀螺系統影響較大，諧振式光學陀螺的基礎理論是Sagnac效應，在諧振腔旋轉的過程中，通過檢測正向傳輸(CW)與反向傳輸(CCW)兩路輸出透射譜的頻差，根據錐形光纖激發微球腔非互易性引入的諧振峰值偏差，直接影響陀螺的動態範圍與角速度敏感狀態。對錐形光纖倏逝場激發微球腔透射譜進行高斯擬合，使用Matlab進行微分運算，得出鑒頻曲線。
光纖環的熱致非互易性噪聲理論與實驗
研究了光纖環非穩態傳熱過程中的非互易相位噪聲特性。根據光纖陀螺在實際套用中環境溫度的干擾，通過有限差分法，建立了光纖環時變溫度場分布模型，對光纖環在非穩態傳熱 過程中的溫度場進行了模擬分析。在此 基礎上，針對不同繞制結構的光纖環，對其溫度漂移進行了數值模擬和比較。實驗表明，交叉子繞線方案能更好地抑制光纖環熱致非互易噪聲的影響，從而能提高幹涉型光纖陀螺的長期漂移精度。
光纖環的非互易性溫度噪聲
光纖環的4極對稱繞法一定程度上可以降低這種非互易性相移的影響。四極對稱繞法的特點是以4層光纖線圈為周期，主要保證光纖上關於中點對稱的部分在結構上處於接近的位置，從而這些關於中點對稱的部分在同一時刻所經歷的溫度梯度接近相同。
實際上，光纖環非常敏感，在使用中光纖環本體還會受到溫度場 、應力場 、線圈之間使用的介質的導熱係數 、楊氏模量等因素的影響。藉助Matlab軟體建立模型，通過有限差分法分析得到光纖環的溫度場分布，在此基礎上分析四極子繞法中的殘存溫度引起的非互易性相移，進而引入另一種改進的光纖 環繞 法，更好地抑制了光纖環的溫度零漂。
光纖環的溫度場建模與分析
實際工作中，光纖環所處的溫度環境比較複雜。光纖陀螺裝配時，光纖環中央放置的電路板是主要熱源之一。此時，光纖環會產生徑向溫度梯度和軸向溫度梯度，關於時間變化的溫度梯度所產生的相關誤差可以表示軸向溫度梯度與光纖所在層數距線圈底端的距離有關，徑向溫度梯度與距光纖起始端的長度有關。
模擬分析單模光纖環，採用四極對稱繞法，尺寸為Υ40mm，光纖總長500m。沿R徑向共16層，Z軸向100匝，空間步長為1mm，時間步長為5s。分析了從0時刻起1h的溫度場。結合公式代入相關的物性參數。可以清晰地看到沿R徑向層數增加，溫度遞減。結合各層間溫度差值和公式可得到四極對稱光纖環各層間溫差引起的非互易性相移值。四極對稱光纖環以四層為一個空間周期，四極對稱光纖環四個空間周期的非互易性相移，單位為10-5rad。可見，四極對稱光纖環繞法仍然會產生相對較大殘餘的瞬態溫度零漂。
針對四極對稱光纖環繞法產生的相應溫度相移的特點，採用另一種光纖環的繞法，即交叉子光纖環繞法 ，以用來改善光纖環溫差引起的非互易性相移。這種交叉子繞線方法能夠對上述四極對稱光纖環產生的殘餘溫度漂移有一定改善。
為簡化分析過程，假設光纖環相對地靜止，t=0時，光纖環的溫度場分布均勻，為室溫25 ℃；t>0時，光纖環被放置於40℃的恆溫環境中，與環境發生熱交換，重新建立穩態溫度場。在此環境模型中，理論計算得到四極子和交叉子繞線方法下的光纖環溫度零漂(非互易性相移)曲線對比。後者較之前者的溫度零漂減弱了5倍，穩定時間縮短了1倍。
