王學(xué)勤,鄭艷彬,梁蘭菊

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院,山東 棗莊277160)

1 引 言

光纖陀螺因具有體積小、重量輕、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)在慣性導(dǎo)航和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。光纖環(huán)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(huán)抑制陀螺偏振非互易性誤差,以提高光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性[4-5]。因此,光纖環(huán)的保偏能力是影響光纖陀螺性能的重要參數(shù)。光纖陀螺工程應(yīng)用將面臨很寬的溫度范圍[6],陀螺光纖環(huán)能否在較大的溫度范圍內(nèi)保持良好的保偏能力是影響光纖陀螺工作性能穩(wěn)定性的重要因素[7]。而全面的光纖環(huán)保偏能力測(cè)試是分析光纖環(huán)保偏能力溫度穩(wěn)定性主要影響因素,并針對(duì)性進(jìn)行改進(jìn)的前提條件。

白光干涉技術(shù)通過(guò)采用不平衡干涉儀補(bǔ)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(duì)比度,能夠?qū)崿F(xiàn)光纖環(huán)偏振耦合分布的測(cè)量?，F(xiàn)有研究主要以白光干涉測(cè)試方法、儀器實(shí)現(xiàn)和測(cè)試指標(biāo)優(yōu)化為研究目標(biāo)[8-13],對(duì)光纖環(huán)全溫性能和影響因素的評(píng)估未見深入研究。本文以光纖環(huán)作為研究對(duì)象,以白光干涉儀為測(cè)試工具對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行不同溫度下的偏振耦合分布測(cè)試。從內(nèi)應(yīng)力的溫度穩(wěn)定性、光纖環(huán)整體保偏能力的溫度穩(wěn)定性、局部大耦合點(diǎn)偏振耦合幅值的溫度穩(wěn)定性三個(gè)方面進(jìn)行光纖環(huán)保偏能力穩(wěn)定性的分析,并根據(jù)變化規(guī)律,探索主要影響因素。

2 基本原理

2.1 光纖環(huán)保偏能力影響因素

目前,我國(guó)陀螺光纖環(huán)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(yīng)力型保偏光纖,通過(guò)在單模光纖包層中引入具有高熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力區(qū),使得纖芯受到各向異性的應(yīng)力,產(chǎn)生高應(yīng)力雙折射。光纖內(nèi)部的高應(yīng)力雙折射能夠減小外部擾動(dòng)對(duì)光纖中傳輸光偏振態(tài)的影響,從而實(shí)現(xiàn)偏振保持功能。因此,可以將影響光纖環(huán)保偏能力的因素分成兩類。一是內(nèi)部雙折射大小的影響,二是外部應(yīng)力的影響。

內(nèi)部應(yīng)力雙折射的大小Δn與光纖拉絲時(shí)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(duì)于特定的保偏光纖,拉絲溫度一定的情況下,改變光纖環(huán)的工作溫度將引起拉絲溫度與環(huán)境溫度差ΔT的變化,進(jìn)而影響光纖的保偏能力。因此,繞環(huán)用光纖雙折射的溫度穩(wěn)定性是影響光纖環(huán)保偏能力全溫穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。

為了保證光纖環(huán)的抗振動(dòng)性能,保偏光纖繞制成精密排列的光纖環(huán)過(guò)程中需刷膠固化,固化后的繞環(huán)膠會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生應(yīng)力。因整個(gè)環(huán)體的光纖都會(huì)被繞環(huán)膠包覆,繞環(huán)膠對(duì)光纖環(huán)保偏能力的影響是整體上的影響。

光纖環(huán)繞制通常采用四極對(duì)稱繞法,在光纖換層點(diǎn)會(huì)因光纖交疊產(chǎn)生附加應(yīng)力。因光纖換層引起的附加應(yīng)力僅存在于每一層的換層點(diǎn)附近,只對(duì)部分光纖的保偏能力產(chǎn)生影響。對(duì)于無(wú)骨架光纖環(huán),為方便安裝并保證振動(dòng)性能,還需要將光纖環(huán)的一個(gè)底面粘接到金屬結(jié)構(gòu)件上[15],則粘接面的光纖會(huì)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(shù)有很大差異,不同溫度下材料之間會(huì)受到不同程度的相互擠壓,使光纖受到外界應(yīng)力發(fā)生變化,影響光纖環(huán)的保偏能力。換層交疊應(yīng)力和底面粘接應(yīng)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(huán)保偏能力溫度穩(wěn)定性的影響因素分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是光纖環(huán)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(xiàng)外部應(yīng)力隨溫度變化在光纖中引起的偏振耦合導(dǎo)致的光纖環(huán)保偏能力變化。外部應(yīng)力因素還可以分為繞環(huán)膠對(duì)光纖環(huán)施加的整體應(yīng)力變化,以及換層點(diǎn)和粘環(huán)點(diǎn)受到的局部應(yīng)力變化。

2.2 白光干涉測(cè)量光纖環(huán)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(yīng)用[16]。如圖1所示,寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)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(cè)保偏光纖環(huán)尾纖以0°對(duì)軸熔接,則線偏振光在光纖環(huán)中激發(fā)一個(gè)偏振模式,稱為主模。當(dāng)光纖環(huán)中任一點(diǎn)受到外界應(yīng)力影響時(shí),主模中的一部分光信號(hào)耦合到正交的另一個(gè)偏振主軸中去,稱為耦合模。因保偏光纖中存在高應(yīng)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(hào)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(chǎn)生了一定的光程差(OPD)。光纖輸出的光信號(hào)經(jīng)偏振軸與光纖環(huán)偏振主軸成45°的檢偏器檢偏后投射到同一偏振方向上,當(dāng)耦合波列和主波列的光程差大于光源的相干長(zhǎng)度時(shí),信號(hào)疊加不產(chǎn)生干涉對(duì)比度。隨后光信號(hào)進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀,經(jīng)分光器將信號(hào)分成兩束,分別經(jīng)反射鏡反射后再經(jīng)分光器合光,當(dāng)干涉儀兩臂產(chǎn)生的光程差能夠補(bǔ)償耦合波列與主波列在光纖環(huán)中產(chǎn)生的光程差時(shí),耦合波列和主波列發(fā)生干涉,干涉光強(qiáng)Ic由探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。此外,當(dāng)補(bǔ)償干涉儀兩臂光程差相等時(shí),被分光器分成兩束的主波列之間及耦合波列之間也產(chǎn)生干涉,形成主干涉峰。則根據(jù)耦合干涉峰的幅值及主干涉峰的幅值可獲得光纖環(huán)中該耦合點(diǎn)的偏振耦合幅值。根據(jù)產(chǎn)生耦合干涉峰時(shí)干涉儀補(bǔ)償光程差的大小可定位耦合點(diǎn)位置[9,11]。

圖1 白光干涉儀測(cè)量光纖環(huán)保偏能力溫度穩(wěn)定性裝置圖

設(shè)光纖中第i個(gè)耦合波列與主波列的干涉峰強(qiáng)度為Ici,主干涉峰的強(qiáng)度為Im,則干耦合點(diǎn)的偏振耦合幅值可表示為:

ε=Ici/Im

(2)

耦合點(diǎn)離光纖環(huán)出光點(diǎn)的距離可以表示為:

Li=li/Δn

(3)

式中,li為產(chǎn)生第i個(gè)耦合干涉峰時(shí)干涉儀兩臂的補(bǔ)償光程差,即第i個(gè)耦合波列與主波列在光纖環(huán)中兩正交偏振主軸傳播產(chǎn)生的光程差;Δn為光纖雙折射,可按下式計(jì)算得到[17]:

Δn=l/L

(4)

式中,L為光纖環(huán)長(zhǎng)度;l為光纖環(huán)入光點(diǎn)產(chǎn)生的耦合波列與主波列在光纖環(huán)中產(chǎn)生的總光程差。連續(xù)調(diào)整補(bǔ)償干涉儀兩臂的光程差,即可測(cè)得光纖環(huán)的偏振耦合分布,從偏振耦合分布中可以分析光纖環(huán)的整體保偏能力和局部的大偏振耦合點(diǎn)特性。將光纖環(huán)放置在溫度試驗(yàn)箱中,調(diào)節(jié)光纖環(huán)的環(huán)境溫度,可以測(cè)試不同溫度下光 纖環(huán)的偏振耦合分布,分析光纖環(huán)整體保偏能力及大耦合點(diǎn)偏振耦合幅值的溫度穩(wěn)定性。在光纖環(huán)兩端,光纖環(huán)尾纖與光纖偏振器的熔接點(diǎn)雖然采用0°對(duì)軸,但因熔接存在一定對(duì)軸誤差,也會(huì)在熔點(diǎn)激發(fā)一個(gè)耦合模[18],通過(guò)對(duì)兩個(gè)熔點(diǎn)耦合干涉峰的定位,可以計(jì)算出整個(gè)光纖環(huán)中兩正交偏振主軸的總光程差l,則根據(jù)公式(4)可計(jì)算出光纖環(huán)繞環(huán)光纖的雙折射。測(cè)試不同溫度下光纖的雙折射,可以分析影響光纖環(huán)保偏能力的內(nèi)在因素,即光纖線性雙折射的溫度穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

采用熊貓型保偏光纖繞制1只光纖環(huán),繞纖長(zhǎng)度1380 m,繞制層數(shù)為48層。采用白光干涉儀測(cè)試光纖環(huán)從-40～80 ℃的偏振耦合分布,每隔20 ℃設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在不同的溫度下共獲得了7個(gè)偏振耦合分布測(cè)試結(jié)果,如圖2所示。

(a)-40 ℃

光纖環(huán)在不同溫度下偏振耦合分布的變化趨勢(shì)類似,均呈現(xiàn)出中間高,兩側(cè)低的特點(diǎn)。說(shuō)明光纖環(huán)中間位置,即內(nèi)側(cè)光纖受到的應(yīng)力較大,纏繞于外側(cè)的兩端光纖受應(yīng)力較小。光纖環(huán)偏振耦合呈梳狀分布,具有一些周期性的大偏振耦合點(diǎn),即為光纖換層點(diǎn)附近產(chǎn)生的大偏振耦合。從低溫時(shí)的偏振耦合分布測(cè)試結(jié)果中還可以明顯看出,大偏振耦合點(diǎn)呈現(xiàn)一高一低的間隔分布特點(diǎn),如圖2(a)所示。但這種一高一低的周期特點(diǎn)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(cè)試結(jié)果還可以看出,為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)光纖環(huán)的偏振耦合分布測(cè)試,白光干涉儀需要的總補(bǔ)償光程差越來(lái)越小。下面將從光纖內(nèi)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(gè)方面分析光纖環(huán)的全溫保偏能力穩(wěn)定性。

3.1 光纖雙折射的溫度穩(wěn)定性

為了分析光纖雙折射的溫度穩(wěn)定性,通過(guò)定位實(shí)驗(yàn)中光纖環(huán)兩端尾纖熔點(diǎn)引起的偏振耦合峰,計(jì)算得到光纖環(huán)在不同溫度下兩正交偏振主軸的光程差,如圖2中標(biāo)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(nèi)應(yīng)力變小,降低了應(yīng)力雙折射。根據(jù)公式(4)計(jì)算不同溫度下光纖環(huán)的線性雙折射,畫出光纖線性雙折射與溫度的關(guān)系,如圖3所示。在80 ℃時(shí),光纖雙折射相對(duì)于-40 ℃時(shí)下降了13.73 %。說(shuō)明光纖環(huán)環(huán)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(guān)系,說(shuō)明外界應(yīng)力對(duì)雙折射的影響較小,沒有明顯影響雙折射與溫度的線性關(guān)系。

圖3 光纖線性雙折射與溫度的變化關(guān)系

3.2 光纖環(huán)整體保偏能力的溫度穩(wěn)定性

為了分析光纖環(huán)整體保偏能力的溫度穩(wěn)定性,計(jì)算了不同溫度點(diǎn)整個(gè)光纖環(huán)的平均偏振耦合幅值,如圖4所示。

圖4 光纖環(huán)平均偏振耦合幅值的溫度穩(wěn)定性

可以看出,光纖環(huán)在40 ℃實(shí)現(xiàn)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(shí)偏振耦合幅值恰好也升到了-65.13 dB。

分析變化趨勢(shì)產(chǎn)生的原因,光纖環(huán)繞環(huán)膠的固化采用的是常溫下的紫外光固化。固化前,繞環(huán)膠為液態(tài)。固化過(guò)程中,紫外光源照射光纖環(huán),光纖環(huán)吸收光能溫度升高,因此固化時(shí)的光纖環(huán)溫度應(yīng)高于常溫,本實(shí)驗(yàn)中的光纖環(huán)固化時(shí)環(huán)體溫度可能達(dá)到了40 ℃左右。因此,在固化溫度附近,繞環(huán)膠對(duì)光纖產(chǎn)生的應(yīng)力最小。當(dāng)溫度偏離固化溫度時(shí),因繞環(huán)膠的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于光纖[19],熱脹冷縮均會(huì)對(duì)光纖施加一定的應(yīng)力,溫度偏差越大,光纖環(huán)整體受力越大。當(dāng)溫度降低時(shí),光纖受到的應(yīng)力增大,但光纖的內(nèi)應(yīng)力也增大,光纖本身的保偏能力增強(qiáng),兩者共同作用下,光纖環(huán)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(dāng)光纖環(huán)溫度從固化溫度升高時(shí),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(huán)膠對(duì)光纖施加的外應(yīng)力增加,兩方面共同作用使光纖環(huán)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(wěn)定性,光纖環(huán)的整體保偏能力變化量越小越好。本光纖環(huán)通過(guò)將固化溫度設(shè)置在40 ℃附近,-40～80 ℃范圍內(nèi)平均偏振耦合幅值變化量?jī)H為1.88 dB,保偏能力具有較高的穩(wěn)定性。如果光纖環(huán)的工作溫度發(fā)生變化,例如為-40 ℃ 到60 ℃,那么可以通過(guò)降低紫外光源功率,增大固化時(shí)間的方法,將固化溫度降低,進(jìn)一步縮小光纖環(huán)全溫范圍內(nèi)的偏振耦合幅值變化量。

3.3 大偏振耦合點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性

為了分析局部應(yīng)力對(duì)光纖環(huán)保偏能力的影響,選取6個(gè)換層點(diǎn)引起的大偏振耦合點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。因光纖環(huán)采用四極對(duì)稱繞法,光纖環(huán)從中點(diǎn)開始繞制,光纖環(huán)整體上關(guān)于中點(diǎn)具有較好的對(duì)稱性,因此我們只從一側(cè)取點(diǎn)。為具有一般性,選用靠近端點(diǎn)的2個(gè)(點(diǎn)1、點(diǎn)2),位于環(huán)體中間的2個(gè)(點(diǎn)3、點(diǎn)4),靠近光纖環(huán)內(nèi)側(cè)的點(diǎn)2個(gè)(點(diǎn)5、點(diǎn)6),如圖2所示?？紤]到光纖環(huán)大偏振耦合點(diǎn)在低溫具有的一高一低的間隔周期性特點(diǎn),每個(gè)位置取的兩個(gè)點(diǎn)都選取相鄰的成對(duì)的點(diǎn)。表1給出了6個(gè)換層點(diǎn)在不同溫度下的偏振耦合幅值。

表1 6個(gè)大偏振耦合點(diǎn)的偏振耦合幅值(單位:dB)

從表1中可以看出,1、4、6三個(gè)點(diǎn)在-40 ℃的偏振耦合幅值遠(yuǎn)大于各自相鄰的2、3、5三個(gè)點(diǎn),且整體上表現(xiàn)出一高一低的周期性特點(diǎn)。原因是光纖環(huán)為無(wú)骨架結(jié)構(gòu),采用了底面粘接的方式與金屬結(jié)構(gòu)件相連,那么相鄰的兩個(gè)換層點(diǎn)中只有一個(gè)位于底面,另一個(gè)位于頂面。底面的換層點(diǎn)除受到換層交疊應(yīng)力外,還受到粘接膠的應(yīng)力影響,因此受外界應(yīng)力較大,產(chǎn)生較大的偏振耦合。而位于頂面的換層點(diǎn)僅受換層應(yīng)力的影響,偏振耦合幅值較小。光纖環(huán)粘接后,粘接膠采用85 ℃高溫固化方式,在固化溫度點(diǎn)對(duì)相鄰光纖產(chǎn)生的應(yīng)力較小。與繞環(huán)膠類似,當(dāng)偏離固化溫度時(shí),粘接點(diǎn)光纖受到較大應(yīng)力影響。工作溫度與固化溫度溫差越大,受力越大,越容易產(chǎn)生大的偏振耦合。因此,在-40 ℃下,光纖環(huán)環(huán)境溫度與底面粘接膠固化溫度差異達(dá)到了125 ℃,則粘接應(yīng)力大,換層點(diǎn)偏振耦合幅值呈現(xiàn)出明顯的一高一低的周期分布特點(diǎn)。但在高溫下,粘接膠引起的附加應(yīng)力較小,頂層和底層的換層點(diǎn)受到的外界應(yīng)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(gè)點(diǎn)的偏振耦合幅值基本上呈現(xiàn)出了隨溫度升高逐漸降低的趨勢(shì),但過(guò)程中均存在一定的波動(dòng),可能與不同溫度下的受力方向有關(guān)[20-21]。外界應(yīng)力在光纖中引起的偏振耦合幅值,除與應(yīng)力大小有關(guān)外,還有應(yīng)力方向與內(nèi)應(yīng)力方向的夾角有關(guān),但因光纖環(huán)結(jié)構(gòu)是各向異性的,外應(yīng)力的方向尚不確定。因此,2、3、5三個(gè)點(diǎn)偏振耦合幅值也表現(xiàn)出了較大的波動(dòng)性,除第2個(gè)點(diǎn)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(diào)增加外,3點(diǎn)和5點(diǎn)偏振耦合幅值波動(dòng)均較大,但最小偏振耦合幅值均出現(xiàn)在40 ℃附近。此外,同一溫度下不同耦合點(diǎn)的偏振耦合幅值也存在很大差異,以80 ℃為例,雖然各換層點(diǎn)受到的交疊應(yīng)力大小方向具有一定的相似性,但各換層點(diǎn)光纖的內(nèi)應(yīng)力方向是隨機(jī)的,則即使相同的外力作用,表現(xiàn)出的偏振耦合幅值也不同,本光纖環(huán)選取的6個(gè)點(diǎn)中,80 ℃時(shí)的偏振耦合幅值差異就達(dá)到了10.74 dB。3.2部分整體偏振耦合幅值表現(xiàn)出的規(guī)律性,是因?yàn)楣饫w足夠長(zhǎng),多點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均仍然能夠體現(xiàn)出外界應(yīng)力的規(guī)律性。

4 結(jié) 論

采用白光干涉技術(shù)測(cè)試了一只保偏光纖環(huán)在-40～80 ℃范圍內(nèi)的保偏能力溫度穩(wěn)定性。從高內(nèi)應(yīng)力引起的線性雙折射溫度穩(wěn)定性,光纖環(huán)整體偏振耦合幅值的溫度穩(wěn)定性,光纖環(huán)局部大耦合點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性三個(gè)方面對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,光纖線性雙折射在測(cè)試溫度范圍內(nèi)保持了隨溫度升高線性減小的關(guān)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(huán)繞環(huán)膠的固化溫度是其整體保偏能力溫度穩(wěn)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(huán)膠對(duì)光纖的外部應(yīng)力增強(qiáng),偏振耦合幅值出現(xiàn)較快增長(zhǎng)。隨著溫度的降低,光纖本身保偏能力提高和繞環(huán)膠對(duì)光纖的外部應(yīng)力增強(qiáng)共同作用,使偏振耦合幅值緩慢增長(zhǎng),在測(cè)試溫度范圍內(nèi),光纖環(huán)平均偏振耦合幅值變化量為1.88 dB。光纖換層引起的應(yīng)力和光纖環(huán)與結(jié)構(gòu)件的粘接應(yīng)力是影響光纖環(huán)局部偏振耦合幅值增大的主要因素,使得光纖環(huán)偏振耦合呈梳狀分布。因光纖環(huán)與結(jié)構(gòu)件的粘接膠采用高溫固化,使得光纖環(huán)偏振耦合分布在低溫下呈現(xiàn)出了大偏振耦合點(diǎn)一高一低周期分布的特點(diǎn)。整體偏振耦合幅值和大耦合點(diǎn)偏振耦合幅值隨溫度的變化規(guī)律表明,繞環(huán)膠及粘接膠的固化溫度是影響光纖環(huán)保偏能力溫度穩(wěn)定性的主要外部因素。可以通過(guò)優(yōu)化繞環(huán)膠的固化條件和粘接膠的固化溫度優(yōu)化光纖環(huán)保偏能力的溫度穩(wěn)定性。