一种降低反射式光纤电流计零漂的方法

周柯江，魏 兵，朱敬礼，李宇波，2

(1.浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州310027;2.浙江大学唐仲英传感材料及应用中心，浙江杭州310027)

1 引言

反射式光纤电流计因安全性高、无磁滞饱和、测量范围大、结构简单等优点，受到各国研究者的重视。我国发改委今年起准备投资18亿支持全光纤电流计的研制及产业化。

目前，由于实际系统中的光学器件不是完全理想的，系统存在偏振光之间的串扰，表现为引入了非法拉第相移的其他非互易相移，在无电流情况下，系统输出不为零，即出现零漂现象。对于零漂大的电流计，无法判断其输出是漂移还是有较小的电流，成为产业化过程中亟待解决的问题。因此，有必要对反射式光纤电流计的零漂进行研究。

本文针对反射式光纤电流传感系统，首先分析了起偏器消光比对系统标度因子的影响，接着通过分析系统偏振串扰得到了提高消光比可降低零漂的结论，进而提出了一种降低反射式光纤电流计零漂的方法，并通过实验对该方法的有效性进行了验证。

2 系统原理与结构

反射式光纤电流计系统框图如图1［1－3］所示。由光源发出的光经过3dB耦合器，再经过起偏器后变为线偏振光，后经45°熔接点，一束线偏振光变为两束相互垂直的线偏振光，分别沿保偏光纤的X轴及Y轴传播，经1/4波片后两束线偏振光分别转变为左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，当两束圆偏振光通过传感光纤时，由于电流产生磁场的法拉第效应，两束光之间产生法拉第相差;接着两束圆偏振光传输到光纤末端，由于反射镜的作用，两束光偏振态发生翻转并按原光路返回，再次经过传感光纤时，两束光由于法拉第效应而产生的相位差加倍，传至1/4波片处圆偏振光转变为两束模式正交的线偏振光，最后携带法拉第相移的光在起偏器处发生干涉。干涉后的光进入光电探测器，得到光强信号，经过信号处理可解调出被测电流大小。

图1 反射式光纤电流计系统框图

3 仿真与分析

3.1 系统建模

在起偏器不理想并假设系统中其他器件均为理想器件的情况下，可用以下琼斯矩阵表示光路中各偏振器件的偏振特性［4－5］。

(1)光纤起偏器P

其中，ε表示电矢量在消光轴和透光轴方向上各自的振幅比，用T= －10logε2表示消光比。

(2)45°熔接点字母S

(3)相位调制器Z

式中，ψ(t－τ)表示t－τ时刻相位调制器的调制相位;ψ(t)表示t时刻相位调制的调制相位。

(4)四分之波片R

其中，θ=VNI;V表示费尔德常数;N为传感光纤匝数;I为被测电流。

(6)末端反射镜M

输出光矢量的表达式:

则输出光强:

其中，Δφ=ψ(t－τ)－ψ(t)，表示由于相位调制引入的非互易相位差。

对于开环解调方案，解调之后的相位差为:

归一化标度因子:

通过仿真可得归一化标度因子与消光比的关系如图2所示。

图2 归一化标度因子与消光比的关系

归一化标度因子反映了实际测试结果与理想结果的比例关系。可见，当消光比越大时，归一化标度因子越接近于1，即消光比越大，测试结果越接近理想值。

3.2 系统偏振串扰分析

上述分析未考虑系统中的偏振耦合点，实际的反射式全光纤电流计系统存在偏振串扰问题，我们考虑如图3所示的系统。在距离45°熔点l1长度之后有一偏振耦合点Q，耦合点之后的所有器件看作偏振器件N，耦合点Q之后部分，长度记为l2。

图3 系统偏振耦合模型图

由于起偏器消光比不理想，输入光波经过起偏器后变为沿透光轴方向的光波A1和沿消光轴方向的A2，经过45°熔点后这两束光波分别分解为偏振方向垂直的光波A11，A12和A21，A22，这四束光波继续传播，经过偏振耦合点Q及偏振器件N。为了简化分析过程，我们只考虑光波第一次经过耦合点Q时发生偏振耦合的情况，而不考虑返回过程的偏振耦合。这样当光波再次返回45°熔点时可分为三类，分别是未发生任何耦合但偏振态翻转的主光波对A11，A12和A21，A22，由光波A11，A12分别耦合到正交偏振轴后的耦合光波对A112，A121，由光波A21，A22分别耦合到正交偏振轴后的耦合光波对A212，A221，这4对光波经过45°熔点后分解为16束光波如图4所示。

图4 系统偏振态演变图

所有光波到达起偏器处干涉情况如下

(1)由主光波对 A11，A12及 A21，A22分解得到的光波对 A1k1，A2k1及 A1k2，A2k2(k=1，2)，产生主干涉信号，干涉相位差仅为传感头部分引入的非互易相位差。

(2)耦合光波对A112，A121因经历了一次偏振耦合，经整个传输过程后其光程不相同，这两束光的相移分别为

式中，βx为保偏光纤X偏振轴传播常数，βy为保偏光纤Y偏振轴传播常数。两束光波之间的非互易相位差表示为:

由公式(6)知，耦合点距离45°熔点越近，产生的非互易相差就越小。光波A112，A121经过45°熔点后分解为 A1i1，A1i2(i=12，21)，光波 A1i1与 A1k1偏振方向相同，A1i2与A1k2偏振方向相同，它们之间发生干涉，总的相位误差正比于ε［6］。同理，耦合光波A212，A221经过45°熔点，分解后的光波的干涉及它们与对应主波干涉所引入的相位误差也正比于ε。

4 实验测试与分析

由以上分析可知，当反射式光纤电流计系统的起偏器消光T越大时，系统归一化影响因子越趋于1，且引入的相位误差越小，即系统的零漂降低，稳定性提高。目前，光纤起偏器的消光比在25 dB左右，难以满足高精度光纤电流计的要求。铌酸锂Y波导集成光学器件具有低损耗、低电压、单偏振、宽工作温度范围、高稳定性性等优点［7］，尤其是其偏振消光比可达到60 dB以上，被广泛应用在光纤陀螺系统中。该器件制作工艺成熟，为此，将其应用于光纤电流计系统中，提高系统性能。

为了验证提高消光比可以降低零漂，提高系统稳定性，搭建了两套系统，分别如图1和图5所示。图5系统将Y波导集成光学器件倒向使用，三个端口分别与SLD，PINFET及相位调制器熔接，其余部分与原系统(图1)一致。

图5 倒向使用Y波导结构系统框图

实验过程中，使用光源为1310 nm SLD，PINFET型号为MFT915，锁相放大器为SR830，通过数据采集卡分别采集两套系统的零漂数据，每系统测试3 h，图6是实验得到的长期零漂测试结果，通过计算实验数据可得，系统零漂从11.1 A降到1.58 A，利用Y波导结构明显降低了零漂，提高了反射式光纤电流计输出稳定性。这与理论分析是一致的。

图6 长期零漂测试结果

5 结论

针对反射式光纤电流计的零漂问题，首先推导了反射式光纤电流计系统起偏器消光比与归一化标度因子的关系式，接着分析了消光比对偏振串扰的影响，在此基础上得出了提高消光比可减低零漂，改善系统稳定性的结论。最后搭建了两种结构的实验系统，通过实验发现，倒向使用Y波导后，系统零漂从11.1 A降低到1.58 A，该结果有力验证了理论的正确性。

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