[发明专利]一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器

说明书

本发明公开了一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，由全反射分束区、隧穿区、和光子带隙循环区构成；Y型分支贯穿整个全反射分束区；隧穿区中存在锥型过渡结构，用于引导全反射分束区中的光束进入光子带隙循环区，同时阻止光子带隙循环区中的光返回全反射分束区；介质柱阵列覆盖整个分束器结构，作用是减小光束在全反射分束区和隧穿区中的弯曲及泄漏损耗，并在光子带隙循环区3中利用光子带隙效应对光束进行分束和循环引导。相比目前Sagnac光纤干涉仪所使用的分束器件，本发明具有单向传输、低损耗、可实现光路循环传输的特点，在不增加实际光路长度的前提下增加光程，大大提高Sagnac光纤干涉仪的测量精度。

技术领域

本发明提出了一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，涉及光纤传感器，尤其是Sagnac光纤传感器领域。

背景技术

Sagnac干涉仪是一种基于Sagnac效应的干涉型传感器，这是一种测量旋转角速度的环形干涉器，已被广泛应用于导航，制导等领域；若由外界物理量的变化引起Sagnac相移，也可应用于温度、位移、压力传感。其工作原理为：将同一光源发出的光束分解为两束，一束沿环路进行顺时针传输，另一束沿环路进行逆时针传输，通过检测两束光束的相位差确定环路的旋转角速度Ω，式中ω是光源角频率，A是环路区域面积，c是光束在真空中的传播速度。

Sagnac光纤干涉仪是Sagnac干涉仪的光纤形式，利用光纤环作为敏感环路，可探测到的相位差式中λ为光源波长，D为光纤环直径，L为光纤环总长。不难看出为了提升传感器的测量精度，最直接的办法有：增加光纤长度L；增加光纤环直径D；减小光源波长λ。

目前的Sagnac光纤干涉仪考虑到实际设计与工艺，在一定波长的情况下，光纤的长度、光纤环的直径会受到一定限制，所以在保持小型化又提升传感器测量精度方面，Sagnac光纤干涉仪已逐渐逼近技术瓶颈。

发明内容

为了能在不增加Sagnac光纤干涉仪体积的前提下，提高Sagnac光纤干涉仪的测量精度，本发明的目的是提供一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器。

本发明基于光的全反射原理和光子带隙原理，利用单向传输和循环的光路设计，使光纤环的光路得到复用，在不增加光纤环长度的前提下，增加光程。具体来说，光束可以从全反射分束区域耦合进入光子带隙循环区域，但在非对称结构下仅少部分光从光子带隙循环区域耦合进入全反射分束区域，因而被继续约束在光子带隙循环区传输，实现波导的单向传输及循环。

本发明的技术方案如下：

一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器，其由全反射分束区、隧穿区、和光子带隙循环区构成；Y型分支贯穿整个全反射分束区，作用是对光束进行引导；隧穿区中存在锥型过渡结构，用于引导全反射分束区中的光束进入光子带隙循环区，同时阻止光子带隙循环区中的大部分光返回全反射分束区；介质柱阵列覆盖整个分束器结构，作用是减小光束在全反射分束区和隧穿区中的弯曲及泄漏损耗，并在光子带隙循环区中利用光子带隙效应对光束进行分束和循环引导。

所述的光子带隙循环区由正方晶格介质柱阵列构成。

所述的Y型分支介质材料的折射率大于1.7。

所述的Y型分支介质材料为硅或砷化镓。

所述的隧穿区中介质柱阵列部分，在两个端口位置缺失的两排介质柱由锥型过渡结构及包围它的上下两层介质柱填补，锥型过渡结构与Y型分支的构成材质一致，其末端可以穿过隧穿区中的介质柱阵列，从而将Y型分支从全反射分束区延伸至光子带隙循环区，其起始端直径与Y型分支末端直径一致，末端直径小于起始端直径，并小于晶格常数与介质柱直径之差。

所述的介质柱阵列与Y型分支和锥型过渡结构的构成材质一致，排列周期及形状满足光子带隙效应出现条件。

一种用于Sagnac光纤干涉仪的光路复用分束器在Sagnac光纤传感器领域的应用。