光纤传感器用保偏光纤

薛建军：光纤传感器用保偏光纤
偏光纤，筛选强度至少应达到５０ｋｐｓｉ，相当于０．５％的应变伸长量。

如果保偏光棒是在ＭＣＶＤ车床上经过高温熔融塌缩制成的，则其内部各层之间会非常
致密，不会存在明显的结构缺陷。

它不会象要将石英棒进行打磨、打孔等冷加工的制造工艺那样，在对光棒的各部分拼凑的过程中，引入气泡、杂质等内部缺陷。

所以，根据光纤断裂理论，对于采用在ＭＣＶＤ车床上一次性完成制棒这样的工艺，影响光纤强度的主要原因．除了涂层的因素外，另一方面就是光纤表面的缺陷。

这种表面的缺陷，随着时间或环境等因素的变化，有些会逐渐扩大，最终在使用过程中导致光纤的断裂。

保偏光纤是一种内含高应力的光纤。

如果应力作用区离开光纤外表面的距离越近，就
越容易促进表面缺陷的扩散，使光纤有更高的断裂几率。

所以现在国际上制作保偏光纤有一
种趋势——在满足保偏和双折射性能要求的前提下，尽可
能降低应力作用区在保偏光纤截面中所占的比例。

有事实
表明，连一向制造领结型保偏光纤的英国的Ｈｂｅｒｃｏｒｅ公
司，最近也开始采用类似矩形的小面积应力作用区结构。

其截面结构的照片见图Ｉ。

８）几何尺寸好
如果保偏光纤的几何尺寸均匀、公差小，则可大大提
高环圈的绕制质量；如果光纤的几何尺寸不均匀、公差大，
则绕出的环圈会显得不平伏，并影响到后面层次的绕环张
图ｌＨｂａ。

ｃｏｖｃ的某种保偏光纤力，最终影响到环圈的互易性。

的截面缘陶照片随着检测技术的发展，现在对保偏光纤偏振串音等指
标的检测，已越来越多地采用通过裸光纤活动接头，将保偏光纤接入光路的办法。

如果保偏光纤的外径过大，则不能穿过光纤活动接头的陶瓷孔；如果保偏光纤的外径过小，或芯包同心度过大，则又容易引起连接损耗过大，造成不必要的误差。

保偏光纤的几何尺寸，除了与预制棒的质量有关外，很大程度上受拉丝工艺的影响。

如果能够达到对通信光纤几何尺寸的规范要求，则这样的保偏光纤就比较理想了。

９）耐弯曲性能好、模场小
由于光纤陀螺要求将保偏光纤绕在曲率半径很小（一般为２０ｒａｍ左右）的环圈骨架上．
丽另一种军用光纤传感器——光纤水听器要求保偏光纤能承受的曲率半径更小（约为１０ｍｍ
左右），所以要求保偏光纤具有很好的耐弯曲性能，这种性能不仅娶体现在光纤的附加衰减要小（一般不能超过Ｏ．５曲），而且偏振串音的变化也要小（考虑到獭攘串音的测试误差，一般不能超过２ｄＢ）。

光纤的弯曲性能与其模场直径有很大关系。

一般来说，模鳙直径小，有利于改善光纤
的耐弯曲性能。

所以，光纤陀螺和光纤水听器等光纤传感器所用的保俯光纤，其模场直径与通信用光纤的模场壹径有明显的区别——比较小。

为了保证截止渡长虽谯于工作波长但又不至于过小，要求保偏光纤的芯、包层之间的有效折射率差较嵩：‘要迭蓟０，００９左右，由理论公式计算出的数值孔径约为０．１６左右翻。

综合国际上—些保偏光纤的著名制造商对传感器用保偏光纤模场直径的要求，将１３１０ｎｍ处的模场直径定在（６±１）Ｉｌｍ的范围内，是比较合适的。

１０）环境适应性强
光纤陀螺要工作在温度变化的环境中，甚至有振动的运动环境中。

在这样的工作环境下，要求其中的各种器件，包括保偏光纤要具有适应性。

对于保偏光纤来说，在环境条件变
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薛建军：光纤传感器用保偏光纤
经十多位院士和教授等专家组成的专家组对这种保偏光纤进行鉴定后，得出的结论有：“该项目开发出了一种新型的应力双折射保偏光纤——‘一’字型保偏光纤。

其结构与常见的熊猫型、领结型和椭圆茄克型等应力双折射的保偏光纤相比，应力作用区结构新颖，国际、国内的查新结论也显示‘本项目所涉及的保偏光纤结构、应力区形状在所检文献中未见相同报道。

’
根据有关的检测数据和多家用户的使用意见，该种保偏光纤在保偏性能、几何尺寸、涂覆质量、机械强度、耐弯曲性能和环境温度等方面具有良好的性能，符合光纤陀螺、光纤传感器和Ｙ波导多功能集成光学器件等的使用要求。

这种光纤的综合性能指标在国内优于同类产品，处于国内领先地位，达到了国际产品的先进水平。

江苏法尔胜光子有限公司的保偏光纤，具有生产工艺稳定，生产效率高，单棒可拉丝长度长，产品一致性和稳定性好的特点，该公司已具备实现保偏光纤产业化的能力。

”
５致谢
江苏法尔胜光子有限公司承担的“保偏光纤”项目，受国家高科技技术研究发展专项经费资助，现正在成功开发出直径为１２金ｍ的传感器用新型保偏光纤的基础上，进一步开发和生产直径为８ｍｍ的传感器用保偏光纤以及通信用的保偏光纤。

特借此文对该资助表示感谢！
参考文献
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薛建军，男，１９６６年５月生，江苏江阴人，硕士，高级工程师。

在江
苏法尔胜光子有限公司，主要从事Ｍ∞黔，工艺、预制棒工艺、新产
品开发、保偏光纤项目等工作。

近年来，在国际、国内学术会议和期
刊上发表科技论文多篇，目前已有三项专利。

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光纤传感器用保偏光纤
作者：薛建军
作者单位：江苏法尔胜光子有限公司(江阴)
1.期刊论文张振奇.童茂松.曹庆芳.昌庆珍.Zhang Zhenqi.Tong Maosong.Cao Qingfang.Chang Qingzhen光纤传
感器及其在石油钻探中的应用-石油仪器2007,21(4)
随着光纤技术的不断发展,传输损耗不断降低,传输距离不断加大,价格下降,加上在技术性能上又有独到的优点,光纤传感器将在石油工业中越来越多地得到应用.文章介绍了光纤传感器及其在石油钻探中的应用,重点介绍了光纤传感器在四维地震、光纤陀螺和随钻光纤测量技术中的应用,并指出了下一步的发展方向.
2.学位论文苏觉激光型光纤传感器在电流测量和光纤激光陀螺中的应用2009
光纤激光器是指以光纤或掺杂光纤作为工作媒质的一类激光器，因为它具有低阈值、高效率、窄线宽、可调谐、稳定性可靠、紧凑小巧、重量轻和高性能价格比等众多优点，可以广泛的应用于传感、通信、医疗、军事等领域。

特别是可以作为激光型光纤传感器(Polarimetric Fiber Laser Sensor)，通过直接测量光纤激光器正交模式的拍频变化来监控外界扰动。

由于它具有高灵敏度、易于测量等特点，近年来受到了广泛关注。

目前，对激光型光纤传感器的研究主要集中在测量压力、电流、液压、温度等方面。

本论文的工作主要围绕着两种用作激光型传感器的光纤激光器及其在非互易测量(包括电流传感和陀螺)中的应用来展开。

在激光型光纤传感器的设计、实验现象的理论解释等方面做了如下的研究工作：
·光纤激光器的基本原理与设计方案
概述了激光和光纤激光器的基本原理，包括光与物质的相互作用，激光振荡的条件及频谱分布等激光产生的基本原理；掺铒光纤的增益性质，空间烧孔效应和外界扰动对激光输出稳定性的影响，光纤激光器的实际极限带宽等光纤激光器的相关知识：分别讨论了双向单纵模环形腔激光器和多波长激光器的设计方案；系统地分析了掺杂光纤饱和吸收体中形成的动态光栅的反射谱特性。

·激光型电流传感器的实验研究
利用空间烧孔和饱和吸收体设计了一种三波长光纤F-P腔激光器，给出了设计原则以及激光器的本征偏振态；采用琼斯矩阵方法分析了三波长光纤激光器用作电流传感时的理论模型。

着重分析了传感区光纤双折射对电流传感的影响，同时对温度特性进行了讨论：实验验证了激光器的设计方案，得到了稳定的三波长光纤激光器；通过外加感应区，得到了线性系数为3.05KHz/A的激光型电流传感器。

·线偏振光光纤激光陀螺的研究
提出并设计了一个光纤非互易器件-方向相关偏振器，理论上分析了器件的工作原理并给出了测试方法。

样品测试的结果为插入损耗为0.61dB，消光比大于23.35dB；首次采用方向相关偏振器和由窄带薄膜滤波器与M-Z干涉型梳状滤波器组合而成的混合滤波器实现了一种新型稳定的双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器。

对存在双折射时，温度变化对零漂的影响做了分析，得出在折射率差为0.01，温度变化0.01℃时，零漂约为10KHz的数量级：实验验证了线偏振态光纤环形腔激光器的设计方案，得到了激光阈值为16mW的双向单纵模光纤环形腔激光器。

当泵浦功率为20mW-70mW时，在CW和CCW方向上始终保持为单纵模工作。

用于光纤环形腔激光陀螺系统中时，其拍频输出有大于30dB的信噪比。

调节腔内的偏振控制器，当零频偏置分别为1.68MHz和
409KHz时，均得到了较好的拍频漂移量与角速度的线性曲线，其斜率分别为1.38KHz/(deg/sec)和1.23KHz/(deg/sec)，零漂约为7kHz，与理论相符。

对实验中出现的零频偏置较小时陀螺的比例因子降低的现象进行了分析，并给出解决思路。

得到了第一台连续波的光纤激光陀螺。

·圆偏振光光纤激光陀螺的研究
提出一种圆偏振态工作的光纤激光陀螺。

从理论上分析了互易器件-圆偏振起偏器的原理，以及圆保偏光纤-扭转光纤的保偏特性，并改进了扭转光纤的制作方法；首次推导了光纤激光陀螺闭锁现象的解析表达式，并做了数值模拟，得到在FSR=34MHz，D=38cm，λ=1.55μm情况下，闭锁阈值约为
Ω≈7.3°/s；首次实现和证实了圆偏振态激光器的设计方案，得到激光阈值为35mW的双向单纵模光纤环形腔激光器。

实验中的工作泵浦功率用在
50mW，处于连续波工作状态，运行基本稳定，工作波长为1549.956nm，两路输出功率相当，均可大于0.1mw。

用于光纤环形腔激光陀螺系统中时，其拍频输出有大于30dB的信噪比；斜率(即比例因子)为2.67KHz/(deg/sec)；零漂为±1.5KHz；灵敏度为1°/s；闭锁阈值约为10°/s，与理论相符。

最后对实验中存在的一些问题进行了分析，并给出解决思路。

证明了圆偏振光光纤激光陀螺工作机理的正确性。

3.期刊论文杨跃轮.YANG Yuelun光纤传感器在军事上的应用-信息化研究2010,36(5)
文中对光纤传感器在军事中的应用进行了详细阐述,总结比较了光纤陀螺的优点及国外部分产品典型技术指标.详细介绍了军用水听器、光纤智能蒙皮的基本类型及其主要应用,并比较了目前几种主流的光纤分布式传感器.
4.学位论文林云圣光纤传感器原理与应用综述及光纤布 喇格光栅特性的实验研究1999
该论文首先回顾了光纤传感器的发展、简述了其基本工作原理.而后较为详细探讨了光纤传感器的强度、频率、颜色、偏振和相位等调制类型,分析了其各自的特点,比较了它们的优缺点.对于相位调制,该论文特别讨论了几种常规干涉仪的工作原理及基估光纤技术中的应用,如:法布里-帕罗干涉仪、马赫-泽德尔干涉仪,塞格奈克干涉仪等,另外还对光纤布喇格光栅(FBG)的制备、原理及其特性进行了研究,通过实验分析了FBG的热敏、力敏特性,得到了与理论吻合的结果.最后用例子介绍了光纤传传感器在中国工业、军事和医学等领域的应用.该论文较系统地概括总结了光纤传感器的原理,并对近几年兴起的FBG作了初步的实验研究,为以后继续深入研究提供了有价值的数据和结论.
5.期刊论文曾雪飞.陈海燕.刘永智一种新型谐振干涉式光纤陀螺的原理分析-电子科技大学学报2003,32(3)
提出了一种新型的谐振干涉式光纤陀螺,推导了光强透过率表达式与揩振式,对再入式光纤陀螺的旋转探测灵敏度进行了比较,并进行了系统方案设计,理论分析表明,3 m长的保偏光纤有源谐振干涉式陀螺可以获取优于22(/h的理论分辩率.
6.期刊论文潘军.PAN Jun闭环光纤陀螺的死区现象及克服死区实验-航空学报2001,22(2)
克服死区是闭环光纤陀螺设计中需要考虑的重要问题。

运用适当的小角速度测试方法测得了闭环光纤陀螺输出信号中的死区。

采用了一种简便的偏置输出相移信号的方法以克服闭环光纤陀螺输出信号中的死区。

实验表明，上述方法可以克服死区。

7.期刊论文王新龙.马闪.Wang Xinlong.Ma Shan光纤陀螺温度与标度因数非线性建模与补偿-北京航空航天大学
学报2009,35(1)
研究了光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)温度效应和标度因数非线性误差的复合建模及补偿方法.分析了热作用于光纤环引起光路非互易性的机理,针对由温度和标度因数非线性引起的严重非线性漂移误差,提出了一种改进的实用精确补偿FOG温度和标度因数漂移的分段复合建模方法.通过对
VG951型FOG全温度和全角速率范围内实际测试数据进行建模及处理表明,经分段复合模型补偿后,陀螺漂移从4.4(°)/h减小到0.1(°)/h,较传统补偿方法的精度得到大幅度提高,实验验证了建模方法的精确性及补偿方法的有效性.
8.会议论文肖文.伊小素.金靖.杜新政光纤陀螺在航天器/小卫星应用中的关键技术研究2004
提出了目前光纤陀螺在航天器/小卫星应用中的关键技术，即抗辐射加固技术、长寿命高可靠性设计与工艺实现。

对陀螺本身、陀螺用光电器件的辐照条件下的工作进行了测试，提出了各种抗辐照加固的技术和工艺设计。

在已得到实用的光纤陀螺中采用，体现出了一定的成果，光纤陀螺是非常适用于太空环境条件应用的新一代陀螺仪。

9.学位论文黄蔚光纤陀螺数字解调技术研究2009
光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的角速度传感器，通过测量光纤线圈顺时针和逆时针方向传播的两束光的光程差来测量转速。

因为它具有许多独特的优点，使之成为近年来国内外光纤传感器领域的一个研究热点。

目前，中低精度的光纤陀螺已经广泛应用于民用和军用战术武器的惯性系统中，各国的研究机构也在大力研究以期提高光纤陀螺的精度和降低陀螺的制造成本。

数字解调算法的提出和数字信号处理技术的发展为光纤陀螺的进一步发展提供了物质基础和技术支持。

本文较系统地介绍了光纤陀螺的工作原理，分析了PZT(压电陶瓷)相位调制器随温度变化的规律，PZT器件对光纤陀螺性能的影响因素，及调制深度改变对陀螺输出的影响，并据此提出了新的数字解调算法，并评估了其改进方案的优缺点。

这种数字解调算法能在较大程度上解决调制深度变化给陀螺输出带入的误差。

为了实现数字解调方案，本文设计了一套信号发生、检测及解调方案，并分析了系统设计过程中出现的几个重要问题，提出了解决方法。

利用Matlab的辅助信号处理功能，设计了高性能的FIR数字滤波器。

针对查表插值法求反正切值出现的一些缺点，提出了新的泰勒级数法求反正切函数，并求得了算法中的关键参数。

10.期刊论文郑宏军.黎昕.杨恒新两种典型的光纤传感器研究现状与发展趋势-传感技术学报2001,14(4)
介绍了两种典型光纤传感器的研究和应用情况,提出了光纤传感器存在的问题及发展方向,为光纤传感器的深入研究提供了有益参考.
本文链接：/Conference_5204563.aspx
授权使用：重庆大学(cqdx)，授权号：5b0e6d59-a0a6-42a3-9fc4-9e1f00a73c95
下载时间：2010年10月30日。