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光学环形谐振腔的偏振分析1 王世军，马慧莲，金仲和 浙江大学信息与电子工程系，杭州 (310027) E-mail: shijun1014@ 摘 要：谐振式光学陀螺是基于光学 Sagnac 效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一 种新型光学传感器。通过对其噪声源的研究分析，偏振波动是谐振式光学陀螺中的主要噪声 因素之一。本文详细分析了光束中两偏振态的传输过程，建立了环形谐振腔中偏振光的通用 分析模型。根据此模型可以根据陀螺系统的结构参数获取偏振态波动情况，以及如何选择合 适的环形腔来减小偏振态的影响。 关键词：谐振式光学陀螺；环形谐振腔；偏振态；谐振曲线 中图分类号：TN256；TN629.1 1．引言 谐振式光学陀螺（Resonator Optic Gyro ，ROG ）是基于光学Sagnac效应产生的谐振频率 差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器，被认为是新一代光学陀螺的代表而被广泛研 究。与干涉式光纤陀螺（Interferometer Fiber-Optic Gyro, I-FOG ）相比，由于其探测灵敏度 与光纤环长度无关，因此它能在更短的环形腔长度下产生潜在的高性能。但是由于两者的噪 声表现存在很大的差别，而克服影响ROG精度的各种噪声方法难度更大。通过对噪声源的 [1] 因此研究清楚偏振波动对ROG 的影响至关重 研究，表明偏振波动是ROG 的主要噪声之一。 要。而环形谐振腔是ROG 的核心敏感部件[2-4]，提高环形谐振腔的精细度是提高R-MOG性能 的关键技术，是此种陀螺设计和制造中的关键。研究ROG 的偏振波动，首要分析的就是建 立起研究环形谐振腔的偏振模型。本文从此背景出发，采用琼斯矩阵分析法建立研究环形谐 振腔的偏振态通用分析模型，获取环形谐振腔的偏振输出谐振曲线，并利用环形谐振腔中光 波传输的琼斯矩阵通过选择合适的环形腔结构来抑制偏振态对谐振式光学陀螺的影响。 2 ．模型建立 在光纤/波导端面内，理想光纤/波导应该是各向同性的，但实际上由于光纤/波导芯层的 结构特点，将产生一定的双折射现象，两正交方向上对于线偏振光的作用不等，即折射率不 同。对于互相垂直的快慢轴，折射率大的为主轴，即x 轴；折射率小的为副轴，即y 轴。在 环形谐振腔中由于互相垂直的快慢光轴的对准误差，在定向耦合器和传输光纤/波导上都会 发生一定的极化耦合（Polarization cross-talk ），用偏振串扰系数（Polarization cross-talk coefficient ）表征其大小，这样使得光波传输过程中在快慢轴上都有一定的光能量传播，这 样它们会分别在环形腔内产生谐振现象，从而在输出信号中包含两类谐振波谷，其位置和能 量大小对谐振式光学陀螺信号的稳定性造成极大的影响。 根据图 1 所示的环形谐振腔结构示意图，C 为定向耦合器，Pi （i=1,2,3,4 ）为耦合器的 端口，E （i=1,2,3,4 ）为通过各端口P 的光场强度。激光器输出的光波经过前级相关元器件 i i 后以E 输入环形谐振腔。经过定向耦合器耦合后，一部分光进入环形腔中为E ；一部分光 1 3 直接从直通端输出为E ；进入环形腔的光传输一周后，光波变为E 。为了分析偏振特性， 4 2 本文中光波表示的电场都采用2×1 的矩阵，包含x 和y 两个方向上的偏振态，其中x 偏振态 为波导中慢轴传输的偏振态，即主偏振态。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060335064 ）的资助。 - 1 -