光子晶体光纤在陀螺上的应用*

宋凝芳

(北京航空航天大学 光电技术研究所，北京 100191)

☞专栏

编者按：“2016年先进导航、制导与控制技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，共征集到论文40余篇，经过专家评审选出优秀论文10余篇进行了会议交流。《现代防御技术》特开辟专栏陆续刊登此次会议的优秀论文，供读者参考。

光子晶体光纤在陀螺上的应用*

宋凝芳

(北京航空航天大学 光电技术研究所，北京 100191)

从光子晶体光纤的原理出发，对其在光纤陀螺领域的研究现状与应用现状进行介绍。光子晶体光纤是一种新型微结构光纤，可以使用单一材料制造，通过设计微结构对光纤的折射率进行调节和匹配，以获得不同的光学传播特性，通过形状双折射来获得保偏性能的光子晶体光纤可以提供比传统光纤优异的偏振特性，改善光纤陀螺的偏振误差。此外，光子晶体光纤还具有弯曲损耗小、磁敏感度低、抗辐射等特点，能有效降低环境因素引起的陀螺误差，提高光纤陀螺的环境适应性，被认为是下一代光纤陀螺的理想选择。

光子晶体光纤；光子带隙光纤；双折射；Shupe效应；光纤陀螺；光纤传感；惯性传感

0 引言

光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种主流角速度传感器，是实现载体自主导航、定位和定姿的基础核心组件，广泛应用于航空、航海、航天和各类军事及民用领域的惯性设备中[1]。光纤是光纤陀螺中最主要的传输介质，传统光纤陀螺中采用的都是传统光纤，其导波特性对外界温度、电磁等物理场较敏感，导致光纤陀螺环境适应性差。因此，目前主要采取被动防护的措施来解决传统光纤陀螺的环境适应性问题：如利用屏蔽罩来防护电磁、温度场的影响，这些传统措施虽然能够在一定程度上提高环境适应性，但是也带来了其他副作用，如体积、重量、功耗、成本增加。

光子晶体光纤具有与传统光纤完全不同的空气空微结构和导波机理，对电磁、温度和辐照等环境因素敏感度低，是解决光纤陀螺环境适应性问题的理想选择[2-9]。国外早在2000年左右就提出了光子晶体光纤是下一代光纤陀螺的首选，美国国防部也一直在资助Draper实验室进行光子带隙光纤陀螺研究。国内目前研究光子晶体光纤的单位以高校居多，设计并拉制了多种新型光子晶体光纤，包括测漏型光子晶体光纤、超宽带新型光子晶体光纤、抗弯曲大模场面积光子晶体光纤、高双折射光子晶体光纤等，并将设计的光纤应用于各类型传感器中；针对光子晶体光纤的导波模式和色散特性等进行了研究，分析了光子晶体熔接过程的空气孔力学特性以解决光子晶体光纤与传统光纤难以接续的问题，对光子晶体光纤在传感器领域的应用进行了初步的探索。其中某单位以光子晶体光纤陀螺的系统研究为主。本文将从光子晶体光纤原理出发，对光子晶体光纤陀螺的研究现状进行介绍。

1 光子晶体光纤

光子晶体光纤是基于低折射率材料(空气)在高折射率背景材料(SiO2)中的二维周期性排列而形成的一种微结构光纤，分为实芯光子晶体光纤和空芯光子晶体光纤[10-12]。实芯光子晶体光纤，如图1a)所示，是利用SiO2和空气孔构成的包层折射率小于SiO2纤芯折射率的特征，通过全内反射原理将光波束缚在纤芯中传播，不是严格意义上的带隙型光纤；而空芯光子晶体光纤，如图1b)所示，是在SiO2和空气孔周期性排列构成的光子晶体中扩大中心的空气孔以形成缺陷，即破坏其周期性结构，进而利用光子带隙控制光波在中心空气孔(纤芯)中传播，其纤芯折射率低于包层折射率，光波在空气纤芯内的传播不是依靠传统的全反射原理，因此空芯光子晶体光纤也被称为真正意义上的光子带隙型光纤。

图1 光子晶体光纤Fig.1 Core PCF

对于光纤陀螺应用，光子晶体光纤相对于传统光纤具有如下优势：

(1) 低弯曲损耗，在弯曲直径小于1 in(1 in=2.54 cm)的情况小损耗没有明显增大，有利于实现光纤陀螺的小型化设计与应用。

(2) 低非线性，光子晶体光纤中98%以上能量在空气中传播，因而对非线性效应不敏感，如会引起陀螺输出误差的Kerr效应。

(3) 抗辐射，光子晶体光纤由纯SiO2材料制作而成，没有任何掺杂,理论上具有较好的抗辐射性能，尤其是空芯光子晶体光纤，光波直接在空气中传输，具有很好的抗辐射性能。

(4) 环境适应性好，光波在空气中传播，对外界温度、压力敏感度低，有利于提高光纤陀螺的环境适应性。

2 光子晶体光纤陀螺研究现状

在光子晶体光纤陀螺研制方面，国内外均开展了相关的研究。美国Draper实验室、斯坦福大学和霍尼韦尔公司相继开展了理论研究与原型系统实验，其研究成果代表国际相关领域的最先进水平；国内某些单位也开展了光子晶体光纤陀螺相关研究，其研究进度和技术水平与国外相当。

美国Draper实验室于2006年研制了精度优于0.02 (°)/h光子晶体光纤陀螺[13]，光纤长度和直径的乘积为73.66 m2，如图2所示。该陀螺采用实芯光子晶体光纤，此光纤具有无尽单模特性，可采用宽谱光源有效抑制陀螺的相对强度噪声。该实芯光子晶体光纤还具有直径较小、弯曲半径较小的特点，可以有效减小光纤环体积。

图2 美国Draper实验室光子晶体光纤陀螺示意图Fig.2 Schematic view of the PCF-FOG of Draper laboratory

美国斯坦福大学的GINZTON实验室于2005年研制了第1个空芯光子晶体光纤陀螺[14]，如图3所示。该陀螺采用中心波长1 544 nm、谱宽7.2 nm的商业级掺铒光纤光源作为光路输入，光纤环由丹麦NKT公司生产的HC-1550-02型空芯光子晶体光纤绕制而成，内径82 mm，总长度235 m；利用信号发生器产生的正弦波对该陀螺进行开环调制，其零偏稳定性约为2 (°)/h，最小可探测角速率约2.7 (°)/h，噪声为3.3 μrad。该研究小组还对空芯光子晶体光纤陀螺的长期稳定性进行了研究，主要考察了空芯光子晶体光纤在抑制克尔误差、法拉第误差和Shupe误差上的优势。理论和实验结果表明，空芯光子晶体光纤陀螺中由克尔效应引入的漂移至少为传统陀螺的1/170，同等光纤长度下的Shupe误差约为1/6.5，与法拉第误差成正比的光纤Verdet常数为普通光纤的1/20。与传统陀螺相比，空芯光子晶体陀螺在环境适应性和长期稳定性上具有非常大的优势。

图3 美国斯坦福大学空芯光子晶体光纤陀螺示意图Fig.3 Schematic view of PBF-FOG of Stanford University

图4 美国霍尼韦尔公司谐振型光子晶体光纤陀螺Fig.4 Resonant PCF-FOG of Honeywell

2010年，美国霍尼韦尔公司提出一种谐振式光子晶体陀螺技术方案[15]，如图4所示。实验表明，光子晶体环形谐振腔具有良好的空间模式和偏振模式效应，其对温度的敏感性比传统保偏光纤低2～3个数量级，自由谱宽度约为400 MHz，一圈光纤的损耗仅为7%，自由空间与光纤之间的实际耦合损耗只有3%。

某单位自2007年开始光子晶体光纤陀螺技术研究，至今已近10年，在光纤设计与制作、光路误差分析与建模、陀螺系统集成与工程化实现等方面均开展了相关研究，目前已成功牵引相关光纤生产厂家研制出第一根细径保偏实芯光子晶体光纤，并实现其在0.001 (°)/h高精度光纤陀螺和轻小型三轴一体化光纤陀螺上的应用。

2.1基于细径光子晶体光纤的轻质微小型光纤陀螺技术

为满足光纤陀螺日益增长的轻质量和小体积的应用需求，某单位与相关光纤生产厂家合作研制了纤芯直径80 μm、包层直径135 μm的细径实芯保偏光子晶体光纤，如图5所示。目前该光纤成品已实现损耗低于2.0 dB/km、偏振串音大于24 dB/km等技术指标，在损耗水平与国外同类产品相当的情况下提高了光纤的保偏性能，同时减小了光纤的外形尺寸，对实现光子晶体光纤在小型化光纤陀螺上的应用奠定基础。

图6所示为利用该细径实芯保偏光子晶体光纤制作而成的轻小型三轴一体化光纤陀螺的外观图和全温测试曲线。该三轴陀螺总质量约205 g，光纤环外径38 mm，光纤总长度约300 m，常温零偏稳定性为0.3 (°)/h(10 s平滑)，全温零偏稳定性在补偿前可达到0.5 (°)/h(10 s平滑)。与相同尺寸下利用传统熊猫型保偏光纤制作而成的陀螺相比，该光纤陀螺的全温性能提高了近3倍，从而也证明了光子晶体光纤在提高光纤陀螺环境适应性上的独特优势。

2.2高精度光子晶体光纤陀螺技术

某单位于2015年研制出0.001 (°)/h高精度光子晶体光纤陀螺，如图7所示。该陀螺采用细径实芯保偏光子晶体光纤绕制而成，光纤环外径140 mm，光纤总长度约1 700 m，常温零偏稳定性可达到0.002 2 (°)/h(100 s平滑)，全温零偏稳定性在补偿前为0.02 (°)/h(100 s平滑)。目前该陀螺已完成所有测试，准备进行搭载实验。

图5 细径实芯保偏光子晶体光纤Fig.5 Small-diameter solid-core polarization- maintaining PCF

2.3空芯光子晶体光纤陀螺技术

某单位自2012年开始空芯光子晶体光纤陀螺技术研究，突破了空芯光子晶体光纤与传统光纤的低损耗高强度熔接技术，对空芯光子晶体光纤陀螺的光路误差和噪声进行了理论分析和实验研究，并于2015年搭建了实验样机，如图8所示。该样机环体直径180 mm，光纤总长度约200 m，常温零偏稳定性～0.3 (°)/h(10 s平滑)，磁敏感度比相同尺寸传统光纤陀螺提高近4倍。然而，现有空芯光子晶体光纤还存在损耗大等问题，严重制约了空芯光子晶体光纤陀螺的发展和应用。目前已完成空芯光子晶体光纤的结构优化设计，正与相关光纤生产厂家就光纤拉制工艺等问题开展合作攻关。

图6 轻小型三轴一体化光子晶体光纤陀螺Fig.6 Mini 3-axis PCF-FOG

图7 高精度光子晶体光纤陀螺Fig.7 High precision PCF-FOG

图8 空芯光子晶体光纤陀螺Fig.8 Hollow-core PCF-FOG

3 结束语

光子晶体光纤是基于二维光子晶体而形成的一种新型微结构光纤，在温度、电磁、辐照等环境适应性方面具有独特优势，为实现光纤陀螺的小型化、轻质量以及高精度、长寿命提供了新的技术途径，是光纤陀螺的理想选择。现有的光子晶体光纤虽然能基本满足陀螺的应用需求，但仍存在损耗较大等问题，光子晶体耦合器等相关器件的研究还处于起步阶段，因此，需要继续对光子晶体光纤陀螺技术和工艺等进行深入研究，以从根本上解决光纤陀螺的环境适应性问题，实现我国光纤陀螺的跨越式发展。

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ApplicationofPhotonicCrystalFiberonFiberOpticGyroscopes

SONG Ning-fang

(Beihang University，Institute of Opto-Electronic Technology，Beijing 100191，China)

The principle of photonic crystal fiber (PCF) and its application in fiber optic gyroscope are introduced. Photonic crystal fiber is a kind of novel micro-structured optical fiber, which can be fabricated with pure material and provide optical propagation characteristics by adjusting the micro structures in the fiber. Due to the form birefringence, the polarization maintaining PCF has better polarization performance than conventional fibers do. Hence, the polarization error of fiber optic gyroscope (FOG) is reduced. PCF is thought to be the ideal choice for fiber optic gyroscope due to its advantages on environmental adaptability, including low sensitivity to temperature and radiation and lower bending loss.

photonic crystal fiber；photonic band gap fiber；birefringence；Shupe effect；optical fiber gyroscope；optical fiber sensing；inertial sensing

2016-11-20；

2016-12-15

宋凝芳(1968-)，女，天津人。教授，博士，主要从事陀螺及惯性技术研究。

通信地址：100191 北京航空航天大学光电技术研究所E-mail：songnf@buaa.edu.cn

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.001

U666.12+3;TN913.7

A

1009-086X(2017)-05-0001-06