基于空芯光子晶体光纤的光学陀螺仪研究进展∗

黄 冬 郭文阁 吴耀方

（西安石油大学理学院 西安 710065）

基于空芯光子晶体光纤的光学陀螺仪研究进展∗

黄 冬 郭文阁 吴耀方

（西安石油大学理学院 西安 710065）

相比较普通光纤，使用空芯光子晶体光纤（hollow core photonic crystal fiber，HC-PCF）能解决光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope，FOG）在热真空和辐照环境下温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题，在提高陀螺仪精度方面具备较大优势。论文介绍了HC-PCF的基本结构及FOG工作的基本原理，比较了HC-PCF和普通光纤对光学陀螺仪的性能影响。描述了HC-PCF-FOG的发展过程并对未来发展进行了展望，为该新型光学陀螺技术的进一步研究提供指导。

空芯光子晶体光纤；光纤陀螺仪；光学陀螺仪；Sagnac效应；惯性系统

1 引言

光学陀螺仪主要有激光陀螺仪和FOG，本文主要讨论FOG。FOG具有结构简单、精度覆盖范围广、可靠性高和设计寿命长等固有特性，是惯性系统的主要仪表，主要广泛应用在导弹武器系统、卫星和飞船等空间飞行器中［1］。随着飞行器性能的提升以及应用领域面向深空，FOG需要进一步降低重量与缩小体积，同时还要求热真空和强辐照环境下达到更高的精度。目前，FOG在空间应用中还存在两个问题［2］：1）抗辐照能力不够强；2）在热真空环境下光纤陀螺精仪度降低。其中辐照会使光纤的纤芯会产生色心沉积，从而导致光纤损耗增大，进而引起整个陀螺仪光路损耗增加，导致陀螺仪随机游走性能变差，影响光纤陀螺的精度。在空间温度场作用下，其光纤纤芯的折射率随温度发生一定的变化，最终导致光纤环产生Shupe误差，产生了零偏漂移，影响FOG的精度。现在目前研究人员主要通过对器件结构及热设计优化解决上述问题，但这些方法使导致FOG结构变的更加复杂同时也增加了成本［3～4］。基于 HC-PCF在非线性、温度稳定性、辐射性、磁场不敏感性都优于普通光纤。这些特性在提高陀螺仪精度方面具有较大优势，尤其是能解决FOG在温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题［5］。随着HC-PCF的加工技术的不断发展，HC-PCF-FOG将成为高精度FOG。

2 原理

2.1 空芯光子晶体光纤

HC-PCF是一种带有线缺陷的二维光子晶体光子带隙光子晶体光纤，它由空芯纤芯和周期分布的空气孔所形成的包层组成。其导光机制为光子带隙效应，HC-PCF结构形成了二维布喇格光栅，满足布喇格反射条件的光就会被局限在空芯光子晶体缺陷中，从而使光沿光纤的轴向传播。HC-PCF一般是由纯石英管制成，通过改变空气孔的排列方式和尺寸可以制成各种规格光纤。HC-PCF的这种结构和传光方式使其具有许多独特的优点［3］：1）对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低；2）散射低、损耗小、传输参数稳定、对弯曲不敏感；3）在HC-PCF中，光的传输可等效在真空环境中。

2.2 FOG工作原理

FOG是基于Sagnac效应［6］的旋转角速度传感器，根据所采用的解调方式不同和对FOG的噪声补偿方法不同分为多种类型。根据Sagnac效应，当环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，在光路中相向传播的两列光波，因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定对应关系（如式（1）），通过对干涉光强信号的检测和解调，便可以确定旋转角速率。

3 光纤对光学陀螺仪的性能影响

光纤被制作成光纤环作为光学陀螺仪的核心部件。由式（1）可知，FOG的灵敏度与光纤环的长度和直径成正比，其光纤环的长度、直径和环境稳定性等因素影响光学陀螺仪的性能。

3.1 光纤环的长度

增加光纤环中光纤的长度可以提高FOG测量的灵敏度，同时光纤中的损耗和非线性效应也会增加。这就需要光纤满足下面的特性：1）单位长度的光功率损耗较低。2）低的背向散射，降低噪声和测量误差。3）非线性度低，如Kerr效应等。低的非线性度能够减少由电场的变化引起光回路中的测量误差。4）光纤熔接损耗较低，光纤熔接影响光能的损失和熔接面的反射率。进一步影响陀螺仪的设计及总体性能的测量。普通光纤中的非线性效应受到Kerr的限制，而HC-PCF要比普通光纤小2个数量级。

3.2 光纤环的直径

光纤环直径的影响着陀螺仪的体积及敏感性，体积小是FOG的自身的优势。如果要同时满足FOG的高灵敏度和小体积，那就需要光纤具有下面性能：1）光纤的直径较小，这样可以在较小的空间内绕更多圈数来获得长的光路。2）光纤对弯曲敏感度较低，降低因光纤弯曲造成光功率的损失。在陀螺仪中运用的普通光纤其弯曲直径为2～3英寸，HC-PCF其弯曲直径小于1英寸，HC-PCF比普通光纤具有更大的弯曲度。

3.3 环境稳定性

环境的稳定性对FOG性能是非常重要的，这需要光纤在以下几个方面要有较高的稳定性。1）热稳定性。光纤偏振特性对温度敏感性低和低的舒珀效应。2）低的辐射敏感性。特别是在太空环境运用FOG作为飞行器导航、制导则需要降低光纤的辐射敏感性。3）低的磁场敏感性。光纤对磁场较敏感，只能通过外界设计防护罩，这样额外的增加FOG的体积和重量。其外部环境和FOG工作下形成的Shupe效应、磁场Faraday效应、Kerr效应及偏振误差等影响FOG零偏漂移。文献［7～9］报道，HC-PCF与普通光纤其相关参数比值如表1所示：

表1 HC-PCF与普通光纤其相关参数比值

从表1可以看出与普通光纤陀螺相比，HC-PCF影响FOG零偏漂移的因素均显著减小。

4 空芯光子晶体FOG的发展历程

自1991年P.S..T.Russcll等第一次提出光子晶体光纤概念后［10］，在1999年第一根HC-PCFF被制造出来［11］，2003年，美国Stanford大学最先在专利中提出使用HC-PCF的光学陀螺仪方案，利用HC-PCF可以进一步提高光学陀螺仪的精度和环境适应能力［12］。

2006年，Stanford大学报道采用掺铒光纤光源测得丹麦Crystal Fiber公司和英国Blazer Photonics公司两种HC-PCF制作的光纤环的相位灵敏度为1.5ppm/℃～2.2ppm/℃，比普通的单模光纤小了3.6ppm/℃ ～5.2ppm/℃ ，陀 螺 随 机 游 走 为0.015°h12［13］。斯坦福大学采用235m的HCF-PCF，其研制的FOG实现了0.015°h12的随机游走系数［14］。

2007年，Stephane Blin等通过对HC-PCF-FOG的随机游走进行测量，表明空芯HC-PCF-FOG随机游走不受空芯光纤的背向散射影响［15］。当被检测到的功率低于5W时受到检测器热噪声限制，高于该功率时，发现随机游走与检测功率无关，测得随机游走的功率等于0.021°h，这与具有相似比例因子的传统FOG相当且低。

2009年斯坦福大学，用数值模拟当激光器的相干长度超过光纤环路的长度时，测得HCF-PCF-FOG的相干背向散射噪声会降低。如果使用足够连续的激光器，产生的噪声将比使用宽带光源长生的噪声还低［16］。

2012年，斯坦福大学的研究人员报道了有关谐振式HCF-PCF-FOG最新的研究结果［17］，陀螺系统结构中采用的NKT Photonics公司生产的HC-1550-PM-O1型保偏HC-PCF，光纤环长度为20m，直径仅为7.6cm其中HCF-PCF环尾端与单模光纤偶合器尾端通过微位移机械平台进行偶合对准，并且光纤尾端都进行了镀膜处理，以减小光纤端而反射。最终测试结果显示，一小时随机游走为0.055°s12，长期漂移标准偏差为0.5°s，峰值变化为 2.5°s。

2013年7月，美国DARRA提出了COUGAG（Compact Utra-stable Gyrsoscope for Absolute Reference）计划，资助Honeywell公司研究一种新型的基于HCF-PCF-FPG。计划中明确指出：该陀螺结合了激光陀螺和干涉式FOG的优点；其研究目标是用作绝对基准（Reference-grade），陀螺尺寸为4英寸，陀螺的目标精度是：零偏稳定性优于10-6°h，角随机游走优于10-6°h12。

IEAV研究所在2015年设计出一种新的结构空芯光纤，它具有由三角形格子中的六角形气孔组成的高空气填充率的包层。该设计包括改变一个径向的气孔的直径。不对称包层结构可以获得具有高双折射的单模运用，并且具有不同光谱范围内带隙的基模，该光纤用于FOG中［18］。

2016年Ginzton Laboratory测出HCF-PCF-FOG最低角度随机游0.013°h这个值的限制过多的噪音来源，在60h运行中测量的漂移为0.94°h［19］。

2016年北京航空航大大学控制仪器研究所［20］提出了HC-PCF中消逝波是原子和激光场之间的电偶极相互作用的结果。如果原子存在一个沿HC-PCF轴向的速度，原子将在激光场作用下沿HC-PCF轴线运动，这种方式的原子导引能有效避免自发辐射被广泛应用于陀螺仪中［21］。其中惯性技术重点实验室一直从事HC-PCF用于谐振式光学陀螺中的研究，［22］冯丽爽教授小组通过优化设计偶合结构，搭建全HC-PCF谐振式FOG实验样机，通过Allan方差分析，该系统角随机游走系数为0.97°s12。

5 结语

FOG是惯性系统的主要仪表，但现有的FOG在热真空和辐照环境影响后精度出现下降。用HC-PCF取代普通光纤用于陀螺仪能解决FOG的温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题，在提高陀螺仪精度方面具备较大优势。但目前样机所取得的实验精度远未达到理论设计值，甚至仍未达到同等条件下普通保偏光纤陀螺精度，这主要有：1）目前HCF制作工艺尚不成熟，光纤传输损耗大；2）对HC-PCF与传统保偏光纤，两者相互之间偶合对接存在较大损耗。随着HC-PCFF工艺技术的成熟，这些方面都会提高，预测HC-PCF-FOG必将取代普通FOG，作为高精度的光学陀螺仪。

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Research Progress of Optical Gyroscope Based on Hollow Core Photonic Crystal Fiber

HUANG DongGUO WengeWU Yaofang
（School of Science，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065）

Comparing with common fiber，using hollow core photonic crystal fiber can solve the problems of temperature stability，magnetic sensitivity and noise of fiber optic gyroscope in the thermal vacuum and radiation environment，it also has a great advantage in improving the accuracy of gyroscope.In this paper，the structure of HC-PCF and the principle of FOG are introduced.it is compared the HC-PCF with common fiber at the performance aspect of optical gyroscope.Described and expected HC-PCF-FOG provide guidance for the further research of the new optical gyro technology.

hollow core photonic crystal fiber，fiber optic gyroscope，optical gyroscope，sagnac effect，inertia system

U666.151

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.002

Class Number U666.151

2017年5月7日，

2017年6月26日

国家自然科学基金项目（编号：11074198）；西安石油大学研究生创新与实践能力培养立项项目（编号：YCS16212075）资助。

黄冬，男，硕士研究生，研究方向：光纤陀螺传感技术。郭文阁，男，博士，教授，研究方向：光电子学。