光子晶體光纖在陀螺上的應(yīng)用*

宋凝芳

(北京航空航天大學(xué) 光電技術(shù)研究所，北京 100191)

?專欄

編者按：“2016年先進(jìn)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)研討會”成功舉行。會議得到了國內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到論文40余篇，經(jīng)過專家評審選出優(yōu)秀論文10余篇進(jìn)行了會議交流。《現(xiàn)代防御技術(shù)》特開辟專欄陸續(xù)刊登此次會議的優(yōu)秀論文，供讀者參考。

光子晶體光纖在陀螺上的應(yīng)用*

宋凝芳

(北京航空航天大學(xué) 光電技術(shù)研究所，北京 100191)

從光子晶體光纖的原理出發(fā)，對其在光纖陀螺領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。光子晶體光纖是一種新型微結(jié)構(gòu)光纖，可以使用單一材料制造，通過設(shè)計微結(jié)構(gòu)對光纖的折射率進(jìn)行調(diào)節(jié)和匹配，以獲得不同的光學(xué)傳播特性，通過形狀雙折射來獲得保偏性能的光子晶體光纖可以提供比傳統(tǒng)光纖優(yōu)異的偏振特性，改善光纖陀螺的偏振誤差。此外，光子晶體光纖還具有彎曲損耗小、磁敏感度低、抗輻射等特點，能有效降低環(huán)境因素引起的陀螺誤差，提高光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性，被認(rèn)為是下一代光纖陀螺的理想選擇。

光子晶體光纖；光子帶隙光纖；雙折射；Shupe效應(yīng)；光纖陀螺；光纖傳感；慣性傳感

0 引言

光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的一種主流角速度傳感器，是實現(xiàn)載體自主導(dǎo)航、定位和定姿的基礎(chǔ)核心組件，廣泛應(yīng)用于航空、航海、航天和各類軍事及民用領(lǐng)域的慣性設(shè)備中[1]。光纖是光纖陀螺中最主要的傳輸介質(zhì)，傳統(tǒng)光纖陀螺中采用的都是傳統(tǒng)光纖，其導(dǎo)波特性對外界溫度、電磁等物理場較敏感，導(dǎo)致光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性差。因此，目前主要采取被動防護的措施來解決傳統(tǒng)光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性問題：如利用屏蔽罩來防護電磁、溫度場的影響，這些傳統(tǒng)措施雖然能夠在一定程度上提高環(huán)境適應(yīng)性，但是也帶來了其他副作用，如體積、重量、功耗、成本增加。

光子晶體光纖具有與傳統(tǒng)光纖完全不同的空氣空微結(jié)構(gòu)和導(dǎo)波機理，對電磁、溫度和輻照等環(huán)境因素敏感度低，是解決光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性問題的理想選擇[2-9]。國外早在2000年左右就提出了光子晶體光纖是下一代光纖陀螺的首選，美國國防部也一直在資助Draper實驗室進(jìn)行光子帶隙光纖陀螺研究。國內(nèi)目前研究光子晶體光纖的單位以高校居多，設(shè)計并拉制了多種新型光子晶體光纖，包括測漏型光子晶體光纖、超寬帶新型光子晶體光纖、抗彎曲大模場面積光子晶體光纖、高雙折射光子晶體光纖等，并將設(shè)計的光纖應(yīng)用于各類型傳感器中；針對光子晶體光纖的導(dǎo)波模式和色散特性等進(jìn)行了研究，分析了光子晶體熔接過程的空氣孔力學(xué)特性以解決光子晶體光纖與傳統(tǒng)光纖難以接續(xù)的問題，對光子晶體光纖在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索。其中某單位以光子晶體光纖陀螺的系統(tǒng)研究為主。本文將從光子晶體光纖原理出發(fā)，對光子晶體光纖陀螺的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1 光子晶體光纖

光子晶體光纖是基于低折射率材料(空氣)在高折射率背景材料(SiO2)中的二維周期性排列而形成的一種微結(jié)構(gòu)光纖，分為實芯光子晶體光纖和空芯光子晶體光纖[10-12]。實芯光子晶體光纖，如圖1a)所示，是利用SiO2和空氣孔構(gòu)成的包層折射率小于SiO2纖芯折射率的特征，通過全內(nèi)反射原理將光波束縛在纖芯中傳播，不是嚴(yán)格意義上的帶隙型光纖；而空芯光子晶體光纖，如圖1b)所示，是在SiO2和空氣孔周期性排列構(gòu)成的光子晶體中擴大中心的空氣孔以形成缺陷，即破壞其周期性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而利用光子帶隙控制光波在中心空氣孔(纖芯)中傳播，其纖芯折射率低于包層折射率，光波在空氣纖芯內(nèi)的傳播不是依靠傳統(tǒng)的全反射原理，因此空芯光子晶體光纖也被稱為真正意義上的光子帶隙型光纖。

圖1 光子晶體光纖Fig.1 Core PCF

對于光纖陀螺應(yīng)用，光子晶體光纖相對于傳統(tǒng)光纖具有如下優(yōu)勢：

(1) 低彎曲損耗，在彎曲直徑小于1 in(1 in=2.54 cm)的情況小損耗沒有明顯增大，有利于實現(xiàn)光纖陀螺的小型化設(shè)計與應(yīng)用。

(2) 低非線性，光子晶體光纖中98%以上能量在空氣中傳播，因而對非線性效應(yīng)不敏感，如會引起陀螺輸出誤差的Kerr效應(yīng)。

(3) 抗輻射，光子晶體光纖由純SiO2材料制作而成，沒有任何摻雜,理論上具有較好的抗輻射性能，尤其是空芯光子晶體光纖，光波直接在空氣中傳輸，具有很好的抗輻射性能。

(4) 環(huán)境適應(yīng)性好，光波在空氣中傳播，對外界溫度、壓力敏感度低，有利于提高光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性。

2 光子晶體光纖陀螺研究現(xiàn)狀

在光子晶體光纖陀螺研制方面，國內(nèi)外均開展了相關(guān)的研究。美國Draper實驗室、斯坦福大學(xué)和霍尼韋爾公司相繼開展了理論研究與原型系統(tǒng)實驗，其研究成果代表國際相關(guān)領(lǐng)域的最先進(jìn)水平；國內(nèi)某些單位也開展了光子晶體光纖陀螺相關(guān)研究，其研究進(jìn)度和技術(shù)水平與國外相當(dāng)。

美國Draper實驗室于2006年研制了精度優(yōu)于0.02 (°)/h光子晶體光纖陀螺[13]，光纖長度和直徑的乘積為73.66 m2，如圖2所示。該陀螺采用實芯光子晶體光纖，此光纖具有無盡單模特性，可采用寬譜光源有效抑制陀螺的相對強度噪聲。該實芯光子晶體光纖還具有直徑較小、彎曲半徑較小的特點，可以有效減小光纖環(huán)體積。

圖2 美國Draper實驗室光子晶體光纖陀螺示意圖Fig.2 Schematic view of the PCF-FOG of Draper laboratory

美國斯坦福大學(xué)的GINZTON實驗室于2005年研制了第1個空芯光子晶體光纖陀螺[14]，如圖3所示。該陀螺采用中心波長1 544 nm、譜寬7.2 nm的商業(yè)級摻鉺光纖光源作為光路輸入，光纖環(huán)由丹麥NKT公司生產(chǎn)的HC-1550-02型空芯光子晶體光纖繞制而成，內(nèi)徑82 mm，總長度235 m；利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波對該陀螺進(jìn)行開環(huán)調(diào)制，其零偏穩(wěn)定性約為2 (°)/h，最小可探測角速率約2.7 (°)/h，噪聲為3.3 μrad。該研究小組還對空芯光子晶體光纖陀螺的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要考察了空芯光子晶體光纖在抑制克爾誤差、法拉第誤差和Shupe誤差上的優(yōu)勢。理論和實驗結(jié)果表明，空芯光子晶體光纖陀螺中由克爾效應(yīng)引入的漂移至少為傳統(tǒng)陀螺的1/170，同等光纖長度下的Shupe誤差約為1/6.5，與法拉第誤差成正比的光纖Verdet常數(shù)為普通光纖的1/20。與傳統(tǒng)陀螺相比，空芯光子晶體陀螺在環(huán)境適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性上具有非常大的優(yōu)勢。

圖3 美國斯坦福大學(xué)空芯光子晶體光纖陀螺示意圖Fig.3 Schematic view of PBF-FOG of Stanford University

圖4 美國霍尼韋爾公司諧振型光子晶體光纖陀螺Fig.4 Resonant PCF-FOG of Honeywell

2010年，美國霍尼韋爾公司提出一種諧振式光子晶體陀螺技術(shù)方案[15]，如圖4所示。實驗表明，光子晶體環(huán)形諧振腔具有良好的空間模式和偏振模式效應(yīng)，其對溫度的敏感性比傳統(tǒng)保偏光纖低2～3個數(shù)量級，自由譜寬度約為400 MHz，一圈光纖的損耗僅為7%，自由空間與光纖之間的實際耦合損耗只有3%。

某單位自2007年開始光子晶體光纖陀螺技術(shù)研究，至今已近10年，在光纖設(shè)計與制作、光路誤差分析與建模、陀螺系統(tǒng)集成與工程化實現(xiàn)等方面均開展了相關(guān)研究，目前已成功牽引相關(guān)光纖生產(chǎn)廠家研制出第一根細(xì)徑保偏實芯光子晶體光纖，并實現(xiàn)其在0.001 (°)/h高精度光纖陀螺和輕小型三軸一體化光纖陀螺上的應(yīng)用。

2.1基于細(xì)徑光子晶體光纖的輕質(zhì)微小型光纖陀螺技術(shù)

為滿足光纖陀螺日益增長的輕質(zhì)量和小體積的應(yīng)用需求，某單位與相關(guān)光纖生產(chǎn)廠家合作研制了纖芯直徑80 μm、包層直徑135 μm的細(xì)徑實芯保偏光子晶體光纖，如圖5所示。目前該光纖成品已實現(xiàn)損耗低于2.0 dB/km、偏振串音大于24 dB/km等技術(shù)指標(biāo)，在損耗水平與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)那闆r下提高了光纖的保偏性能，同時減小了光纖的外形尺寸，對實現(xiàn)光子晶體光纖在小型化光纖陀螺上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖6所示為利用該細(xì)徑實芯保偏光子晶體光纖制作而成的輕小型三軸一體化光纖陀螺的外觀圖和全溫測試曲線。該三軸陀螺總質(zhì)量約205 g，光纖環(huán)外徑38 mm，光纖總長度約300 m，常溫零偏穩(wěn)定性為0.3 (°)/h(10 s平滑)，全溫零偏穩(wěn)定性在補償前可達(dá)到0.5 (°)/h(10 s平滑)。與相同尺寸下利用傳統(tǒng)熊貓型保偏光纖制作而成的陀螺相比，該光纖陀螺的全溫性能提高了近3倍，從而也證明了光子晶體光纖在提高光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性上的獨特優(yōu)勢。

2.2高精度光子晶體光纖陀螺技術(shù)

某單位于2015年研制出0.001 (°)/h高精度光子晶體光纖陀螺，如圖7所示。該陀螺采用細(xì)徑實芯保偏光子晶體光纖繞制而成，光纖環(huán)外徑140 mm，光纖總長度約1 700 m，常溫零偏穩(wěn)定性可達(dá)到0.002 2 (°)/h(100 s平滑)，全溫零偏穩(wěn)定性在補償前為0.02 (°)/h(100 s平滑)。目前該陀螺已完成所有測試，準(zhǔn)備進(jìn)行搭載實驗。

圖5 細(xì)徑實芯保偏光子晶體光纖Fig.5 Small-diameter solid-core polarization- maintaining PCF

2.3空芯光子晶體光纖陀螺技術(shù)

某單位自2012年開始空芯光子晶體光纖陀螺技術(shù)研究，突破了空芯光子晶體光纖與傳統(tǒng)光纖的低損耗高強度熔接技術(shù)，對空芯光子晶體光纖陀螺的光路誤差和噪聲進(jìn)行了理論分析和實驗研究，并于2015年搭建了實驗樣機，如圖8所示。該樣機環(huán)體直徑180 mm，光纖總長度約200 m，常溫零偏穩(wěn)定性～0.3 (°)/h(10 s平滑)，磁敏感度比相同尺寸傳統(tǒng)光纖陀螺提高近4倍。然而，現(xiàn)有空芯光子晶體光纖還存在損耗大等問題，嚴(yán)重制約了空芯光子晶體光纖陀螺的發(fā)展和應(yīng)用。目前已完成空芯光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，正與相關(guān)光纖生產(chǎn)廠家就光纖拉制工藝等問題開展合作攻關(guān)。

圖6 輕小型三軸一體化光子晶體光纖陀螺Fig.6 Mini 3-axis PCF-FOG

圖7 高精度光子晶體光纖陀螺Fig.7 High precision PCF-FOG

圖8 空芯光子晶體光纖陀螺Fig.8 Hollow-core PCF-FOG

3 結(jié)束語

光子晶體光纖是基于二維光子晶體而形成的一種新型微結(jié)構(gòu)光纖，在溫度、電磁、輻照等環(huán)境適應(yīng)性方面具有獨特優(yōu)勢，為實現(xiàn)光纖陀螺的小型化、輕質(zhì)量以及高精度、長壽命提供了新的技術(shù)途徑，是光纖陀螺的理想選擇。現(xiàn)有的光子晶體光纖雖然能基本滿足陀螺的應(yīng)用需求，但仍存在損耗較大等問題，光子晶體耦合器等相關(guān)器件的研究還處于起步階段，因此，需要繼續(xù)對光子晶體光纖陀螺技術(shù)和工藝等進(jìn)行深入研究，以從根本上解決光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性問題，實現(xiàn)我國光纖陀螺的跨越式發(fā)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，主要從事陀螺及慣性技術(shù)研究。

通信地址：100191 北京航空航天大學(xué)光電技術(shù)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