光子晶體光纖在光纖陀螺中的應用現狀及其關鍵技術

鄭 辛，吳衍記，于懷勇

(1.航天科工三院，北京 100074；2.北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

光子晶體光纖在光纖陀螺中的應用現狀及其關鍵技術

鄭 辛1，吳衍記2，于懷勇2

(1.航天科工三院，北京 100074；2.北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

光子晶體光纖技術發展迅速，憑借其自身材料的突出優勢已經在干涉式光纖陀螺中得到了應用。從光子晶體光纖的原理出發，闡述了光子晶體光纖的國內外研究現狀和應用于光纖陀螺的潛在優勢。同時針對兩型光子晶體光纖陀螺：干涉式光子晶體光纖陀螺和諧振式光子晶體光纖陀螺，綜述了陀螺層級的國內外研究現狀及目前面臨的主要技術問題，最后提出了光子晶體光纖陀螺后續發展需要攻克的技術瓶頸。

光子晶體光纖；光子晶體光纖陀螺；干涉式光子晶體光纖陀螺；諧振式光子晶體光纖陀螺

0 引言

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的光纖角速度傳感器，廣泛應用于慣性導航和控制領域。1976年，美國Utah大學的V．Vali和R．WShorthill成功研制出世界上第一個光纖陀螺，標志著第二代光學陀螺——光纖陀螺的誕生，四十多年來，世界各國有關研究機構和學者都開展了光纖陀螺的研究工作。

按照光路結構和檢測原理的不同，光纖陀螺可分為干涉式光纖陀螺(IFOG)和諧振式光纖陀螺(RFOG)。目前干涉式光纖陀螺精度范圍已經涵蓋0.001(°)/h～10(°)/h，并廣泛應用于航空、航天、航海、兵器、定位定向、鉆井測斜等領域[1-9]。10-3(°)/h～10-5(°)/h的高精度干涉式光纖陀螺的研究和應用已經成為該領域的熱點，代表產品是2016年美國Honeywell公司研制的0.00003(°)/h的高精度原理樣機[10]。諧振式光纖陀螺原理上存在與同等精度下干涉式光纖陀螺相比，體積減少一個數量級以上的技術優勢，代表著將來陀螺高精度、小型化的發展趨勢，同時也是新型光纖陀螺研究的熱點和重點。目前諧振式光纖陀螺公開報道的最高精度是Honeywell公司于2017年研制出的零偏穩定性0.1(°)/h的原理樣機，其性能尚不能滿足慣性導航系統的應用需求，還處于實驗室研制階段。

光纖陀螺的發展方向是高精度和小型化，目前IFOG和RFOG在高精度和小型化發展道路上遇到了技術瓶頸。高精度干涉式光纖陀螺中長達數千米的保偏光纖傳感環圈在多物理量(如溫度、磁場、壓力等)交互作用下導致陀螺性能嚴重劣化，為降低其環境敏感性所采取的眾多有效措施(如多重磁屏蔽、真空密封技術等)，導致其體積、質量和功耗增大，限制了陀螺性能提升與小型化發展；諧振式光纖陀螺受傳統保偏光纖自身材料特性的影響，各種非互易性噪聲-偏振噪聲、背向散射噪聲、克爾噪聲等嚴重劣化陀螺性能，同時受保偏光纖最小彎曲半徑的限制，目前研制的諧振式光纖陀螺樣機尺寸與干涉式光纖陀螺相比尚無明顯降低。

光子晶體光纖是一種包層由空氣孔-石英沿軸 向周期性排列所構成的新型光纖。光子晶體光纖具有環境敏感性低、彎曲損耗和彎曲半徑小、互易性噪聲低等突出優勢，因此采用光子晶體光纖作為光纖陀螺敏感材料，形成新型光纖陀螺-光子晶體光纖陀螺，有望解決傳統保偏光纖陀螺在性能提升與小型化發展道路上遇到的諸多問題。按照光路結構不同，光子晶體光纖陀螺可分為干涉式光子晶體光纖陀螺和諧振式光子晶體光纖陀螺。其中干涉式光子晶體光纖陀螺致力于現有干涉式保偏光纖陀螺的整體性能提升，解決制約環境應用中的諸多難題。與同等精度下傳統干涉式光纖陀螺相比，諧振式光子晶體光纖陀螺原理上存在體積小的技術優勢，也引起了國內外的廣泛關注。

1 光子晶體光纖簡介

1.1 光子晶體光纖的原理及分類

光子晶體光纖是由單一材料的毛細管堆積成一定結構，利用光纖拉制工藝成型的一種新型微結構光纖。按照截面結構來分，主要分為空心光子晶體光纖和實心光子晶體光纖。其中空心光子晶體光纖的導光機理與傳統光纖完全不同，它是通過包層光子晶體的布拉格衍射來限制光在纖芯中傳播的，即光子能帶理論；而實心光子晶體光纖的導光機理與傳統光纖類似，即全反射理論。

1.2 光子晶體光纖的原理及分類

1992年，Bath大學的P.St.J.Russell首次提出光子晶體光纖的概念。1996年，P.St.J.Russell和J.C.Knight等利用毛細管堆砌的方法制造了第一根折射率引導型光子晶體光纖[11-12]。1998年J.C.Knight等成功研制第一根基于帶隙效應的光子晶體光纖，其截面示意圖如圖1(a)所示[13]。2000年以后，隨著光子晶體光纖傳輸損耗的降低以及與普通光纖耦合技術的提升，光子晶體光纖逐漸進入了實用化階段[14-15]。商用化的代表單位是丹麥的NKT公司，該公司具有多型光子晶體光纖產品(典型產品HC-1550-PM-01如圖1(b)所示)。2013年，美國OFS公司成功研制高性能保偏光子晶體光纖(如圖1(c)所示)，于2015年成功將光子晶體光纖傳輸損耗降低到優于5.1dB/km，并應用于光子晶體光纖陀螺樣機。2016～2017年，法國巴黎南大學在歐洲航天局支持下提出了一種新型7胞Kagome空心光子晶體光纖(如圖1(d)所示)，并與空心帶隙光子晶體光纖進行對比分析[16]。

國內實心光子晶體光纖的許多關鍵技術已經取得了重要進展，并實現了小批量生產，研制出的干涉式光子晶體光纖陀螺樣機精度與同等條件下傳統光纖陀螺的精度相當，但光子晶體光纖的潛在優勢尚未得到體現。

(a)第一根帶隙型光子晶體光纖(a)The first bandgap photonic crystal fiber

(b)NKT空心光子晶體光纖(b)Hollow core photonic crystal fiber of NKT

(c)OFS空心光子晶體光纖(c)Hollow core photonic crystal fiber of OFS

(d)Kagome空心光子晶體光纖(d)Kagome hollow core photonic crystal fiber圖1 光子晶體光纖截面示意圖Fig.1 The section of photonic crystal fiber

由于國外技術封鎖，空心光子晶體光纖制作水平與國外技術水平相比仍存在一定差距，其性能有待提高，如進一步降低傳輸損耗、改善結構設計和制作工藝等；其次，應用于光子晶體光纖陀螺的相關光學器件需要重新設計和改善，從而達到良好的匹配效果。目前，國內在空心光子晶體光纖方面主要依靠國外進口。

1.3 光子晶體光纖的潛在優勢

光子晶體光纖主要優勢體現在：1)彎曲半徑小，可以實現直徑20mm或更小的傳感環圈制作，保證了小型化小尺寸的需求；2)光在光子帶隙限制的準真空區域內傳播，不存在Shupe效應、Kerr效應等寄生效應；3)環境敏感性低。溫度系數約為傳統單模光纖SMF-28的1/10，非線性效應為SMF-28的1/250、磁場敏感度為SMF-28的1/90。光子晶體光纖的出現為小型化高精度光纖陀螺提供了一種新型技術途徑。

總之，光子晶體光纖是一種很有潛力的新型光纖，盡管國外進行了十幾年的研究，但是其應用仍處于初級階段，尚未形成典型的應用產品，技術成熟度遠遠低于普通的傳感光纖，其潛在優勢尚未在產品中得到充分證明。

2 光子晶體光纖在光纖陀螺中的應用

2.1 干涉式光子晶體光纖陀螺

2.1.1 干涉式光子晶體光纖陀螺的國外研究現狀

美國的Stanford大學、Northrop Grumman公司、Draper實驗室在干涉式光子晶體光纖陀螺研究方面走在了世界前列，已有干涉式光子晶體光纖陀螺樣機的相關報道。

(1)Stanford大學和Northrop Grumman公司

2006年，在Northrop Grumman公司的資助下，Stanford大學的Edward L.Ginzton實驗室采用235m空心光子晶體光纖繞制光纖環圈，1540nm寬帶摻鉺光纖光源和集成光學調制器等搭建了世界第一臺干涉式光子晶體光纖陀螺樣機，樣機的隨機游走約為0.01(°)/h1/2[17-18]。

2007年，Stanford大學進一步理論分析了光子晶體光纖陀螺誤差機理，分析表明：空心光子晶體光纖陀螺的非線性Kerr效應是傳統保偏光纖陀螺的1/100～1/500，熱致Shupe溫度誤差降低到原來的1/23，Faraday磁場敏感度降低到原來的1/200，輻射敏感性降低到原來的1/50[19]。

同年，對光子晶體光纖陀螺進行了環境性能測試，測試結果表明：采用空心光子晶體光纖的光纖陀螺，其Kerr效應引起的漂移是傳統IFOG的1/170，熱致Shupe系數是傳統IFOG的1/6.5，Faraday效應產生的誤差是傳統IFOG的1/20。

針對光子晶體光纖應用于光纖陀螺樣機中存在的理論優勢與實際效果存在較大差距的問題，研究人員通過理論和實驗綜合分析指出：其主要原因是低損耗光子晶體光纖、高性能光纖傳感環圈、高穩定性摻鉺光子晶體光纖光源等關鍵器件及相關技術尚未成熟。

(2)Draper實驗室

Draper實驗室以全內反射型實心光子晶體光纖作為其光子晶體光纖陀螺研究方案，采用專門委托光纖生產廠家OFS公司研制的實心光子晶體光纖，其結構和基本參數分別如圖2和表1所示。

圖2 Draper實驗室用光子晶體光纖結構Fig.2 The section of photonic crystal fiber used in Draper lab

光纖參數尺寸/μm光纖直徑126纖芯直徑6.0孔徑1.5孔間距5.2

2006年，T．Jesse等采用實心光子晶體光纖替代傳統保偏光纖繞制光纖環圈，分別采用波長1310nm的SLD和1532nm的SFS兩種寬帶光源、單模耦合器和集成光學調制器，搭建了干涉式光子晶體光纖陀螺原理樣機，零偏穩定性約為0.02(°)/h[20]。

國外干涉式光子晶體光纖陀螺仍處于實驗室樣機階段，未見工程應用報道，主要受制于關鍵器件——光子晶體光纖的技術和成本限制。

2.1.2 干涉式光子晶體光纖陀螺的國內研究現狀

國內光纖陀螺研制單位也密切關注光子晶體光纖陀螺的研究，“十一五”至“十二五”期間，相繼開展了干涉式光子晶體光纖陀螺的研究工作，并在“十二五”期間，取得了長足進步。以北京航空航天大學、浙江大學、航天十三所、航天三十三所等主要光纖陀螺研制單位為代表的干涉式實心光子晶體光纖陀螺樣機參加了原總裝“十二五”慣性技術聯合測試，參測單位大多采用國產光子晶體光纖繞制光纖環圈，其他光學器件仍采用傳統的單模/保偏光纖方案。光子晶體光纖陀螺樣機測試結果：常溫零偏穩定性0.0018(°)/h，標度因數非線性度6.1×10-5，并通過了環境適應性測試，在同等條件下其整體性能與常規光纖陀螺相當，略有優勢，現有技術水平沒有充分發揮出光子晶體光纖理論上給出的環境性能優勢。

2.2 諧振式光子晶體光纖陀螺

諧振式光子晶體光纖陀螺原理上存在與同等精度下干涉式光纖陀螺相比，具有體積減少一個數量級以上的技術優勢，成為小型化高精度發展的潛力方案之一。

2.2.1 諧振式光子晶體光纖陀螺國外研究現狀

國外光子晶體光纖陀螺研究的代表單位是美國Honeywell公司、Northrop Grumman公司、法國巴黎南大學等，其中Honeywell公司、Northrop Grumman公司將光子晶體光纖陀螺列到光纖陀螺中長期發展規劃中，作為小型化下實現高精度光纖陀螺的主要技術方案。表2給出了各個研究機構諧振式光子晶體光纖陀螺的研制概況[21-27]。

表2 諧振式光子晶體光纖陀螺各個研究機構的研制概況

2.2.2 諧振式光子晶體光纖陀螺國內研究現狀

國內在諧振式光子晶體光纖陀螺方面的研究目前仍處于起步階段，北京航空航天大學、浙江大學、航天三院三十三所等單位開始了諧振式光子晶體光纖陀螺的研究，采用標準儀器搭建的諧振式陀螺的實驗室原理樣機精度優于1(°)/h[28-37]。

但是受限于低傳輸損耗光子晶體光纖、高性能光子晶體光纖諧振腔和模塊化光源等關鍵器件的發展相對滯后，加之適用于諧振式光纖陀螺專用的信號檢測手段、噪聲分析抑制及性能提升等關鍵技術水平尚未成熟，使得光子晶體光纖陀螺整體水平與國外相比仍存在一定差距。

3 主要技術問題

3.1 高性能光子晶體光纖仿真設計與優化制作

光子晶體光纖是構建光子晶體光纖陀螺的核心材料，其傳輸損耗、偏振消光比等參數直接決定角速度敏感單元(光子晶體光纖環圈或者光子晶體光纖諧振腔)的主要性能，進而影響光子晶體光纖陀螺性能。

光子晶體光纖的性能與其結構密切相關，光纖的偏振消光比、單模傳輸特性、色散、非線性等受空氣孔孔徑和孔距以及孔排列方式的影響。對于制做光子晶體光纖最常用的管束堆積法，如何設計包層空氣孔半徑、孔間距以及排列結構，如何保持空氣孔的橫縱向均勻性，降低光子晶體光纖的傳輸損耗，進而降低敏感環路的傳輸損耗，提升陀螺極限靈敏度，是光子晶體光纖實用化進程中亟待解決的技術難題；光纖橫截面上空氣孔尺寸的不均勻性和空氣孔位置排列的不均勻性會引起光子晶體光纖消光比的嚴重劣化，而消光比的變化會在光子晶體光纖陀螺中引入偏振耦合噪聲，制約了陀螺的環境適應性。

總之，在光子晶體光纖方面主要存在以下問題：

1)光纖陀螺對光子晶體光纖的要求尚未形成完整的指標體系和測量驗證體系；

2)光子晶體光纖的制作工藝尚不完善，理論優勢沒有得到充分發揮。

3.2 光子晶體光纖與保偏光纖熔接技術

在光子晶體光纖與保偏光纖熔接或者光子晶體光纖自身對熔過程中，光子晶體光纖內部的空心氣孔結構不斷變化，端面模場匹配度、熔接損耗和偏振串音急劇改變，嚴重影響陀螺性能，因此光子晶體光纖低損耗熔接技術成為了光子晶體光纖陀螺研制過程中的主要難點和關鍵技術，需要重點解決的問題如下。

3.2.1 空氣孔塌陷

熔接機在熔接兩光纖時，兩光纖端被加熱熔化后推壓形成一個節點，然而光子晶體光纖具有小的硅玻璃面積(包層中空氣孔的結構)，所以光子晶體的熔點小于普通光纖的熔點。假定光子晶體光纖和普通光纖的熱吸收系數相同，空氣孔的塌縮速率可表示為

(1)

其中，γ表示表面張力，η表示黏性。硅玻璃的表面張力對熔接過程中的溫度不是很敏感，但是黏性隨著溫度的升高會迅速下降，因此，孔的塌縮速率將隨著溫度的升高而加速。如果用熔接普通光纖的參量去熔接光子晶體光纖，由于總的放電能量太高而導致光子晶體光纖空氣孔的完全塌縮，光子晶體光纖的導光結構被破壞而引起熔接點的高損耗。

3.2.2 模場不匹配

典型的光子晶體光纖和PANDA保偏光纖存在明顯的不匹配，其理論的耦合損耗可由式(2)計算

(2)

MFD1和MFD2分別表示光子晶體光纖和保偏光纖的模場直徑，由式(2)可知，當兩種光纖的模場直徑相等或者相差很小時，模場失配損耗會很小，這樣只要選擇好熔接機的熔接參數，不破壞光子晶體光纖的空氣孔，熔接損耗將會很低。然而對于模場直徑相差很大的光纖之間的熔接，盡管光子晶體光纖空氣孔沒有被破壞，熔接后的損耗仍然很大，主要是因為兩種光纖的模場直徑不匹配所引起的。

3.2.3 熔接可靠性

光纖的高質量熔接不僅要求高的耦合效率，還要求高的熔接強度。因此在設置熔接參量時，既要考慮低損耗熔接功率區間的限制，同時又要兼顧熔接強度的要求，即熔接過程的熔接電流不能過低，否則兩光纖末端不能充分軟化接合，接頭易脆易斷，嚴重影響熔接結果。另外空氣孔的存在會導致光子晶體光纖包層等效導熱系數降低，外圍向芯區導熱的速度比保偏光纖要慢，因此以相對長時間的小電流加熱更有助于使光纖橫向各部分受熱均勻，帶來更好的熔接結果。因此在選取最優化熔接參量組合時，應盡量選擇相對小的熔接電流和相對較長的放電時間。如何同時提升熔接強度、傳輸損耗等參數是提升光子晶體光纖與保偏光纖熔接可靠性的主要技術問題。

3.3 光子晶體光纖關鍵器件設計及實現技術

光子晶體光纖陀螺無論是干涉式還是諧振式的終極目標就是實現陀螺內部光纖器件全部采用光子晶體光纖，在這個過程中主要的技術難點是光子晶體光纖環圈、光子晶體光纖諧振腔、光子晶體光纖光源、光子晶體光纖耦合器、光子晶體光纖調制器等光學器件的設計與制做技術。

上述光學器件的設計與制做技術主要分為三個技術點：一是光子晶體光纖專有的環圈制做技術；二是光子晶體光纖的端面處理技術；三是光子晶體光纖準直器技術。掌握了這三項技術后就可以完全實現上述光子晶體光纖器件的設計與制做，形成完全的光子晶體光纖陀螺。

3.3.1 光子晶體光纖環圈制作技術

光子晶體光纖環圈是光子晶體光纖陀螺的核心敏感部件，其性能直接決定陀螺精度和溫度適應性。光子晶體光纖環圈溫度變化引起的光纖陀螺誤差可表示如下[38]

(3)

其中，n為光纖折射率，u=z/L，z為光纖上一點。S為光纖的Shupe系數，表示如下

(4)

φ為一段光纖dl發生dT溫度變化時產生的相位延遲，與光纖熱場分布、溫度偏振串擾、折射率溫度系數以及應力溫度系數相關。由式(4)可知，當光子晶體光纖環相對于中點完全對稱時，陀螺因溫度引入誤差為零，因此提高光子晶體光纖環圈繞制對稱性是光纖環圈設計所追求的目標。

由于光子晶體光纖環圈折射率和Shupe系數都比保偏光纖小，因此在同樣的對稱性下，光子晶體光纖陀螺的溫度性能更佳。但是光子晶體光纖的多孔結構特點使得環圈繞制過程異常艱難，在環圈繞制和點膠固化過程中又很難保證光子晶體光纖結構不發生變化，從而引起環圈結構對稱性的變化，這是光子晶體環圈的制作難點。

3.3.2 光子晶體光纖端面處理技術

光子晶體光纖端面處理程度直接影響光子晶體光纖耦合熔接效率，以及輸出光質量，最終影響光子晶體光纖陀螺性能。光子晶體光纖端面處理與傳統保偏光纖有所區別，尤其是在去除涂覆層、切割等環節上。另外，在構建光子晶體光纖器件上需要考慮采取特殊工藝和技術手段來封閉光纖端面的毛細管孔是光子晶體光纖關鍵器件的關鍵工藝之一。

3.3.3 光子晶體光纖準直器技術

光子晶體光纖準直器是實現高性能光子晶體光纖諧振腔的重要組件，由光子晶體光纖尾纖和準直透鏡組成，其主要功能是將光子晶體光纖端面出射的發散光束變換為平行光束，隨后將平行光束會聚并高效耦合進入光子晶體光纖諧振腔。光子晶體光纖準直器的插入損耗、回波損耗、光束發散角等參數指標直接決定諧振腔性能。同時在光子晶體光纖準直器加工過程中，不僅要確保上述參數指標的實現，同時還必須確保準直器的高穩定性、高可靠性、體積小等特點，因此光子晶體光纖準直器的設計及加工是目前光子晶體光纖陀螺研制過程中的關鍵技術。

4 結論

為改善高精度干涉式光纖陀螺的環境適應性，國內外采取了很多行之有效的措施，但由此引起了其體積、質量的明顯增大，在很大程度上制約了其發展和應用。光子晶體光纖具有溫度、磁場敏感性低等潛在優勢，是解決高精度光纖陀螺環境適應性問題的途徑之一。

但是，光子晶體光纖及其相關元器件的發展尚處于起步階段，要想真正發揮其潛在優勢，解決目前干涉式光纖陀螺遇到的問題，還需要在光子晶體光纖、光子晶體光纖相關元器件和陀螺整體技術方面進行大量的研究工作，而不僅僅是光纖傳感環圈的簡單替代。

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KeyTechnologyamp;ApplicationStatusofthePhotonicCrystalFiberUsedinFiberOpticGyroscope

ZHENG Xin1, WU Yan-ji2, YU Huai-yong2

(1. The 3rdAcademy of China Aerospace Science amp; Industry Corp., Beijing 100074,China；2. Beijing Institute of Automatic Control Equipment,Beijing 100074,China)

The technics of photonic crystal fiber (PCF) has been developing quickly these years and successfully applied in the photonic crystal fiber optic gyroscope (PCFOG) for its potential advantage in environmental fluctuation. First, the principle of the PCF and the domestic and overseas research status are introduced in detail. Then a review to two kinds of optic gyroscope, which are interferometric photonic crystal fiber optic gyroscope (IPCFOG) and resonance photonic crystal fiber optic gyroscope (RPCFOG), are given focusing on the technical problem and difficulties. Finally, some advice are given on developing PCFOG.

Photonic crystal fiber；Photonic crystal fiber optic gyroscope；Interferometric photonic crystal fiber optic gyroscope; Resonant photonic crystal fiber optic gyroscope*

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.06.001

TH256；TH74；U666.1

A

2095-8110(2017)06-0001-08

2017-10-10；

2017-11-08

裝備發展部十三五項目

鄭辛(1969-)，男，博士，研究員，主要從事導航與定位方面研究。