光子晶體光纖陀螺技術及其首次空間試驗

徐小斌，王曉陽，高福宇，朱云浩，張祖琛，劉嘉琪，金 靖，宋凝芳

（北京航空航天大學，北京 100191）

光纖作為光信息傳輸載體已廣泛應用于通信和傳感等領域。華裔科學家高錕于1966年首次提出利用光導纖維進行光信息的傳遞[1]。1973年，貝爾實驗室研制了低損耗光纖，促進了光纖通信領域發展，使光纖逐漸走進人們的生活[2]。隨著光纖應用領域的不斷拓展，傳統光纖存在的折射率對比度低、結構參數自由度少、制作工藝復雜、光學特性容易受到外界環境影響等不足，已經不能完全滿足高帶寬通信、極端環境傳感等特殊領域的要求。1987年E.Yablonovitch[3]和S.John[4]分別提出了“光子帶隙”的概念，即不同介電常數的材料在一維、二維或三維空間組成折射率周期性變化的光子晶體結構，如圖1所示，該結構可以限制特定頻率段的光通過，稱為光子帶隙效應。光子帶隙是一種全新控制光子的機制，但在自然界中早已存在，許多生物的甲殼、翅膀、羽毛均存在光子晶體結構，如色彩斑斕的蝴蝶翅膀。

圖1 光子晶體結構[5]Fig.1 Photonic crystal structure[5]

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fibre,PCF）是光子晶體最成功的應用之一。1996年，世界上第一根實芯光子晶體光纖（Solid Core Photonic Crystal Fibre,SC-PCF）問世[6]，但是這種光纖本質上還是基于全內反射式的導光機理。1999年，第一根真正基于光子帶隙效應的光子晶體光纖研制成功[7]，由于這種光纖可以限制光在空氣纖芯中傳播，因此又被稱為空芯光子晶體光纖（Hollow Core Photonic Crystal Fibre,HC-PCF）或光子帶隙光纖（Photonic bandgap Fibre,PBF）。光子晶體光纖是光纖光學領域的一個新研究分支，為解決傳統光纖無法解決的一些問題提供了新方向，極大地促進了光纖光學進一步發展。

光子晶體光纖相較于傳統光纖具有以下優勢：（1）光子晶體光纖的光學特性主要由其形狀結構參數決定，通過調節包層空氣孔的大小、數量及間距就可獲得不同的光學特性，從而提高了光纖結構設計靈活性；（2）光在純石英玻璃或者空氣孔中傳播，對輻射、溫度、磁場等環境因素的敏感性低[8]；（3）空芯光子晶體光纖中光在空氣纖芯內傳播，具有極低的非線性[9]。

光子晶體光纖陀螺（Photonic Crystal Fibre Optic Gyroscope,PCFOG）是光子晶體光纖最有前景的應用之一。光纖陀螺敏感頭為光纖環，由于傳統保偏光纖對輻射、溫度以及磁場較敏感，導致陀螺性能易受環境影響，嚴重制約了光纖陀螺的應用。為了保證光纖陀螺在惡劣環境中滿足性能要求，需要通過增加輻射、磁場屏蔽層、優化結構及熱設計等措施來解決，這些措施雖然能夠部分緩解陀螺性能劣化，但是增加了系統的復雜度、體積、重量和功耗等。光子晶體光纖的出現為從根本上解決上述問題提供了全新的途徑，由于光子晶體光纖對輻射、溫度、磁場等環境因素敏感度低，因此光子晶體光纖陀螺天然具有優良環境適應性。

本文主要介紹陀螺用光子晶體光纖及器件技術，光子晶體光纖陀螺技術及應用研究進展，包含以下五部分：第一部分介紹光子晶體光纖陀螺國內外研究現狀；第二部分為陀螺用光子晶體光纖設計與性能測試技術；第三部分為光子晶體光纖器件技術研究進展；第四部分為光子晶體光纖陀螺里程碑式應用；第五部分總結。

1 光子晶體光纖陀螺國內外研究現狀

光子晶體光纖陀螺優良的環境適應性優勢引起了國內外研究機構的廣泛興趣，國外的研究機構主要有斯坦福大學、帕克大學、Draper 實驗室和霍尼韋爾公司等，這些單位代表了國際相關領域的先進水平，國內也有多家機構同步開展研究。

1.1 實芯光子晶體光纖陀螺

實芯光子晶體光纖陀螺（SC-PCFOG）最早由美國Draper 實驗室于2006年提出，研究人員采用光纖環直徑與長度乘積為2.9 in-km 的實芯光子晶體光纖環搭建陀螺樣機，測試精度優于0.02 °/h[10]。

2006年，北京航空航天大學在多個國家計劃支持下開展了光子晶體光纖陀螺研究，包括光子晶體光纖的設計與制作、陀螺光路誤差測量和系統研制等方面[11,12]，提出了光子晶體光纖與傳統熊貓光纖的低損耗高強度熔接方法[13]，測量了光子晶體光纖的雙折射溫度敏感系數[8,14]、Shupe 系數、Verdet 常數、偏振特性等[15-17]，研制了光子晶體光纖陀螺原理樣機，揭示了其偏振誤差、溫度誤差等非互易誤差機理[18,19]，建立了光子晶體光纖陀螺光路噪聲模型[20]。

圖2 高精度實芯光子晶體光纖陀螺工程樣機Fig.2 High precision SC-PCFOG engineering prototype

研制的高精度實芯光子晶體光纖陀螺樣機（如圖2）于2017年4月20日隨“天舟一號”貨運飛船發射成功，在軌飛行150 天，性能穩定，這是光子晶體光纖陀螺的首次空間應用，驗證了光子晶體光纖陀螺空間應用可行性及優勢。

國內其他單位也開展了相關研究，并取得了豐碩的成果。2008年浙江大學提出了一種全光子晶體光纖陀螺的設計方案[21]，所有光學器件的尾纖均采用光子晶體光纖，能有效降低光纖陀螺對外界環境擾動的敏感度。2009年，北京交通大學開展了保偏光子晶體光纖及其在光纖陀螺中的應用研究[22]，設計了一種可用于光纖陀螺的近橢圓內包層保偏光子晶體光纖，并提出了一種基于此的陀螺方案。2013年，哈爾濱工程大學對光子晶體光纖陀螺溫度效應機理和誤差抑制措施展開研究，提出了優化光纖設計和繞環方式來抑制光子晶體光纖陀螺溫度誤差的方法[23]。2015年，航天時代光電科技有限公司對比測試了光子晶體光纖環和普通保偏光纖環的溫度、偏振及輻射特性[24,25]，驗證了光子晶體光纖陀螺在環境適應性方面的優勢。

1.2 空芯光子晶體光纖陀螺

2006年，斯坦福大學H.K.Kim 等人搭建了世界上第一個光子帶隙光纖陀螺（PBFOG）樣機[26]。光纖環由丹麥NKT 公司的HC-1550-02 型光子帶隙光纖繞制，直徑為82 mm，光纖長度為235 m。陀螺的長期漂移～2 °/h，最小可探測角速率～2.7 °/h。該研究小組還對樣機的背向散射噪聲[27]，Kerr 誤差、Faraday 誤差和Shupe 誤差等進行了測試[27,28]。結果表明，與相同尺寸下的傳統光纖陀螺相比，光子帶隙光纖陀螺中Kerr 效應引入的漂移為傳統光纖陀螺的1/170，Shupe 誤差為其1/6，Faraday 誤差為其1/20，驗證了光子帶隙光纖陀螺環境適應性優勢[29]。

2015年，北京航空航天大學搭建了光子帶隙光纖陀螺，如圖3所示，其光纖環為光子帶隙光纖，通過抑制此類陀螺特有的非互易誤差，如背向次波相干誤差等，樣機的零偏穩定性達到～0.4 °/h。

圖3 光子帶隙光纖陀螺方案Fig.3 Scheme of PBFOG

綜上，光子晶體光纖及光子晶體光纖陀螺具有很好的應用前景，國內外相關機構均在開展研究，大力推動此項技術的發展。

2 陀螺用光子晶體光纖設計與性能測試

2.1 實芯光子晶體光纖

從2006年開始，提出了陀螺用的四層周期結構細徑實芯保偏光子晶體光纖方案，在較細的光纖直徑約束下設計了力學強度和光學特性均滿足要求的結構。經過多輪的試驗攻關，突破了細徑光子晶體光纖制備關鍵技術，研制了光纖陀螺用細徑實芯保偏光子晶體光纖樣品，如圖4(a)所示。隨著陀螺對高精度、超穩定、小型化的需求日益迫切，要求光纖進一步細徑化，四層結構光纖難以滿足新一代光纖陀螺需求，因此提出了雙層孔結構的細徑實芯保偏光子晶體光纖，如圖4(b)所示。相對四層孔實芯光子晶體光纖，雙層孔光纖空氣孔數量減少了68%，結構及制備工藝大幅降低，由于空氣孔減少，光纖在拉絲過程中具備更好的穩定性。雙層孔實芯光子晶體光纖的損耗譜如圖4(c)所示，相比于四層孔結構光子晶體光纖，由于毛細管數量少，引入的水分含量降低，水峰吸收明顯降低，傳輸損耗更小，約1.2 dB/km@1550 nm。

圖4 實芯光子晶體光纖截面圖及損耗譜Fig.4 Cross-section and loss spectra of SC-PCF

2.2 空芯光子晶體光纖

空芯光子晶體光纖中存在大量空氣孔，相較于實芯光子晶體光纖，其拉制過程中需要控制的參數更多，拉制工藝更為復雜。為得到空芯光子晶體光纖關鍵拉制參數，根據流體力學斯托克斯方程（N-S 方程）建立了多參數融合的光纖拉絲數學模型，實現了對光子晶體光纖制備的仿真模擬，為提高光纖質量和縮短試驗周期提供了理論優化方法。經過多輪的結構及工藝優化，空芯光子晶體光纖性能逐漸提高，目前可批量制備長度為公里級的陀螺用空芯光子晶體光纖，如圖5所示。

2.3 光子晶體光纖測試

2.3.1 光子晶體光纖散射測試

光子晶體光纖的瑞利散射和材料吸收對總損耗的影響較小，其損耗主要來源于空氣-玻璃表面粗糙度引起的散射，因此需要對光纖的散射特性進行測量并分析，為降低光纖損耗奠定基礎。如圖6所示，散射按照方向可以分為周向散射和背向散射，為此分別搭建了周向散射能量球測量平臺和基于M2干涉儀的背向散射測量平臺。

圖6 光子晶體光纖纖芯散射示意圖Fig.6 Diagram of scattering in PCF core

（1）周向散射測試

為了得到周向散射能量分布，提出了一種可以實現光纖全方位角的三維周向散射測量平臺。該實驗裝置的空間分辨率≤1 °，靈敏度≤1 pW，測試角度范圍15 o～165 o。根據測量結果可以得到光纖外部的散射能量球，如圖7所示。球面上每一點代表了光子晶體光纖在此空間點的散射能量，基于此也可以間接反映出光纖內部結構狀態。

圖7 光子晶體光纖散射能量球Fig.7 Scattering energy spheres of PCF

（2）背向散射測試

目前可以實現光纖背向散射測量的技術主要有光時域反射技術、光頻域反射技術和光學低相干反射技術，光學低相干反射技術為三種技術中測量靈敏度最高的方法，且較為簡單，但存在測量距離短的問題。為此研制了一種基于M2干涉儀背向散射測量設備，如圖8所示，通過電動延遲線和多路光開關，將長度測量范圍拓展了一個數量級，達到米量級，可以很方便的評估一段光纖中背向散射大小。利用該裝置測試傳統單模光纖（SMF）和光子帶隙光纖背向散射結果如圖9，光子帶隙光纖比傳統單模光纖背向散射要大～17 dB。

圖8 背向散射測量儀Fig.8 Backscattering reflectometer based on M2 interferometer.

圖9 傳統單模光纖和光子帶隙光纖背向散射測量結果Fig.9 Test results of backscattering in SMF and PBF

2.3.2 光子晶體光纖環境適應性測試

（1）磁敏感性測試

評價光纖磁敏感性的指標是Verdet 常數，對于空芯保偏光子帶隙光纖，光在中空纖芯內傳播，理論上Verdet 常數極小，傳統的測量手段無法適用。提出了一種基于耦合次波干涉的光子晶體光纖Verdet 常數測量裝置，通過解調耦合次波的干涉強度實現極小Verdet常數測量。實驗結果表明空芯保偏光子晶體光纖比傳統光纖Verdet 常數小～124 倍，驗證了空芯光子晶體光纖在磁場環境下的性能優勢。

（2）溫度敏感性測試

光纖中Shupe 系數定義為光纖光程隨溫度的變化，與陀螺溫度性能直接相關。搭建了基于Mach-Zender干涉儀的Shupe 系數測量平臺，針對五種光纖分別測試了其對應的Shupe 系數，如表1所示。實驗結果表明空芯光子晶體光纖Shupe 系數比傳統光纖小～10 倍，實芯光子晶體光纖的Shupe 系數雖與傳統光纖相近，但是其雙折射在溫度下的穩定性要高1 個數量級。

表1 五種光纖Shupe 系數測試結果Tab.1 Test results of Shupe coefficient for five fibers

3 光子晶體光纖器件研制

3.1 光子晶體光纖耦合器

光子晶體光纖耦合器是全光子晶體光纖陀螺核心器件之一，但目前光子晶體光纖耦合器仍沒有實用化產品。主流的熔融拉錐方法容易導致光子晶體光纖包層空氣孔塌陷，插入損耗急劇增加[30,31]，遠遠大于基于該方法的傳統光纖耦合器損耗。側面拋磨方法可以最大限度避免包層空氣孔塌陷，并保持光纖的均勻性及完整性，插入損耗較小，但是工藝比較復雜，批量生產有難度[32]。經過試驗驗證，基于膜片耦合的方法比較適合光子晶體光纖耦合器，但是為了抑制反射，制作過程中需將光纖端面研磨成8 °斜面，由于光子晶體光纖中存在多個空氣孔，研磨會導致碎屑進入空氣孔，如圖10(a)所示，嚴重影響光纖的傳輸特性。通過優化研磨材料、選擇合適的研磨液，以及研磨后的清洗可以解決該問題，如圖10(b)所示。基于該方法研制的光子晶體光纖耦合器樣品如圖11所示，尺寸為Ф3×25 mm，附加損耗～2 dB。

圖10 光子晶體光纖端面研磨效果Fig.10 Grinding effect of PCF end-face

圖11 光子晶體光纖耦合器樣品Fig.11 PCF coupler prototype

3.2 光子晶體光纖敏感環

光纖陀螺敏感環包括光纖環和集成光學調制器（Y波導），其制作中關鍵技術之一為光纖環和Y 波導尾纖的耦合，傳統的耦合方式主要是熔接，然而光子晶體光纖環和Y 波導傳統光纖尾纖的熔接點處通常存在損耗大、強度低、可靠性差，并且長度不易控制等問題。光子晶體光纖直接耦合為解決這一問題提供了技術手段，直接耦合是指將光纖環尾纖按照一定的角度直接與Y 波導芯片耦合。針對具有多孔薄壁結構的光子晶體光纖，研制了相應的直接耦合設備（如圖12），實現了光子晶體光纖環與Y 波導芯片的高精度耦合，提高了陀螺的實用精度及可靠性。

圖12 Y 波導/光纖環直接耦合系統Fig.12 Direct coupling system for Y waveguide and fiber coil

4 光子晶體光纖陀螺研制與應用

4.1 實芯光子晶體光纖陀螺

基于實芯光子晶體光纖與器件、光子晶體光纖陀螺特有誤差抑制等技術，研制了輕小型三軸一體光子晶體光纖陀螺工程樣機，如圖13所示。該陀螺的角隨機游走系數～0.013 °/，已成功應用于某型號試驗。

圖13 輕小型三軸一體光子晶體光纖陀螺Fig.13 Miniature triaxial PCFOG

研制了高精度實芯光子晶體光纖陀螺，如圖14所示，2017年4月20日，該陀螺隨“天舟一號”貨運飛船成功發射，在軌150 天工作穩定，圓滿完成了實驗任務，這是國際上光子晶體光纖陀螺的首次空間試驗。目前已研制出更高精度的實芯光子晶體光纖陀螺，2019年12月成功在“實踐二十號”衛星上開展飛行試驗，2020年12月用于某衛星主控，這是國際首次此類型陀螺用于衛星主閉環控制，性能優異。

圖14 高精度實芯光子晶體光纖陀螺Fig.14 High precision SC-PCFOG

4.2 空芯光子晶體光纖陀螺

采用自研的空芯光子晶體光纖，繞制了空芯光子晶體光纖環，如圖15(a)所示，研制了空芯光子晶體光纖陀螺樣機，如圖15(b)所示，其零偏穩定性達到0.4 o/h，通過各種環境試驗驗證了空芯光子晶體光纖陀螺的可行性和優勢，為下一步提高其性能并推廣應用尤其是惡劣空間環境下的應用奠定了基礎。

圖15 空芯光子晶體光纖陀螺Fig.15 HC-PCFOG

5 結論

針對光纖陀螺應用需求，提出了雙層與四層結構細徑實芯保偏光子晶體光纖方案，突破了光子晶體光纖制備關鍵技術，實現了光子晶體光纖的長距離穩定制備，搭建了光子晶體光纖散射測量、溫度與磁敏感性測量平臺，得到了光子晶體光纖周向散射能量分布以及背向散射分布，光子晶體光纖環境適應性比傳統光纖優1～2個數量級。在光子晶體光纖器件方面，研制了低損耗光子晶體光纖耦合器和基于直接耦合的光子晶體光纖敏感環。基于以上研究基礎，實現了三軸輕小型實芯光子晶體光纖陀螺工程樣機和高精度光子晶體光纖陀螺工程樣機，已成功用于多個領域，驗證了光子晶體光纖陀螺的可行性和優勢，為將來廣泛應用奠定了基礎。光子晶體光纖陀螺未來具有以下三個發展方向：（1）高精度實芯光子晶體光纖陀螺。目前實芯光子晶體光纖損耗已接近傳統光纖，同時具有優異的偏振穩定性、抗輻照等優勢，可以滿足高精度陀螺的應用需求。（2）超穩定空芯光子晶體光纖陀螺。空芯光子晶體光纖中光在空氣纖芯內傳播，具有優異的環境適應性優勢，可以滿足極其惡劣環境下的需求。（3）輕小型諧振式光子晶體光纖陀螺。由于諧振式光子晶體光纖陀螺光纖環長度通常為十幾到幾十米，同時還具有光子晶體光纖的彎曲半徑小、環境適應性好等優勢，因此可以滿足輕小型、高穩定場合需求。