基于空芯光子晶體光纖的光學(xué)陀螺儀研究進(jìn)展?

黃 冬 郭文閣 吳耀方

（西安石油大學(xué)理學(xué)院 西安 710065）

基于空芯光子晶體光纖的光學(xué)陀螺儀研究進(jìn)展?

黃 冬 郭文閣 吳耀方

（西安石油大學(xué)理學(xué)院 西安 710065）

相比較普通光纖，使用空芯光子晶體光纖（hollow core photonic crystal fiber，HC-PCF）能解決光纖陀螺儀（Fiber Optic Gyroscope，F(xiàn)OG）在熱真空和輻照環(huán)境下溫度穩(wěn)定性、磁敏感性和噪聲等問題，在提高陀螺儀精度方面具備較大優(yōu)勢(shì)。論文介紹了HC-PCF的基本結(jié)構(gòu)及FOG工作的基本原理，比較了HC-PCF和普通光纖對(duì)光學(xué)陀螺儀的性能影響。描述了HC-PCF-FOG的發(fā)展過程并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望，為該新型光學(xué)陀螺技術(shù)的進(jìn)一步研究提供指導(dǎo)。

空芯光子晶體光纖；光纖陀螺儀；光學(xué)陀螺儀；Sagnac效應(yīng)；慣性系統(tǒng)

1 引言

光學(xué)陀螺儀主要有激光陀螺儀和FOG，本文主要討論FOG。FOG具有結(jié)構(gòu)簡單、精度覆蓋范圍廣、可靠性高和設(shè)計(jì)壽命長等固有特性，是慣性系統(tǒng)的主要儀表，主要廣泛應(yīng)用在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、衛(wèi)星和飛船等空間飛行器中［1］。隨著飛行器性能的提升以及應(yīng)用領(lǐng)域面向深空，F(xiàn)OG需要進(jìn)一步降低重量與縮小體積，同時(shí)還要求熱真空和強(qiáng)輻照環(huán)境下達(dá)到更高的精度。目前，F(xiàn)OG在空間應(yīng)用中還存在兩個(gè)問題［2］：1）抗輻照能力不夠強(qiáng)；2）在熱真空環(huán)境下光纖陀螺精儀度降低。其中輻照會(huì)使光纖的纖芯會(huì)產(chǎn)生色心沉積，從而導(dǎo)致光纖損耗增大，進(jìn)而引起整個(gè)陀螺儀光路損耗增加，導(dǎo)致陀螺儀隨機(jī)游走性能變差，影響光纖陀螺的精度。在空間溫度場(chǎng)作用下，其光纖纖芯的折射率隨溫度發(fā)生一定的變化，最終導(dǎo)致光纖環(huán)產(chǎn)生Shupe誤差，產(chǎn)生了零偏漂移，影響FOG的精度。現(xiàn)在目前研究人員主要通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)優(yōu)化解決上述問題，但這些方法使導(dǎo)致FOG結(jié)構(gòu)變的更加復(fù)雜同時(shí)也增加了成本［3～4］?；?HC-PCF在非線性、溫度穩(wěn)定性、輻射性、磁場(chǎng)不敏感性都優(yōu)于普通光纖。這些特性在提高陀螺儀精度方面具有較大優(yōu)勢(shì)，尤其是能解決FOG在溫度穩(wěn)定性、磁敏感性和噪聲等問題［5］。隨著HC-PCF的加工技術(shù)的不斷發(fā)展，HC-PCF-FOG將成為高精度FOG。

2 原理

2.1 空芯光子晶體光纖

HC-PCF是一種帶有線缺陷的二維光子晶體光子帶隙光子晶體光纖，它由空芯纖芯和周期分布的空氣孔所形成的包層組成。其導(dǎo)光機(jī)制為光子帶隙效應(yīng)，HC-PCF結(jié)構(gòu)形成了二維布喇格光柵，滿足布喇格反射條件的光就會(huì)被局限在空芯光子晶體缺陷中，從而使光沿光纖的軸向傳播。HC-PCF一般是由純石英管制成，通過改變空氣孔的排列方式和尺寸可以制成各種規(guī)格光纖。HC-PCF的這種結(jié)構(gòu)和傳光方式使其具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［3］：1）對(duì)溫度、電磁場(chǎng)、空間輻射等環(huán)境因素的敏感度低；2）散射低、損耗小、傳輸參數(shù)穩(wěn)定、對(duì)彎曲不敏感；3）在HC-PCF中，光的傳輸可等效在真空環(huán)境中。

2.2 FOG工作原理

FOG是基于Sagnac效應(yīng)［6］的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器，根據(jù)所采用的解調(diào)方式不同和對(duì)FOG的噪聲補(bǔ)償方法不同分為多種類型。根據(jù)Sagnac效應(yīng)，當(dāng)環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在光路中相向傳播的兩列光波，因光波的慣性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致兩束相干光波的干涉。該光程差對(duì)應(yīng)的位相差與旋轉(zhuǎn)角速率之間有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系（如式（1）），通過對(duì)干涉光強(qiáng)信號(hào)的檢測(cè)和解調(diào)，便可以確定旋轉(zhuǎn)角速率。

3 光纖對(duì)光學(xué)陀螺儀的性能影響

光纖被制作成光纖環(huán)作為光學(xué)陀螺儀的核心部件。由式（1）可知，F(xiàn)OG的靈敏度與光纖環(huán)的長度和直徑成正比，其光纖環(huán)的長度、直徑和環(huán)境穩(wěn)定性等因素影響光學(xué)陀螺儀的性能。

3.1 光纖環(huán)的長度

增加光纖環(huán)中光纖的長度可以提高FOG測(cè)量的靈敏度，同時(shí)光纖中的損耗和非線性效應(yīng)也會(huì)增加。這就需要光纖滿足下面的特性：1）單位長度的光功率損耗較低。2）低的背向散射，降低噪聲和測(cè)量誤差。3）非線性度低，如Kerr效應(yīng)等。低的非線性度能夠減少由電場(chǎng)的變化引起光回路中的測(cè)量誤差。4）光纖熔接損耗較低，光纖熔接影響光能的損失和熔接面的反射率。進(jìn)一步影響陀螺儀的設(shè)計(jì)及總體性能的測(cè)量。普通光纖中的非線性效應(yīng)受到Kerr的限制，而HC-PCF要比普通光纖小2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2 光纖環(huán)的直徑

光纖環(huán)直徑的影響著陀螺儀的體積及敏感性，體積小是FOG的自身的優(yōu)勢(shì)。如果要同時(shí)滿足FOG的高靈敏度和小體積，那就需要光纖具有下面性能：1）光纖的直徑較小，這樣可以在較小的空間內(nèi)繞更多圈數(shù)來獲得長的光路。2）光纖對(duì)彎曲敏感度較低，降低因光纖彎曲造成光功率的損失。在陀螺儀中運(yùn)用的普通光纖其彎曲直徑為2～3英寸，HC-PCF其彎曲直徑小于1英寸，HC-PCF比普通光纖具有更大的彎曲度。

3.3 環(huán)境穩(wěn)定性

環(huán)境的穩(wěn)定性對(duì)FOG性能是非常重要的，這需要光纖在以下幾個(gè)方面要有較高的穩(wěn)定性。1）熱穩(wěn)定性。光纖偏振特性對(duì)溫度敏感性低和低的舒珀效應(yīng)。2）低的輻射敏感性。特別是在太空環(huán)境運(yùn)用FOG作為飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)則需要降低光纖的輻射敏感性。3）低的磁場(chǎng)敏感性。光纖對(duì)磁場(chǎng)較敏感，只能通過外界設(shè)計(jì)防護(hù)罩，這樣額外的增加FOG的體積和重量。其外部環(huán)境和FOG工作下形成的Shupe效應(yīng)、磁場(chǎng)Faraday效應(yīng)、Kerr效應(yīng)及偏振誤差等影響FOG零偏漂移。文獻(xiàn)［7～9］報(bào)道，HC-PCF與普通光纖其相關(guān)參數(shù)比值如表1所示：

表1 HC-PCF與普通光纖其相關(guān)參數(shù)比值

從表1可以看出與普通光纖陀螺相比，HC-PCF影響FOG零偏漂移的因素均顯著減小。

4 空芯光子晶體FOG的發(fā)展歷程

自1991年P(guān).S..T.Russcll等第一次提出光子晶體光纖概念后［10］，在1999年第一根HC-PCFF被制造出來［11］，2003年，美國Stanford大學(xué)最先在專利中提出使用HC-PCF的光學(xué)陀螺儀方案，利用HC-PCF可以進(jìn)一步提高光學(xué)陀螺儀的精度和環(huán)境適應(yīng)能力［12］。

2006年，Stanford大學(xué)報(bào)道采用摻鉺光纖光源測(cè)得丹麥Crystal Fiber公司和英國Blazer Photonics公司兩種HC-PCF制作的光纖環(huán)的相位靈敏度為1.5ppm/℃～2.2ppm/℃，比普通的單模光纖小了3.6ppm/℃ ～5.2ppm/℃ ，陀 螺 隨 機(jī) 游 走 為0.015°h12［13］。斯坦福大學(xué)采用235m的HCF-PCF，其研制的FOG實(shí)現(xiàn)了0.015°h12的隨機(jī)游走系數(shù)［14］。

2007年，Stephane Blin等通過對(duì)HC-PCF-FOG的隨機(jī)游走進(jìn)行測(cè)量，表明空芯HC-PCF-FOG隨機(jī)游走不受空芯光纖的背向散射影響［15］。當(dāng)被檢測(cè)到的功率低于5W時(shí)受到檢測(cè)器熱噪聲限制，高于該功率時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)游走與檢測(cè)功率無關(guān)，測(cè)得隨機(jī)游走的功率等于0.021°h，這與具有相似比例因子的傳統(tǒng)FOG相當(dāng)且低。

2009年斯坦福大學(xué)，用數(shù)值模擬當(dāng)激光器的相干長度超過光纖環(huán)路的長度時(shí)，測(cè)得HCF-PCF-FOG的相干背向散射噪聲會(huì)降低。如果使用足夠連續(xù)的激光器，產(chǎn)生的噪聲將比使用寬帶光源長生的噪聲還低［16］。

2012年，斯坦福大學(xué)的研究人員報(bào)道了有關(guān)諧振式HCF-PCF-FOG最新的研究結(jié)果［17］，陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用的NKT Photonics公司生產(chǎn)的HC-1550-PM-O1型保偏HC-PCF，光纖環(huán)長度為20m，直徑僅為7.6cm其中HCF-PCF環(huán)尾端與單模光纖偶合器尾端通過微位移機(jī)械平臺(tái)進(jìn)行偶合對(duì)準(zhǔn)，并且光纖尾端都進(jìn)行了鍍膜處理，以減小光纖端而反射。最終測(cè)試結(jié)果顯示，一小時(shí)隨機(jī)游走為0.055°s12，長期漂移標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5°s，峰值變化為 2.5°s。

2013年7月，美國DARRA提出了COUGAG（Compact Utra-stable Gyrsoscope for Absolute Reference）計(jì)劃，資助Honeywell公司研究一種新型的基于HCF-PCF-FPG。計(jì)劃中明確指出：該陀螺結(jié)合了激光陀螺和干涉式FOG的優(yōu)點(diǎn)；其研究目標(biāo)是用作絕對(duì)基準(zhǔn)（Reference-grade），陀螺尺寸為4英寸，陀螺的目標(biāo)精度是：零偏穩(wěn)定性優(yōu)于10-6°h，角隨機(jī)游走優(yōu)于10-6°h12。

IEAV研究所在2015年設(shè)計(jì)出一種新的結(jié)構(gòu)空芯光纖，它具有由三角形格子中的六角形氣孔組成的高空氣填充率的包層。該設(shè)計(jì)包括改變一個(gè)徑向的氣孔的直徑。不對(duì)稱包層結(jié)構(gòu)可以獲得具有高雙折射的單模運(yùn)用，并且具有不同光譜范圍內(nèi)帶隙的基模，該光纖用于FOG中［18］。

2016年Ginzton Laboratory測(cè)出HCF-PCF-FOG最低角度隨機(jī)游0.013°h這個(gè)值的限制過多的噪音來源，在60h運(yùn)行中測(cè)量的漂移為0.94°h［19］。

2016年北京航空航大大學(xué)控制儀器研究所［20］提出了HC-PCF中消逝波是原子和激光場(chǎng)之間的電偶極相互作用的結(jié)果。如果原子存在一個(gè)沿HC-PCF軸向的速度，原子將在激光場(chǎng)作用下沿HC-PCF軸線運(yùn)動(dòng)，這種方式的原子導(dǎo)引能有效避免自發(fā)輻射被廣泛應(yīng)用于陀螺儀中［21］。其中慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一直從事HC-PCF用于諧振式光學(xué)陀螺中的研究，［22］馮麗爽教授小組通過優(yōu)化設(shè)計(jì)偶合結(jié)構(gòu)，搭建全HC-PCF諧振式FOG實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過Allan方差分析，該系統(tǒng)角隨機(jī)游走系數(shù)為0.97°s12。

5 結(jié)語

FOG是慣性系統(tǒng)的主要儀表，但現(xiàn)有的FOG在熱真空和輻照環(huán)境影響后精度出現(xiàn)下降。用HC-PCF取代普通光纖用于陀螺儀能解決FOG的溫度穩(wěn)定性、磁敏感性和噪聲等問題，在提高陀螺儀精度方面具備較大優(yōu)勢(shì)。但目前樣機(jī)所取得的實(shí)驗(yàn)精度遠(yuǎn)未達(dá)到理論設(shè)計(jì)值，甚至仍未達(dá)到同等條件下普通保偏光纖陀螺精度，這主要有：1）目前HCF制作工藝尚不成熟，光纖傳輸損耗大；2）對(duì)HC-PCF與傳統(tǒng)保偏光纖，兩者相互之間偶合對(duì)接存在較大損耗。隨著HC-PCFF工藝技術(shù)的成熟，這些方面都會(huì)提高，預(yù)測(cè)HC-PCF-FOG必將取代普通FOG，作為高精度的光學(xué)陀螺儀。

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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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：11074198）；西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：YCS16212075）資助。

黃冬，男，碩士研究生，研究方向：光纖陀螺傳感技術(shù)。郭文閣，男，博士，教授，研究方向：光電子學(xué)。