一種單偏振低噪聲諧振式空芯光子晶體光纖陀螺

申河良，畢 然，傅 力，佘 玄，陳 侃，舒曉武

（1. 浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310027；2. 光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

近年來(lái)，隨著各種海陸空天慣導(dǎo)航姿系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)慣性器件在輕型微小化、高集成度、測(cè)量精度等方面提出越來(lái)越高的要求。諧振式光纖陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro, RFOG）通過(guò)檢測(cè)光纖諧振環(huán)中順逆兩個(gè)方向的諧振頻率差來(lái)測(cè)量角速度。在同等精度下，RFOG所需光纖長(zhǎng)度相較于干涉式光纖陀螺可以縮短1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。在集成化、小型化、高精度等方面具有優(yōu)勢(shì)，是陀螺未來(lái)發(fā)展的重要方向[1]。光纖諧振腔是RFOG的主要敏感組件，其性能直接影響陀螺精度提升。目前諧振腔多采用傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖繞制，環(huán)境溫度適應(yīng)性差，寄生噪聲較大，限制了RFOG的精度?？招竟庾泳w光纖（Hollow Core Photonic Crystal Fiber,HCPCF）的出現(xiàn)，為RFOG的發(fā)展提供了新方向[2]，HCPCF利用周期性結(jié)構(gòu)使得傳播光束95%以上的能量位于中央空氣中，可大大降低克爾效應(yīng)、背向散射、溫度效應(yīng)等寄生誤差，并且其彎曲損耗小，有利于小型化[3-5]。因此諧振式空芯光子晶體光纖陀螺（HC-RFOG）受到了國(guó)內(nèi)外各研究單位的重點(diǎn)關(guān)注。但由于缺少成熟的空芯光子晶體光纖耦合器，限制了RFOG中HCPCF的應(yīng)用。目前解決這一問(wèn)題主要有基于熔接型和空間光路耦合型兩種方案。

基于熔接耦合的諧振腔有穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)，如浙江大學(xué)馬慧蓮教授課題組采用將HCPCF與傳統(tǒng)保偏光纖直接熔接，制作了混合型光纖諧振腔[6]，但HCPCF內(nèi)部含有空氣孔，傳統(tǒng)的高溫熔接會(huì)造成空氣孔塌陷導(dǎo)致熔接損耗過(guò)大，最終清晰度僅為6.67。

基于空間光路耦合的方案又可分為基于準(zhǔn)直系統(tǒng)耦合、硅基自由空間耦合、光波導(dǎo)端面對(duì)準(zhǔn)耦合三種技術(shù)路線?；跍?zhǔn)直系統(tǒng)耦合最早由Honeywell提出[3]，其耦合器是由分光片構(gòu)成的空間耦合結(jié)構(gòu)，HCPCF諧振腔的清晰度達(dá)到了42。國(guó)內(nèi)最早由北航搭建并制作陀螺樣機(jī)，后來(lái)發(fā)展為采用一對(duì)準(zhǔn)直器和一系列偏振相關(guān)器件構(gòu)成微光學(xué)偏振耦合器，實(shí)現(xiàn)了一體化的HCPCF諧振腔[7]，其余如法國(guó)Paris-Saclay大學(xué)[8]，北京航天時(shí)代光電技術(shù)有限公司[9]均采用該方法搭建諧振腔。基于準(zhǔn)直系統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)由于采用分立器件，體積較大，穩(wěn)定性較低，但其優(yōu)勢(shì)在于低損耗的耦合可以使諧振腔達(dá)到較高的清晰度。

硅基自由空間耦合首先由Honeywell公司提出，其使用高度集成的自由空間硅光學(xué)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)光波的低損耗循環(huán)和光信號(hào)的有效耦合進(jìn)腔，據(jù)報(bào)道，該諧振腔的清晰度可達(dá)35[10]。此外，采用微加工技術(shù)可以將透鏡、分束器、偏振器等元件集成在一個(gè)硅基平臺(tái)上，大大提升了系統(tǒng)集成度，但該方案對(duì)微納加工和裝配等工藝提出了較高要求。

光波導(dǎo)端面對(duì)準(zhǔn)耦合最早被斯坦福大學(xué)研究人員采用，他們利用微位移機(jī)械平臺(tái)將HCPCF與單模光纖耦合器尾纖進(jìn)行端面對(duì)準(zhǔn)耦合，成功搭建了HC-RFOG系統(tǒng)[11]。該方法簡(jiǎn)單易行，但由于不同光纖之間模場(chǎng)不匹配，導(dǎo)致每個(gè)端口的耦合損耗高達(dá)2.1 dB。2017年，浙江大學(xué)馬慧蓮教授課題組采用二氧化硅波導(dǎo)耦合器與傳統(tǒng)光纖直接對(duì)接的方式，搭建了清晰度高達(dá)196.7的無(wú)熔接點(diǎn)諧振腔[12]，之后他們又報(bào)道，該型諧振腔清晰度可以提高到1324[13]，展現(xiàn)了該方案巨大的應(yīng)用潛力。

受以上各方案的啟發(fā)，本文提出了一種單偏振低噪聲的空芯光子晶體光纖諧振腔，其主要由HCPCF環(huán)與退火質(zhì)子交換鈮酸鋰（APE-LN）波導(dǎo)耦合器通過(guò)端面對(duì)準(zhǔn)耦合的方式搭建而成。由于傳統(tǒng)APE-LN出射光斑分布不對(duì)稱，因此其與光纖對(duì)準(zhǔn)時(shí)耦合損耗較大（約1 dB）。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出利用離子注入和鍵合技術(shù)[14]在APE-LN波導(dǎo)的上表面覆蓋一層鈮酸鋰（LN）材料，從而對(duì)APE-LN出射光斑進(jìn)行改善。通過(guò)仿真計(jì)算，求得了模斑改善前后的APE-LN波導(dǎo)與HCPCF和傳統(tǒng)實(shí)芯光纖的耦合效率，給出了該諧振腔的理論極限靈敏度，對(duì)HC-RFOG的研究具有一定的參考意義。

1 單偏振低噪聲空芯光纖諧振腔的諧振理論

圖1為基于HCPCF的單偏振諧振腔結(jié)構(gòu)，耦合端口2與耦合端口3分別與HCPCF環(huán)的兩端連接，通過(guò)端面對(duì)準(zhǔn)耦合方式與耦合器形成封閉回路，從而形成HCPCF諧振環(huán)。耦合端口1和耦合端口2分別連接兩根輸入實(shí)芯光纖1、2，從而保證光波的輸入/輸出諧振環(huán)。

圖1 單偏振低噪聲空芯光子晶體光纖諧振腔示意圖Fig.1 Schematic diagram of the single polarization and low noise HCPCF resonator

圖1也顯示了該諧振腔的工作原理，以順時(shí)針（Clock Wise, CW）方向傳輸光波為例，輸入實(shí)芯光纖1發(fā)出光束，經(jīng)過(guò)耦合端口1進(jìn)入耦合器，采用成熟的退火質(zhì)子交換工藝制作的LN波導(dǎo)具有極高的消光比（＞60 dB）足以保證腔內(nèi)光波偏振態(tài)保持單一穩(wěn)定。然后，光波通過(guò)耦合端口3進(jìn)入HCPCF環(huán)中。光波沿CW方向在諧振環(huán)中傳播，經(jīng)過(guò)耦合端口2又進(jìn)入耦合器，并分為兩部分，一部分光波重新經(jīng)過(guò)耦合端口3進(jìn)入諧振腔，另一部分光波經(jīng)過(guò)耦合端口4輸出，如此循環(huán)，多次傳輸后的CW光波被探測(cè)器接收。若從耦合端口1入射的光波為：

其中，E0為輸入光波光振幅，f0為光源的中心頻率，φ0為光源的初始相位。通過(guò)光場(chǎng)疊加理論，可以得到：

其中，L為光纖環(huán)長(zhǎng)，k為耦合器的耦合系數(shù)，αs為實(shí)芯光纖與波導(dǎo)端面對(duì)準(zhǔn)耦合損耗，αp為實(shí)芯光纖與波導(dǎo)端面對(duì)準(zhǔn)耦合損耗，αL為空芯光纖傳輸損耗。β=neff2πf0/c為傳播常數(shù)，其中neff為纖芯等效折射率，c為真空中光速。若設(shè)L=10 m，k= 0.1，αs= 0.5 dB，αp= 0.5 dB，αL=20 dB/km，neff= 1則可給出諧振腔輸出光強(qiáng)隨入射光波頻率的變化曲線，如圖2(a)所示。

圖2 單偏振低噪聲空芯光纖諧振腔理論分析Fig.2 Theoretical analysis of the single polarization and low noise HCPCF resonator

對(duì)RFOG系統(tǒng)而言，諧振腔的極限靈敏度是極為重要的參數(shù)，其表達(dá)式為[15]：

其中，A為光纖環(huán)面積，λ0為波長(zhǎng)，Г為諧振曲線的半高全寬，D為諧振環(huán)的直徑，F(xiàn)為諧振腔的清晰度，SNR為系統(tǒng)信噪比，由探測(cè)器散粒噪聲決定的SNR可以表示為：

其中，η為光探測(cè)器的量子效率，τ為探測(cè)器積分時(shí)間，I0為輸入光功率，h為普朗克常數(shù)，Hmax、Hmin分別為諧振曲線的最大值和最小值。

結(jié)合理論極限靈敏度表達(dá)式(3)，可以分析不同耦合端口的損耗對(duì)陀螺性能的影響。若設(shè)αs=0.5 dB，λ0=1550 nm，I0=1 mW，D=10 cm，η=0.85，τ=1 s，其余參數(shù)與上文一致，空芯光子晶體光纖與波導(dǎo)的耦合損耗αp從0.05 dB增加到1.5 dB時(shí)，極限靈敏度變化如圖2(b)所示，從計(jì)算結(jié)果可以看出，極限靈敏度從0.0542 °/h增大到了0.5709 °/h，變化量約為初始值的10倍。相對(duì)而言，若設(shè)αp=0.5 dB，其余參數(shù)保持不變，實(shí)芯光纖與波導(dǎo)的耦合損耗αs從0.05 dB增加到1.5 dB時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖2(c)所示，極限靈敏度僅從 0.1279 °/h 增大到了 0.1786 °/h，僅增加了0.0507 °/h。以上結(jié)果表明，在光纖傳輸損耗固定的情況下，該諧振腔的極限靈敏度主要由空芯光子晶體光纖與波導(dǎo)的端面對(duì)準(zhǔn)耦合損耗αp決定，這為下一步諧振腔的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

2 單偏振低噪聲空芯光纖諧振腔設(shè)計(jì)與分析

2.1 覆蓋LN上包層的APE-LN建模

降低諧振腔的耦合損耗，從而提升RFOG的性能是本文工作的重點(diǎn)。在光纖與波導(dǎo)理想準(zhǔn)直的情況下，影響最大的是模場(chǎng)失配損耗，其次是菲涅爾反射損耗，其中菲涅爾反射損耗可以利用增透膜來(lái)降低。最難解決的問(wèn)題就是如何改善兩個(gè)模場(chǎng)的失配。耦合效率ξ與模場(chǎng)匹配的關(guān)系可以用光纖與波導(dǎo)模場(chǎng)分布的重疊積分來(lái)表示[16]：

式中Ew表示波導(dǎo)模場(chǎng)，Ef表示光纖模場(chǎng)。對(duì)于均勻單模光纖（SMF）而言，其基模光場(chǎng)在光纖橫截面上呈現(xiàn)為類高斯分布，如圖3(a)所示。而APE-LN波導(dǎo)的折射率分布并不對(duì)稱，其OXZ波導(dǎo)折射率分布截面如圖3(b)所示。其中綠色區(qū)域?yàn)橘|(zhì)子交換區(qū)域，寬度為w，擴(kuò)散深度為hx，折射率差Δn為擴(kuò)散源沿軸向晶體內(nèi)部擴(kuò)散得到的表面（最大）折射率增量，n0為鈮酸鋰襯底的折射率。

圖3 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與模場(chǎng)分布Fig.3 Waveguide structures and mode field distributions

對(duì)于x切鈮酸鋰材料，質(zhì)子交換形成的光波導(dǎo)折射率表達(dá)式為：

其中，g(x)為x方向上的折射率分布，f(z)為沿z方向的分布由函數(shù)，γ為擴(kuò)散型折射率的指數(shù)冪。x方向上的折射率分布由函數(shù)g(x)為高斯型，其表達(dá)式為:

其中，hx為質(zhì)子源擴(kuò)散深度的1/e，hz為z方向上的擴(kuò)散寬度，γ=hz/hx為擴(kuò)散比。沿z方向的折射率分布函數(shù)f(z)為誤差函數(shù)型，其表達(dá)式為：

其中w為z方向上擴(kuò)散源的寬度。利用基于時(shí)域有限差分法的FDTD solutions光學(xué)仿真軟件可以得到其模場(chǎng)分布，如圖3(b)所示，根據(jù)仿真結(jié)果可知，其基模光場(chǎng)縱向分布不對(duì)稱，根據(jù)上文分析，這將會(huì)產(chǎn)生較大的光纖-波導(dǎo)耦合損耗。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出在APE-LN波導(dǎo)上方覆蓋一層LN材料的方法來(lái)改善模場(chǎng)分布不對(duì)稱的方法，如圖3(c)所示，利用離子注入和鍵合技術(shù)[14]在APE-LN波導(dǎo)表面覆蓋一層LN材料，以此來(lái)改變APE-LN波導(dǎo)上表面的折射率分布，使得波導(dǎo)出射的光斑變?yōu)閷?duì)稱分布，從而達(dá)到減小耦合損耗的目的。導(dǎo)基模模場(chǎng)分布的改善情況，在保證單模傳輸?shù)那疤嵯?，挑選了一組質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)參數(shù)（w=6.0 μm,hx=5.5 μm,Δn=0.011），利用FDTD solutions仿真得到了模場(chǎng)縱向分布的變化情況。圖4(a)展示了在1550 nm處，APE-LN的基模模場(chǎng)分布，沿圖中紅色箭頭所示方向考察其截面，則可得到如圖4(b)所示的模場(chǎng)縱向分布曲線，可以清晰地看到其呈現(xiàn)非對(duì)稱形狀，在圖中y＜ 0 μm的方向上，呈指數(shù)型衰減，在y= 0 μm處模場(chǎng)分布戛然而止。作為對(duì)比，圖4(c)(d)則展示了在上表面覆蓋LN材料后，模場(chǎng)縱向分布在y= 0 μm兩側(cè)呈現(xiàn)對(duì)稱分布，初步印證本方法可行性。

圖4 APE-LN波導(dǎo)模場(chǎng)分布變化情況Fig.4 Mode field distribution of APE-LN waveguide mode為更加直觀地考察覆蓋LN層前后，APE-LN波

2.2 空芯光子晶體光纖的建模

如上文所述，該諧振腔的構(gòu)建需要信號(hào)光從波導(dǎo)有效耦合到實(shí)芯光纖和空芯光子晶體光纖中，因此建立實(shí)芯光纖與空芯光子晶體光纖的模型，對(duì)理論仿真至關(guān)重要。對(duì)于實(shí)芯光纖的模型采用常見(jiàn)的SMF-28光纖，其基模模場(chǎng)分布如圖3(a)所示，由于其建模方法已經(jīng)非常成熟，這里就不再贅述。接下來(lái)，主要進(jìn)行空芯光子晶體光纖的建模仿真。在FDTD solutions中建立空芯光子晶體光纖的二維橫截面結(jié)構(gòu)模型，對(duì)標(biāo)物為圖5(a)所示的NKT公司的商用7芯光子晶體光纖NKT-1550-02。

圖5 空芯光子晶體光纖的設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the HCPCF

經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化仿真，綜合對(duì)光子帶隙光纖的光子帶隙設(shè)計(jì)、損耗特性研究，最終確定了光纖結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖5(b)所示，其中R= 1 μm，T= 100 nm分別代表毛細(xì)管的內(nèi)切圓半徑和兩毛細(xì)管間壁面厚度，r= 0.35 μm，t= 30 nm分別代表五邊形底邊的內(nèi)切圓半徑和壁面厚度，Λ= 3.8 μm代表毛細(xì)管周期間距，d= 3.84 μm代表毛細(xì)管內(nèi)徑，Rc= 5.71 μm代表纖芯半徑。設(shè)定參數(shù)后求解，在波長(zhǎng)為1550 nm的情況下，得到如圖5(c)所示的纖芯基模模場(chǎng)分布。最終選擇該光斑作為目標(biāo)光斑。

2.3 耦合效率仿真計(jì)算

將仿真得到的HCPCF模場(chǎng)分布與SMF光纖模場(chǎng)分布導(dǎo)入FDTD solutions中，與覆蓋LN上包層的APE-LN波導(dǎo)進(jìn)行耦合效率仿真計(jì)算。為了模擬APE-LN波導(dǎo)上包層為L(zhǎng)N材料，設(shè)置整個(gè)求解空間的背景材料為L(zhǎng)N。

通過(guò)計(jì)算波導(dǎo)出射光斑與光纖光斑的重疊積分，可以得到在不考慮菲涅爾反射情況下的耦合效率。經(jīng)過(guò)多輪參數(shù)優(yōu)化，最終得到APE-LN波導(dǎo)在線寬w=7.0 μm，擴(kuò)散深度hx=6.0 μm情況下，其出射光斑與光纖光斑耦合效率最高。圖6(a)展示了APE-LN波導(dǎo)在w=7.0 μm，hx=6.0 μm時(shí)，與HCPCF的耦合效率隨Δn的變化情況，其中虛線表示APE-LN波導(dǎo)在沒(méi)有覆蓋LN包層時(shí)耦合效率的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，隨著Δn的不斷增大，可以將APE-LN波導(dǎo)與HCPCF的耦合效率從0.8239提升到0.8937，在Δn= 0.014時(shí)達(dá)到最大，然后開(kāi)始減小。實(shí)線表示覆蓋LN上包層后APE-LN波導(dǎo)與HCPCF的耦合效率變化趨勢(shì)，其變化也是隨著Δn的增大，先增大后減小，在Δn= 0.016時(shí)達(dá)到最大為0.9114。通過(guò)對(duì)比兩條曲線，可以明顯看出，覆蓋上包層的APE-LN波導(dǎo)與HCPCF耦合效率普遍更高，再次印證了覆蓋LN材料對(duì)APE-LN出射光斑的改善作用。

圖6 APE-LN波導(dǎo)與光纖耦合效率的仿真優(yōu)化Fig.6 Simulation optimization of the coupling efficiency between APE-LN waveguide and fiber

圖6(b)展示了APE-LN波導(dǎo)在w= 7.0 μm，hx= 6.0 μm時(shí)，與SMF的耦合效率隨Δn的變化情況。首先，通過(guò)覆蓋LN上包層前后的曲線對(duì)比，可以看出，覆蓋上包層后APE-LN波導(dǎo)相比于未覆蓋的APE-LN波導(dǎo)而言，與SMF耦合效率更高，表明覆蓋LN上包層對(duì)APE-LN波導(dǎo)與普通單模光纖的耦合效率也有提升作用。其次，可以看出，隨著Δn的增大，APE-LN波導(dǎo)與SMF的耦合效率不斷降低，與圖6(a)的變化趨勢(shì)剛好相反。這表明在選擇波導(dǎo)參數(shù)時(shí)，需要在兩個(gè)耦合損耗之間尋求平衡。根據(jù)上文分析結(jié)果，HCPCF與波導(dǎo)的耦合損耗對(duì)諧振腔性能影響更大，因此優(yōu)先考慮提高與HCPCF的耦合效率，同時(shí)兼顧與SMF的耦合損耗。最終選擇參數(shù)為w= 7.0 μm，hx= 6.0 μm，Δn= 0.015，此時(shí)，與HCPCF的耦合效率為0.9109，與SMF的耦合效率為0.9031。

由于實(shí)際的LN上包層覆蓋的厚度是有限的，不會(huì)如上文仿真設(shè)置的無(wú)窮大厚度，因此需要考慮在加工時(shí)，覆蓋的LN層厚度變化對(duì)APE-LN的出射光斑改善的影響，從而尋求一個(gè)最合適的覆蓋厚度。在上文參數(shù)給定的情況下，最終的仿真結(jié)果如圖7所示，隨著覆蓋LN層厚度的增大，APE-LN波導(dǎo)與兩種光纖的耦合效率均是先增大后趨于平緩。其中與HCPCF的耦合效率在覆蓋厚度為3 μm時(shí)達(dá)到最大為0.9152，較之前理想化的仿真結(jié)果0.9109有所提升，而后隨著覆蓋厚度的增加而減小，最終保持不變。該結(jié)果表明實(shí)際加工中可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)一步提升與HCPCF的耦合效率。與SMF光斑的耦合效率在覆蓋厚度為12 μm時(shí)達(dá)到最大為0.9031，此后趨于不變。根據(jù)以上仿真結(jié)果，本文選定上包層的覆蓋厚度為3 μm，此時(shí)，與HCPCF的耦合效率為0.9152，與SMF的耦合效率為0.8847。

圖7 覆蓋LN層厚度不同導(dǎo)致的耦合效率變化Fig.7 The relationship between the coupling efficiency and thickness of the LN cladding

由于鍵合技術(shù)對(duì)材料的表面平整度有要求，所以在實(shí)際加工時(shí)，需要先對(duì)APE-LN上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，而后將上包層LN材料與下方APE-LN材料相對(duì)粘合，通過(guò)退火使其牢牢粘住。為分析拋光時(shí)磨去的APE-LN上表面厚度對(duì)最終耦合效率的影響，本文進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果如圖8所示，磨去厚度在0到500 nm不斷增加時(shí)，覆蓋3 μm LN層的APE-LN波導(dǎo)與HCPCF的耦合效率隨之不斷減?。幌喾吹?，與SMF的耦合效率卻隨之不斷增加。因此，在實(shí)際加工時(shí)應(yīng)盡量減小APE-LN上表面被磨去的厚度，以保證腔內(nèi)耦合損耗最低。若選擇磨去厚度為100 nm，則最終得到實(shí)際加工出來(lái)的覆蓋上包層APE-LN波導(dǎo)與HCPCF耦合效率為0.9147（耦合損耗約0.39 dB），與SMF的耦合效率為0.8852（耦合損耗約0.53 dB）。

圖8 磨去波導(dǎo)上表面的厚度對(duì)耦合效率的影響Fig.8 Influence of the thickness of the polished waveguide upper surface on the coupling efficiency

2.4 諧振腔性能分析

根據(jù)仿真得到的耦合損耗：αs=0.53 dB，αp= 0.39 dB，并結(jié)合RFOG的理論極限靈敏度表達(dá)式(3)與第2節(jié)中諧振腔的其他參數(shù)，可以得出該條件下陀螺的極限靈敏度為0.114 °/h，達(dá)到了戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用要求。且該方案諧振腔由APE-LN波導(dǎo)和HCPCF構(gòu)成，具有小體積，抑制偏振波動(dòng)、光克爾噪聲等優(yōu)勢(shì)，有一定的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

本文提出，通過(guò)端面對(duì)準(zhǔn)耦合的方式，可以將HCPCF環(huán)與APE-LN波導(dǎo)耦合器進(jìn)行有效連接，從而構(gòu)成一種具有單偏振低噪聲特性的HCPCF諧振腔。針對(duì)傳統(tǒng)APE-LN波導(dǎo)與光纖對(duì)準(zhǔn)耦合損耗較大的問(wèn)題，提出了使用離子注入和鍵合技術(shù)在波導(dǎo)上表面覆蓋一層LN材料作為上包層，從而對(duì)APE-LN波導(dǎo)模場(chǎng)分布進(jìn)行改善，利用時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值分析方法建立波導(dǎo)和光纖的模型，根據(jù)模場(chǎng)匹配模型對(duì)耦合效率進(jìn)行了仿真分析，探討了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)的影響，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將HCPCF與波導(dǎo)的耦合損耗減小至0.39 dB，陀螺精度提升至0.114 °/h。本文對(duì)HC-RFOG的諧振腔設(shè)計(jì)有一定的參考意義。下一步可以通過(guò)繼續(xù)優(yōu)化空芯光子晶體光纖的模型，構(gòu)建與實(shí)際空芯光纖模場(chǎng)更加接近的目標(biāo)光斑，從而提高仿真的準(zhǔn)確性。此外，繼續(xù)對(duì)APE-LN波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與模斑改善，不斷降低光纖與波導(dǎo)的端面對(duì)準(zhǔn)耦合損耗，不斷提高該方案諧振腔的性能，為構(gòu)建單偏振、低噪聲、易裝配、小體積的高性能諧振式空芯光子晶體光纖陀螺打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。