别人家的光子晶体光纤陀螺研制方案

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院

如何从技术优化到工艺制作等流程中，一步步研制出具备工程应用条件的干涉型光子晶体光纤陀螺的制作及工艺技术研究，并获得原型样机。

听听北航的学者们来讲讲技术细节吧！

光子晶体光纤是由单一材料制成的微结构光纤，具备对温度、磁场、空间辐射等环境因素敏感度低的特性，是研制高性能光纤陀螺（FOG）的理想光纤材料，典型的光子晶体光纤端面图如图1所示。

图1 (a)实心保偏光子晶体光纤

(b)空心光子晶体光纤端面图

2005年前后，国外多家研究单位将空心光子晶体光纤(HCFs)用于干涉型光纤陀螺 (IFOG)中，其中Stanford大学、Draper实验室等通过理论和实验研究验证了采用HCFs研制FOG的独特优势和实现高精度潜力，但后续的工程研究鲜有报道。

2005年，我们提出了采用实心保偏光子晶体光纤(PM-PCFs)环和掺铒PCFs(ED-PCFs)光纤光源的干涉型光子晶体光纤陀螺(PCFOG)方案，不同于国外基于HCFs的光纤陀螺方案，本方案既能体现PCFs在FOG中的应用优点，还具备工程实用的条件。

经过约10年的研究攻关，国内基于实心PM-PCFs的PCFOG技术得到迅速发展，采用国产实心PM-PCFs和ED-PCFs，我们研制出IFOG原型样机并于2014年通过鉴定。基于此方案，北京航空航天大学和北京时代光电科技有限公司研制的PCFOG已进入卫星搭载实验阶段，实现了PCFOG的技术和应用突破。

1

光子晶体光纤陀螺关键技术研究

光子晶体光纤陀螺方案

适合PCFOG的PCFs主要有两种，即实心结构的PM-PCFs和空心带隙结构的HCFs，如图1所示。PM-PCFs具有损耗低、无限单模和偏振保持能力强等特点，而且制作技术成熟、成本低；HCFs具有更低的温度、磁和辐射敏感性，但制作难度大，很难获得满足应用的长HCFs。综合考虑各方面的因素，选择了采用实心PM-PCFs绕制光纤环、用ED-PCFs制作宽谱光纤光源(SFSs)的IFOG方案，如图2所示。

图2 PCFOG基本方案

专用光子晶体光纤材料研制

a) PCFOG用PM-PCFs研究

典型的PM-PCFs结构如图3所示，D为大孔直径、d为小孔直径、Λ为小孔间距。PM-PCFs由纯石英制成，可不考虑应力作用，引起双折射变化的主要机理为热光效应和热膨胀效应。利用有限元法仿真研究了结构参数对双折射温度敏感系数的影响。

图3 典型PM-PCF的端面图

仿真选取目前PM-PCFs产品的典型结构尺寸，即Λ=D=2d，得到光纤双折射B和双折射温度敏感系数dB/dT随Λ的典型变化曲线，如图4和图5所示。当Λ=D=2d=5.24 μm时，它的双折射随温度的变化率为零，即双折射不随温度变化。

图4 双折射随Λ变化情况

图5 双折射温度敏感系数与Λ的关系

基于以上仿真结果，设计制作了多根不同Λ的PM-PCFs光纤样品(D=2d=Λ)。对它们的双折射温度敏感系数进行测量，图6为以实测数据为样本得到的拟合曲线，在Λ为5.16 μm时，双折射温度敏感系数为零，测试结果与仿真结果吻合。

图6 实测不同Λ下的双折射温度敏感系数

为提高FOG的抗辐射能力，除进行结构参数优化外，还通过挑选超纯石英材料和控制芯材料“水峰”，研制出辐射敏感系数极低的PM-PCFs。经过大于100 krad总剂量辐射后，其辐射致损耗(RIA)小于5.2 dB/km，常规PMFs的RIA大于15 dB/km。PM-PCFs和PMFs的双折射随辐射剂量的变化率分别为：

-8.69×10-10/krad(Si)和

-4.52×10-9/krad(Si)，

如图7所示，PM-PCFs的双折射辐射敏感系数也明显小于常规PMFs。

图7 RIB与辐照剂量关系

b) 抗辐射ED-PCFs研究

PCFs结构设计灵活，能实现掺铒光纤中铒离子浓度和团簇率的单独调整，可大大增加抽运吸收系数和荧光效率，采用较短的掺铒光纤就能实现大功率宽谱荧光输出，这样设计可以减小其辐射敏感性。设计制作的单模ED-PCFs端面如图8所示。图9为目前普遍使用的Fibercore公司的M12型EDFs和研制的ED-PCFs在辐射条件下的光谱变化，经过100krad(Si)辐射，ED-PCFs的光谱变化明显小于M12，为获得环境稳定的SFSs提供了低辐射敏感的有源光纤材料。

图8 ED-PCFs端面图

(a) M-12 (b) ED-PCFs

图9 EDFs辐射对比实验

PM-PCFs光纤熔接技术

PM-PCFs与普通PMFs熔接是FOG光路熔接的关键技术工艺。为保证PM-PCFs与PMFs的熔接质量，要重点解决2个问题，即保证模式匹配以获得低损耗、保证偏振应力轴和偏振几何轴对准以获得低偏振串音。PM-PCFs为几何型保偏光纤，模场较小且模斑为椭圆形，直接熔接损耗很大。我们提出并实现了一种电弧放电预处理技术，通过在PCFs端面预放电处理，不但能将PM-PCFs模场扩大到合适的大小，还减小了模斑的椭圆度。

采用端面成像技术对PM-PCFs进行对轴。实验发现，两种不同保偏光纤的慢轴正交对准时，可获得更优的偏振串音和更低的损耗，图10所示为熊猫型PMFs和PM-PCFs的慢轴正交对准后光纤端面图，熔接点的偏振串音优于-30 dB。综合应用预熔技术和端面对轴技术，在熔接电流为10 mA附近，PMFs与PM-PCFs的熔接损耗可以小于0.7 dB，如图11所示。

图10 熔接机中的光纤端面和侧视图

图11 熔接损耗与熔接电流的关系

2

光子晶体光纤陀螺原型样机研究和实验

PCFOG原型样机方案和基本性能

为了验证PCFOG的性能和环境适应性，设计并制作了闭环PCFOG，其方案如图12(a)所示。宽谱SFSs采用ED-PCFs为有源光纤，输出功率约为15.2 mW，平均谱宽约为42.5nm，平均波长约为1545.52 nm。光纤环用专门研制的PM-PCFs采用四级对称技术绕成，所用PM-PCFs长度约1000m，光纤环直径约120 mm。信号检测电路为全数字闭环方案。图12(b)为研制的三轴PCFOG原型照片。

(a) (b)

图12 (a)PCFOG结构方案(b)三轴PCFOG原型照片

在实验室条件下，PCFOG原型样机的零偏不稳定性约为0.001°/h，标度误差约为1.5 ppm。典型的静态测试曲线、Allan方差曲线和标度测量曲线如图13所示。

(a)静态测试

(b)Allan方差

(c)标度

图13 PCFOG典型性能曲线

PCFOG原型样机典型环境测试

温度和辐射影响是FOG现场应用，特别是空间应用必须考核的主要指标。为此，对研制的原型样机进行了典型环境的温度稳定性和辐射稳定性实验。在温度变化范围为-40℃到+60℃，温变速率为0.5℃/min，全过程零位漂移约为0.01 o/h(1σ, 100s)。在进行全温标度稳定性实验时，在上述温度范围内，以间隔20℃取实验温度点进行测试，全温标度误差优于30 ppm。实验结果表明，研制的PCFOG原型样机具备好的温度稳定性。图14为辐射实验现场照片，辐射总剂量大于100 krad(Si)，辐射剂量率约0.08 rad(Si)/s。实验结果表明，PCFOG的零偏和零漂变化均小于0.03°/h(1σ，100s)，具备好的抗辐射能力。

图14 辐射实验现场照片

前景展望

PM-PCFs对温度和磁场不敏感、抗辐射能力强、ED-PCFs的荧光效率和抗辐射能力也远优于传统的EDFs。采用PM-PCFs和ED-PCFs制作光纤陀螺，能很好解决FOG的温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题，不仅能大大提高其环境适应性，还能明显提升陀螺整体性能，光子晶体光纤有望成为未来新型高精度光纤陀螺的主流。由于光子晶体光纤陀螺具备独特的抗辐射能力，

目前，国内PCFs取得了快速发展，为光子晶体光纤陀螺的生产和大批量应用提供了很好的基础，相关的器件技术和集成工艺也日益成熟，我国光子晶体光纤陀螺整体技术已处于国际领先地位。