別人家的光子晶體光纖陀螺研製方案

北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院

如何從技術優化到工藝製作等流程中，一步步研製出具備工程應用條件的干涉型光子晶體光纖陀螺的製作及工藝技術研究，並獲得原型樣機。

聽聽北航的學者們來講講技術細節吧！

光子晶體光纖是由單一材料製成的微結構光纖，具備對溫度、磁場、空間輻射等環境因素敏感度低的特性，是研製高性能光纖陀螺（FOG）的理想光纖材料，典型的光子晶體光纖端面圖如圖1所示。

圖1 (a)實心保偏光子晶體光纖

(b)空心光子晶體光纖端面圖

2005年前後，國外多家研究單位將空心光子晶體光纖(HCFs)用於干涉型光纖陀螺 (IFOG)中，其中Stanford大學、Draper實驗室等通過理論和實驗研究驗證了採用HCFs研製FOG的獨特優勢和實現高精度潛力，但後續的工程研究鮮有報道。

2005年，我們提出了採用實心保偏光子晶體光纖(PM-PCFs)環和摻鉺PCFs(ED-PCFs)光纖光源的干涉型光子晶體光纖陀螺(PCFOG)方案，不同於國外基於HCFs的光纖陀螺方案，本方案既能體現PCFs在FOG中的應用優點，還具備工程實用的條件。

經過約10年的研究攻關，國內基於實心PM-PCFs的PCFOG技術得到迅速發展，採用國產實心PM-PCFs和ED-PCFs，我們研製出IFOG原型樣機並於2014年通過鑑定。基於此方案，北京航空航天大學和北京時代光電科技有限公司研製的PCFOG已進入衛星搭載實驗階段，實現了PCFOG的技術和應用突破。

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光子晶體光纖陀螺關鍵技術研究

光子晶體光纖陀螺方案

適合PCFOG的PCFs主要有兩種，即實心結構的PM-PCFs和空心帶隙結構的HCFs，如圖1所示。PM-PCFs具有損耗低、無限單模和偏振保持能力強等特點，而且製作技術成熟、成本低；HCFs具有更低的溫度、磁和輻射敏感性，但製作難度大，很難獲得滿足應用的長HCFs。綜合考慮各方面的因素，選擇了採用實心PM-PCFs繞制光纖環、用ED-PCFs製作寬譜光纖光源(SFSs)的IFOG方案，如圖2所示。

圖2 PCFOG基本方案

專用光子晶體光纖材料研製

a) PCFOG用PM-PCFs研究

典型的PM-PCFs結構如圖3所示，D為大孔直徑、d為小孔直徑、Λ為小孔間距。PM-PCFs由純石英制成，可不考慮應力作用，引起雙折射變化的主要機理為熱光效應和熱膨脹效應。利用有限元法仿真研究了結構參數對雙折射溫度敏感係數的影響。

圖3 典型PM-PCF的端面圖

仿真選取目前PM-PCFs產品的典型結構尺寸，即Λ=D=2d，得到光纖雙折射B和雙折射溫度敏感係數dB/dT隨Λ的典型變化曲線，如圖4和圖5所示。當Λ=D=2d=5.24 μm時，它的雙折射隨溫度的變化率為零，即雙折射不隨溫度變化。

圖4 雙折射隨Λ變化情況

圖5 雙折射溫度敏感係數與Λ的關係

基於以上仿真結果，設計製作了多根不同Λ的PM-PCFs光纖樣品(D=2d=Λ)。對它們的雙折射溫度敏感係數進行測量，圖6為以實測數據為樣本得到的擬合曲線，在Λ為5.16 μm時，雙折射溫度敏感係數為零，測試結果與仿真結果吻合。

圖6 實測不同Λ下的雙折射溫度敏感係數

為提高FOG的抗輻射能力，除進行結構參數優化外，還通過挑選超純石英材料和控制芯材料“水峰”，研製出輻射敏感係數極低的PM-PCFs。經過大於100 krad總劑量輻射後，其輻射致損耗(RIA)小於5.2 dB/km，常規PMFs的RIA大於15 dB/km。PM-PCFs和PMFs的雙折射隨輻射劑量的變化率分別為：

-8.69×10-10/krad(Si)和

-4.52×10-9/krad(Si)，

如圖7所示，PM-PCFs的雙折射輻射敏感係數也明顯小於常規PMFs。

圖7 RIB與輻照劑量關係

b) 抗輻射ED-PCFs研究

PCFs結構設計靈活，能實現摻鉺光纖中鉺離子濃度和團簇率的單獨調整，可大大增加抽運吸收係數和熒光效率，採用較短的摻鉺光纖就能實現大功率寬譜熒光輸出，這樣設計可以減小其輻射敏感性。設計製作的單模ED-PCFs端面如圖8所示。圖9為目前普遍使用的Fibercore公司的M12型EDFs和研製的ED-PCFs在輻射條件下的光譜變化，經過100krad(Si)輻射，ED-PCFs的光譜變化明顯小於M12，為獲得環境穩定的SFSs提供了低輻射敏感的有源光纖材料。

圖8 ED-PCFs端面圖

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

圖9 EDFs輻射對比實驗

PM-PCFs光纖熔接技術

PM-PCFs與普通PMFs熔接是FOG光路熔接的關鍵技術工藝。為保證PM-PCFs與PMFs的熔接質量，要重點解決2個問題，即保證模式匹配以獲得低損耗、保證偏振應力軸和偏振幾何軸對準以獲得低偏振串音。PM-PCFs為幾何型保偏光纖，模場較小且模斑為橢圓形，直接熔接損耗很大。我們提出並實現了一種電弧放電預處理技術，通過在PCFs端面預放電處理，不但能將PM-PCFs模場擴大到合適的大小，還減小了模斑的橢圓度。

採用端面成像技術對PM-PCFs進行對軸。實驗發現，兩種不同保偏光纖的慢軸正交對準時，可獲得更優的偏振串音和更低的損耗，圖10所示為熊貓型PMFs和PM-PCFs的慢軸正交對準後光纖端面圖，熔接點的偏振串音優於-30 dB。綜合應用預熔技術和端面對軸技術，在熔接電流為10 mA附近，PMFs與PM-PCFs的熔接損耗可以小於0.7 dB，如圖11所示。

圖10 熔接機中的光纖端面和側視圖

圖11 熔接損耗與熔接電流的關係

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光子晶體光纖陀螺原型樣機研究和實驗

PCFOG原型樣機方案和基本性能

為了驗證PCFOG的性能和環境適應性，設計並製作了閉環PCFOG，其方案如圖12(a)所示。寬譜SFSs採用ED-PCFs為有源光纖，輸出功率約為15.2 mW，平均譜寬約為42.5nm，平均波長約為1545.52 nm。光纖環用專門研製的PM-PCFs採用四級對稱技術繞成，所用PM-PCFs長度約1000m，光纖環直徑約120 mm。信號檢測電路為全數字閉環方案。圖12(b)為研製的三軸PCFOG原型照片。

(a) (b)

圖12 (a)PCFOG結構方案(b)三軸PCFOG原型照片

在實驗室條件下，PCFOG原型樣機的零偏不穩定性約為0.001°/h，標度誤差約為1.5 ppm。典型的靜態測試曲線、Allan方差曲線和標度測量曲線如圖13所示。

(a)靜態測試

(b)Allan方差

(c)標度

圖13 PCFOG典型性能曲線

PCFOG原型樣機典型環境測試

溫度和輻射影響是FOG現場應用，特別是空間應用必須考核的主要指標。為此，對研製的原型樣機進行了典型環境的溫度穩定性和輻射穩定性實驗。在溫度變化範圍為-40℃到+60℃，溫變速率為0.5℃/min，全過程零位漂移約為0.01 o/h(1σ, 100s)。在進行全溫標度穩定性實驗時，在上述溫度範圍內，以間隔20℃取實驗溫度點進行測試，全溫標度誤差優於30 ppm。實驗結果表明，研製的PCFOG原型樣機具備好的溫度穩定性。圖14為輻射實驗現場照片，輻射總劑量大於100 krad(Si)，輻射劑量率約0.08 rad(Si)/s。實驗結果表明，PCFOG的零偏和零漂變化均小於0.03°/h(1σ，100s)，具備好的抗輻射能力。

圖14 輻射實驗現場照片

前景展望

PM-PCFs對溫度和磁場不敏感、抗輻射能力強、ED-PCFs的熒光效率和抗輻射能力也遠優於傳統的EDFs。採用PM-PCFs和ED-PCFs製作光纖陀螺，能很好解決FOG的溫度穩定性、磁敏感性和噪聲等問題，不僅能大大提高其環境適應性，還能明顯提升陀螺整體性能，光子晶體光纖有望成為未來新型高精度光纖陀螺的主流。由於光子晶體光纖陀螺具備獨特的抗輻射能力，

目前，國內PCFs取得了快速發展，為光子晶體光纖陀螺的生產和大批量應用提供了很好的基礎，相關的器件技術和集成工藝也日益成熟，我國光子晶體光纖陀螺整體技術已處於國際領先地位。