光子晶体光纤陀螺光纤环偏振特性_李晶

第 22 卷第 3 期 2014 年 6 月 文章编号： 1005-6734(2014)03-0381-05
中国惯性技术学报 Journal of Chinese Inertial Technology
Vol.22 No.3 Jun. 2014
doi: 10.13695/ki.12-1222/o3.2014.03.019
[1]
致褪色效应将发挥作用，但在整个寿命周期内，辐照 仍然是影响光纤陀螺精度保持的不可忽视的因素。热 真空条件下，热辐射途径被切断，光纤陀螺的热环境 变差，热致误差是空间应用光纤陀螺必须解决的技术 问题。 光纤环是对温度变化极其敏感的部件，是光纤陀 螺发生温度漂移重要的误差源。为了克服上述问题， 使在辐照条件下 很多单位开展了相应的研究工作[2-3]，
1
光子晶体光纤环的偏振特性分析
在偏振特性分析中，一般采用模式双折射、归一
图2 Fig.2 光子晶体光纤端面结构示意图 Structure of photonic crystal fiber
化双折射、拍长和模耦合系数来描述单模光纤中光矢 量，其中模双折射是描述保偏光纤偏振特性的一种重 要手段，文章就借助模双折射来分析光纤环的偏振特 性。光纤环的模式双折射由光纤本身的双折射和绕制 张力、弯曲引入的双折射构成。
针对该光纤结构，仿真分析了小孔间距、小孔直 径、大孔间距、大孔直径对双折射的影响，示于图 3(a)～图 3(d)。 从仿真结果可以看出， 光子晶体光纤的 双折射随小孔直径和大孔直径的增加而增大，随小孔
第3期
李晶等：光子晶体光纤陀螺光纤环偏振特性
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间距和大孔间距的增大而减小，这是获得高双折射光 子晶体光纤重要的设计依据。
4 5.5
width of big hole(um)
E=7.0×1010 Pa，则绕环引入的总双折射为 2.4×10-7，
相比于光纤双折射来说，是一个小量。
(c)
1.2 x 10
-3
2
1
光纤环偏振的温度特性分析
1.8 1.6 x 10
-3
论文研究的光子晶体光纤的结构尺寸为：小孔直 径 d1=2.8 μm，小孔间距 Λ1=5.2 μm，大孔直径 d2=5.6 μm，大孔间距 Λ2=10.4 μm。双折射仿真结果为：
y x Bf neff neff 4.08 104
(2)
birefringence of PCF
收稿日期：2013-12-25；修回日期：2014-05-04 基金项目：民用航天“十二五”预先研究项目 ，女，博士研究生，从事光纤陀螺技术研究。E-mail：lijing_lu@ 作者简介：李晶（1973—） 联 系 人：王巍（1966—），男，研究员，博士生导师。E-mail：yfwangwei@
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4 4.5 5 5.5 6
与目前光纤陀螺普遍采用的熊猫型应力双折射保 偏光纤的双折射值 (4×10-4~7×10-4) 相比处于较低的 水平。 但减小小孔间距至 4.3 μm， 就可以获得 1.6×10-3 的双折射。 1.2 光纤环绕制引入的双折射
period of little hole(um)
绕环附加的双折射主要有张力、弯曲和光纤扭转 引起的双折射， 目前光纤在绕环前都进行了退扭处理， 绕制过程中也基本不会对光纤造成扭转，所以忽略扭 转引入的双折射。弯曲引入的双折射可以用式(3)表 示，拉伸引入的双折射可以用式(4)表示：
2
(a)
4.5 4 x 10
表两个模式的有效折射率。光子晶体光纤的固有双折 射与光纤的结构关系密切，可以通过灵活的结构设计 文章研究的光纤环 获得不同性能的光子晶体光纤[4-6]。 采用图 2 所示结构光纤。
除上述误差因素外，shupe 效应和偏振串扰也是 影响光纤环性能的关键因素。shupe 效应是由光纤环 绕制的不对称性引起的，是影响光纤陀螺温度性能的 一个重要参数， 也是考察光纤环绕制工艺的关键指标； 偏振串扰则与光纤结构设计和光纤环的绕制过程均密 切相关，高双折射和双折射稳定性是减小陀螺偏振误 差的重要途径。文章研究光子晶体光纤陀螺光纤环的 偏振特性，并分析其给陀螺带来的误差。
-4
birefringence of PCF
3.5 3 2.5 2 1.5 1
Bb
1 2 A n 1 p12 p11 4 R
(3)
Bt
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
1 2 3 A 1 2 n p12 p11 S zz R 2 1
[4,8-10]
1.1 光纤本身的双折射特性 普通保偏光纤的双折射是材料双折射，也称为应 力双折射，通常通过改变应力区的大小和距离纤芯的 远近来获得不同的双折射特性。光子晶体光纤则属几 何双折射， 也称为波导双折射。 根据导光机制的不同， 光子晶体光纤分为光子带隙型光纤（PBG-PCF）和折 射率导引型光子晶体光纤（TIR-PCF） ，基于国内光子 带隙型光纤还没有研制成功的现状，文章的研究重点 是 TIR-PCF。 TIR-PCF 的双折射可以通过改变纤芯附近空气孔 的排列方式获得局部双折射，也可以通过改变空气孔 的形状实现全局双折射，还可以通过合理地设计光子 晶体光纤中空气孔的排列方式，使光纤快轴对应的基 模有效折射率低于包层有效折射率，形成泄漏模式， 而慢轴有效折射率高于包层的有效折射率，可以靠全 内反射效应在光纤中进行有效的传导，实现真正的单 模单偏振光纤。 模式双折射通常定义为 x 偏振模和 y 偏振基模 的有效折射率之差。可以表示为：
(b)
x 10
-4
birefringence of PCF
7
6
A A Bbt 0.092 0.331 S zz R R
2
(5)
5
对于直径为 100 mm 的光纤环，若采用的光纤为 125 μm ， 绕 环 张 力 为 20g ， 光 纤 的 弹 性 模 量 取
5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
光子晶体光纤陀螺光纤环偏振特性
李 晶，王 巍，王学锋，张智华
（北京航天控制仪器研究所，北京 100854） 摘要：光子晶体光纤陀螺技术是解决光纤陀螺空间辐照及热漂移问题的重要技术途径，其中光子晶体 光纤环是影响光纤陀螺性能的关键。仿真分析了光子晶体光纤的双折射与结构设计的关系，并计算了 光纤的双折射和光纤环绕制过程引入的附加双折射的温度灵敏度，利用白光干涉仪，对光子晶体光纤 环和普通的保偏光纤环进行了对比测试分析。试验结果表明，光子晶体光纤环具有较低的偏振特性温 度灵敏度，双折射温度系数比普通保偏光纤低接近 1 个量级，引起的陀螺偏振误差也比普通保偏光纤 环小 1 倍左右。试验结果验证了理论分析的正确性。 关 键 词：光纤陀螺；光子晶体光纤；光纤环；偏振；温度 文献标志码：A 中图分类号：U666.1
，
Bf
x y y x neff neff k0 2π
(1)
式中，Bf 表示模式双折射，βx 和 βy 分别代表两个线偏
x 和 y 代 振模的传播常数，k0 为真空中的波数， neff neff
图 1 Fig.1 光子晶体光纤陀螺原理图 Theory of photonic crystal fiber optic gyroscope
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中国惯性技术学报
第 22 卷

光源的平均波长稳定性大幅度提高，功率的衰减也得 到一定程度上的控制；合理的结构设计可以降低辐照 和热真空对光纤陀螺的影响， 但体积、 重量和功耗的增 加使光纤陀螺无法满足空间应用对轻小型化的要求。 光子晶体光纤陀螺是解决光纤陀螺空间应用的优 选方案之一， 原因是其光纤环采用光子晶体光纤(简称 PCF)代替普通的保偏光纤，图 1 是干涉式光子晶体光 纤陀螺的原理图。 同普通的光纤陀螺一样， 光子晶体光 纤环是提高光纤陀螺性能的关键。 由于光纤由空气孔和 纯 SiO2 构成，因而光纤环在辐照条件下不存在色心沉 积导致的损耗增大问题。而且已经证明利用光子晶体 光纤可以进一步减小光纤陀螺光路中的瑞利背向散 射、克尔效应及磁场法拉第效应引起的相位误差 提高光纤陀螺的精度和环境适应性水平。
(4)
width of little hole(um)
式中，A 为光纤直径，R 为光纤环半径，υ 为泊松比， p11、p12 为光弹张量，n 为光纤折射率，Szz 为成环时光 纤的轴向拉伸应变。光纤环绕制引起的总双折射为式 p12=0.27， n=1.45 (3)和式(4)的叠加， 将 υ=0.17， p11=0.12， 代入公式，绕环引入的双折射可以表示为：
Polarization characteristics of FOG’s fiber coil based on photonic crystal fiber
LI Jing, WANG Wei, WANG Xue-feng, ZHANG Zhi-hua
(Beijing Aerospace Control Device Institute, Beijing 100854, China) Abstract: Photonic crystal fiber optical gyroscope(PC-FOG) is an important technical approach to overcome the influences of space irradiation and thermal effect on fiber-optic gyroscope. The fiber coil is an essential part of a FOG which affects the FOG’s performance in space environment. In this paper, the birefringence of photonic crystal fiber(PCF) coil was simulated and its temperature coefficient was calculated. Comparison tests were conducted to analyze the difference between PCF coil and polarization maintaining fiber(PMF) coil. The results indicate that the birefringence temperature coefficient of PCF coil is lower by one order of magnitude than that of PMF coil, and this tends to reduce the polarization error of FOG by one times. The experiment measurements demonstrate their good agreement with theoretical analyses. Key words: fiber optical gyroscope; photonic crystal fiber; fiber coil; polarization; temperature 光纤陀螺是利用 Sagnac 效应的全固态陀螺仪， 具 有长寿命、高可靠、体积小、重量轻等特点 ，是满 足空间应用的首选陀螺之一，已经广泛应用于卫星、 飞船、空间站等空间任务中。目前，光纤陀螺在空间 应用中还存在两个问题，一是抗辐照能力不强，二是 热真空下陀螺精度不高。辐照会导致光纤陀螺中光源 的光功率衰减和光波长漂移，还会使光纤环中形成色 芯导致其损耗增大。虽然在较低的辐照剂量率下，光