光子晶体光纤及其在光纤陀螺中的应用

螺中的噪声问题一直难以克服。光子带 隙ＰＣＦ可以将光波限制在空气芯中进 行传输，光克尔效应、瑞利背向散射效 应、法拉第效应和舒珀效应等在空气中 比石英材料中小得多（例如，光克尔效 应比传统光纤小三个量级【９１，舒珀效应
比传统光纤小３．６倒旧１），从而降低陀
螺中的光学噪声。 （６）易于同自由空间耦合。空芯
结构参数
光纤直径
典型值：包层８０１．ｔｉｎ 包层１２５１ｘｎａ
通过适当设计，空芯光纤
涂覆层１７０１．ｔｍ
涂覆层２４０ｐａｎ
可得到传统光纤典型直径
弯曲直径
典型值：２－３ ｉｎｃｈ
＜ｌｉｎｃｈ
带隙结构宅芯光纤甚至 可以无附加弯曲损耗
稳定性
热稳定性
受Ｓｈｕｐｅ效应限制
Ｓｈｕｐｅ效应比传统 光纤小７倍
空芯光纤对于材料折射率 改变所引起的热效戍彳ｉ敏感
＜１５ｄＢ／ｋｌｎ ＜２ｄＢ／ｋｉｎ
ＲＦＯＧ：空芯光纤应进一步 提高 ＩＦＯＧ：空芯光纤应进一步
＠１５５０
提高
非线性
受Ｋｅｒｒ效应限制
Ｋｅｒｒ效应町减小１００倍 空芯光纤Ｋｅｒｒ效应非常小
耦合
与其它光纤耦合
与自由空间耦合
空芯光纤的芯折射率为１，
有反射优势（ＩＦＯＧ） 有优势（ＲＦＯＧ）
与自由空间耦合无反射
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ
综 三不述迎
光子晶体光纤７ｊｌ其在 光纤陀螺中的应用
注：国家８６３项目支持课题 摘要：光子晶体光纤是一种包层由空气孔－石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。光子晶体光纤特
殊的结构分布和特性，使其在删氏光学噪声、陀螺尺寸、温度敏感性。提高陀螺精度和抗核辐射等方面，
具有传统光纤陀螺不可比拟的优越性。本文综述了光子晶体光纤的概念、在光纤陀螺方面的独特优势，以 及其在光纤陀螺应用方面的研究进展和前景。
偏振保持的 应力效应产生的偏振 偏振保持热稳定性
热稳定性 保持热稳定性差
比较好
窑芯光纤构成的偏振保持 对热不敏感
辐射敏感性 硅加包层的结构对
对辐射敏感降低５０倍 空芯光纤对辐射不敏感
辐射敏感
磁敏感性
受Ｆａｒａｄａｙ效应限制 提高１００倍
空芯光纤对磁效应不敏感， 传统光纤需要屏蔽层
有助于光纤环或谐振腔尺寸小型化。 （５）光学噪声小。谐振式光纤陀
◆ 传 ｗ＿Ｍ感Ⅸ器ｍ∞世ｎ界删２．０１姗０．ａ｛０５
万方数据
Ｔｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ 一一
起的系统漂移可降低ｌ～２个数量级１２们，温度和偏振模式对 温度的敏感性显著降低０６－１７ｌ，从而改善谐振式光纤陀螺的性 能。另外，空芯结构ＰＣＦ还可以直接降低其与自由空间之间 的耦合损耗。
２００４年，Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司提出一种谐振式ＰＣＦ陀螺技术 方案（图４），并通过实验验明，空芯ＰＣＦ环形谐振腔具有良 好的空间模式和偏振模式效应，其对温度的敏感性比传统保 偏光纤低２～３个数量级，自由谱宽度约为４００ＭＨｚ，一圈的 损耗仅为７％，自由空间与光纤之间的实际耦合损耗只有 ３％ｔ２１－２２１。
综上可见。无论是实芯ＰＣＦ。还是空芯ＰＣＦ均可以用于 干涉型光纤陀螺。但是，空芯ＰＣＦ在提高温度稳定性【１８】、降 低背向散射噪纠１９１等方面的效果更好。
２、谐振型光子晶体光纤陀螺 谐振腔光纤陀螺是利用环形腔中相向传输的谐振光的频 率差正比于角速度，从而实现对旋转角速度的测量。相比于 较为成熟的干涉式光纤陀螺，谐振式光纤陀螺所需光纤长度 仅为干涉式光纤陀螺的几十到几百分之一，而且检测精度高、 动态范围大。从而引起了美、日、欧洲等惯性技术发达国家 的重视。但是，谐振式光纤陀螺中的瑞利背向散射、偏振相 关、光克尔效应等噪声问题的解决，增加了系统的复杂度和 成本【１７】。 空芯ＰＣＦ将光局限在空气中。而非石英材料中进行传输， 故可以降低谐振式光纤陀螺中的各种噪声。如光克尔效应引
感性比传统光纤低１００～１０００倍【８】ｏ
（４）弯曲损耗低，易于实现陀螺
小型化。传统光纤在弯曲半径较小时易
发生泄露，限制了光纤陀螺的小型化。
而ＰＣＦ弯曲损耗比传统光纤小得多，
表１．传统光纤与ＰＣＦ的特性对比【ｌｌ】·
特征
传统光纤
空芯光纤
优点
光程
损耗（ＰＭ） ＠１３１０ 损耗（ＰＭ）
＜３ｄＢ／ｋｉｎ ＜３ｄＢ／ｋｉｎ
最近，Ｘ．Ｗａｎｇ等人也在试验上证明，该类陀螺中用到 的ＰＣＦ温度系数约为３．７４ｘ１０一ｍ／ｏＣ，比普通光纤低１００倍【８】。
Ｆｅｎｇ等人设计了一种新型光学谐振腔，并指出，通过合 理控制空间耦合损耗的大小，基于ＰＣＦ的光纤陀螺理论精度 可满足中低精度战术陀螺的设计要求‘２朝。
四、前景和展望 光子晶体光纤的优越特性使其有望迸一步改善光纤陀螺
ＰＣＦ在与自由空间耦合时，损耗小，非 常适合谐振式光纤陀螺。
目前，ＰＣＦ的制作也已经取得突 破，全内反射ＰＣＦ在１．３Ｉ＿ｔｍ和１．５Ｂｉｎ 的损耗已经低至０．３５ｄＢ／ｌａｎ和 Ｏ．１８ｄＢ／ｋｍ［１２１，水峰降低到１．０ ｄＢ／ｋｍ： 而光子带隙ＰＣＦ的损耗也已经降低到 １．２ ｄＢ／ｋｍ［１３】。国外的Ｃｒｙｓｔａｌ ＦｉｂｅｒＡ／Ｓ、
的精度、实现小型化的目标。特别是，ＰＣＦ在克服光学噪声 和耦合损耗方面的优异特性，使其可能在谐振腔光纤陀螺的 实用化方面起到重要作用。但是，要使ＰＣＦ真正在光纤陀螺 中发挥作用，还有许多问题有待克服。首先，由于国外的技 术封锁，国内ＰＣＦ的性能有待提高，如进一步降低ＰＣＦ的损 耗、改善高保偏ＰＣＦ的结构设计和制作工艺等；其次，用于 ＰＣＦ陀螺的相关光学器件需要重新设计和改善，从而达到良 好的匹配效果；另外，谐振腔光纤陀螺自身的一些技术问题 有待攻克。相信在不久的将来，光子晶体光纤将在推动光纤 陀螺小型化和高精度的目标中发挥重要作用。
根据ＰＣＦ类型的不同，ＰＣＦ光纤陀螺同 样可由实芯和空芯两类ＰＣＦ加以实现。
２００６年。Ｔ．Ｊｅｓｓｅ等人采用传统光纤陀螺 的光路和检测方式，仅利用实芯ＰＣＦ敏感环 替代传统光纤环，实现了一个Ｉ－ＦＯＧ，其随
机游走约０．Ｏｌ％，漂移量小于０．０２％（图２），
从而证明实芯ＰＣＦ敏感环可获得类似传统光 纤敏感环的效果【wk.baidu.com５】。由于光束仍然局限在石 英纤芯中进行传输，陀螺系统在改善光学噪 声和温度稳定性等方面不会有明显突破。当 然，如果采用具有光子带隙效应的实芯ＰＣＦ 作为敏感环，受光子带隙和折射率导引的双 重作用，实芯ＰＣＦ在降低敏感环尺寸方面比 传统光纤会有优势。
纤。
（２）双折射高。保偏ＰＣＦ比传统
保偏光纤的双折射至少高一个量级川。
（３）温度稳定性好。传统保偏光
纤，特别是应力双折射光纤易随温度变
化而使应力施加单元（硼棒）的应力发
生改变，从而影响光纤保偏性能的温度
稳定性。而保偏ＰＣＦ通常由单一材料
的结构不对称形成几何双折射，纤芯、
包层的力学性质完全匹配，对温度的敏
光纤陀螺的发展方向是高精度和小型化。但是，受普通光纤性能的影响，光纤陀螺在发展过程中遇到许 多障碍，如光纤损耗随光纤环或谐振腔尺寸减小而增大、温度稳定性差、双折射和消光比大、谐振腔光纤陀 螺的光学噪声难以消除【２】；在核辐射情况下，纤芯中掺杂的Ｇｅ０２易扩散而引起光纤损耗额外增加等【”。近年 来发展的光子晶体光纤在性能上有很大改善，有望推动光纤陀螺性能的改进和提高。本文对光子晶体光纤的 特性及其在光纤陀螺方面的应用进展进行介绍。
光子带隙ＰＣＦ［６】的包层由石英．空气二维光子晶体（具有二维光子带隙）构成，具有严格的大小、间距和 周期排布，纤芯为空气孔构成的线缺陷。光子带隙ＰＣＦ的导光机制与传统光纤完全不同，它是通过包层光子
◆ ｗ传愀ｓ感引器 强Ｏ世 蹦删界．２ｃ０响１．０． ｃｎ ０５
万方数据
Ｔｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ 一一
二、光子晶体光纤 光子晶体光纤（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ，ＰＣＦ），又称作多孔光纤（Ｈｏｌｙ Ｆｉｂｅｒ）、微结构光纤（Ｍｉｃｒｏ．ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ
Ｆｉｂｅｒ），最早由Ｒｕｓｓｅｌｌ等人在１９９２年提出【４】。它是一种包层由空气孔．石英沿轴向方向周期排列所构成的新型 光纤。
根据导光机制，光子晶体光纤的主要可以分为两类：一类是全内反射光子晶体光纤（ＴＩＲ－ＰＣＦ），一类是 光子带隙光纤（ＰＢＧ．ＰＣＦ），见图ｌ。
三、光子晶体光纤陀螺 近年来，有关ＰＣＦ光纤陀螺的研究开始逐步展开，并取
得了一些研究成果。 ｌ、干涉型光子晶体光纤陀螺 干涉式光纤陀螺（Ｉ．ＦＯＧ）主体是一个萨格奈克（Ｓａｇｎａｃ）
干涉仪，由宽带光源（如超发光二极管或光纤光源），光纤耦 合器、光探测器、Ｙ分支多功能光学芯片和 光纤线圈组成。其原理基于Ｓａｇｎａｃ效应：当 陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针 方向传播的两束光之间产生一个与旋转角速 率成正比的相位差。通过检测相位差，实现 对旋转角速率的测量【１４１。
万方数据
◆ ２０１０．０５ ＳｅｎｓｏｒＷｏｒｌｄ ｔｗｓｗ．ｓｅｎｓｏｒｗｏｒｌｄ．ｃｏｒｎ．ｃｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ
综述
Ｂｌａｚｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、英国的Ｂａｔｈ大学，以及日本的ＮＴｒ等均已 经掌握了ＰＣＦ的制作工艺，有商品光纤出售。国内的长飞、 烽火和燕山大学等也已经在ＰＣＦ的研制方面取得一定成果， 部分光纤已经被用于实验研究。虽然目前国内ＰＣＦ的生产工 艺与国外差距还很大，但是，ＰＣＦ走向实用只是对闻闯题。 因此，探索光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用，对于进一步 提高光纤陀螺的性能具有重要作用。
晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中进行传输的。当光入射
质有关的光纤性能得到改善，如损耗、色散、非线性等大大
到纤芯．包层界面上时，某些特定波长和入射角的光会受到包
降低，温度稳定性和抗核辐射等能力大幅提高等。
层光子晶体结构的强烈散射，这种多重散射产生干涉使光线
作为光纤陀螺的重要组成部分，ＰＣＦ可获得传统光纤陀
参考文献： 【ｌ】Ｖａｌｉ Ｖ＇Ｓｈｏｒｔｈｉｌｌ Ｒ Ｗ．Ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｉｎｔｅ椭ｅｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］，Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９７６，
１５：１０９９．１１００． 【２】Ｋ．Ｈｏｔａｔｅ．Ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｓｓｉｖｅ ｒｉｎｇ－ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｇｙｒｏ［Ａ］．ＩＲＥＥ，ｅｄｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＯＦＳ’９０［ｃ］．Ｓｙｄｎｅｙ， Ａｕｓｔｒａｌｉａ：ＩＲＥＥ，１９９０．１Ｉ～１７． 【３】Ｊ．艮Ｓｙｌｖａｉｎ Ｇｉｒａｒｄ，Ｙｏｎｃｅｆ Ｏｕｅｒｄａｎｅ，Ｊｅａｎ—Ｐｉｅｒｒｅ Ｍｅｕｎｉｅｒ，ｅｔ ａ１． Ｒ－ｒａｙｓ ａｎｄ ｐｕｌｓｅｄ ｘ－ｒａｙ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｇｅｒｍａｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ：ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｅｏｄｏｐａｎｔｓ，【Ｊ】． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．２００４，２０：１９１５～１９２２． 【４】Ｍ．Ｃｈｅｎ，Ｙ．Ｌｉｕ，ａｎｄ ｚ．Ｙｕ．Ｆｕｌｌ－ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｒｅｃｔａｎｇｌｅ ｌａｔｔｉｃｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｅｒｙｓｍｌ ｗｉｔｈ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｎｄ ｅｌｌｉ【ｐｔｉｃａｌ ｈｏｌｅｓ［Ａ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＳＰＩＥ）［Ｃ］，Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ，２００７． 【５】Ｓ。Ｇｕｐｔａ，Ｇ Ｔｕｒｔｌｅ，Ｍ。Ｓｉｇａｌａｓ，ｅｔ ａｔ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｌｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ ｓｔｎｌｃｔｕｒｃｓ ｏｎ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｉ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．．
回到纤芯中。也就是说，包层光子晶体满足布拉格条件时出
螺无可比拟的优异性能（表１）。
现光子带隙，对应波长的光不能在其中传播，而只能限制在
（１）设计自由度大。结构参数可通过改变包层空气孔的
纤芯中传播。由于光主要在空气中进行传输，与材料本身性
形状、大小、排布方式等加以控制，从而设计出同时满足陀
螺多种要求，并与其它器件匹配的光
全内反射ＰＣＦ也称折射率引导ＰＣＦ（Ｉｎｄｅｘ Ｇｕｉｄｉｎｇ ＰＣＦ）【５１，其导光机制与传统光纤类似。包层由石英． 空气介质周期排列而成。中心为ｓｉ０２构成的实芯缺陷。通过改变包层中空气和石英的比例调节包层的有效折 射率，从而使纤芯折射率高于包层的有效折射率，将光波以全反射方式局限在纤芯中传输。当包层结构满足 一定条件时，全内反射ＰＣＦ还会同时具有光子带隙ＰＣＦ的特性。
同年．Ｈ．Ｋｉｍ等人利用空芯ＰＣＦ敏感环 构建了Ｉ－ＦＯＧ，见图３。由于光束被束缚在空 气中传输，而空气的折射率对温度的依赖性 远小于硅，使得空芯ＰＣＦ作为Ｉ－ＦＯＧ的敏感 环的相位灵敏度范围为１．５～２．２ｐｐｍ／＇Ｃ，比 普通光纤减少了３．６～５．２ ｐｐｍ／＇Ｃ，随机游走 系数可达到０．０１５０／ｈ［１０’１６。１７１。
关键词：光纤陀螺；光子晶体光纤；应用
中图分类号：０４３９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—８８３Ｘ（２０１０）０５－－０００６—０５
◆◆
殷建玲鲁军刘军
一、引言 光纤陀螺是利用萨尼奈克（Ｓａｇｎａｃ）效应测量物体转动角速度的一种高精度传感器，是惯性系统的核心器件
及决定其性能的关键部件。自１９７６年美国Ｕｔａｈ大学的Ｖ Ｖａｌｉ和Ｒ．ＷｓｈｏｒｔｈｉＵ成功地制作第一个光纤陀螺【ｌ】 以来，光纤陀螺得到蓬勃发展。其测量精度从最初的１。／１１提高到目前的０．０００１。／ｈ，并广泛应用于惯性导航和 控制等领域。在我国，光纤陀螺也正在逐步走向批量生产和应用。