《电磁场与电磁波》课程教学资源（文献资料，光电）光半导体：光子晶体_光子晶体光纤在陀螺上的应用

2017年10月 现代防御技术 0t.2017 第45卷第5期 MODERN DEFENCE TECHNOLOGY Vol.45 No.5 口专栏 编者按：“2016年先进导航、制导与控制技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空 天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，共征集到论文40余篇，经 过专家评审选出优秀论文0余篇进行了会议交流。《现代防御技术》特开辟专栏陆续刊登此 次会议的优秀论文，供读者参考。 光子晶体光纤在陀螺上的应用 宋凝芳 (北京航空航天大学光电技术研究所.北京100191) 摘要：从光子晶体光纤的原理出发，对其在光纤陀螺领城的研究现状与应用现状进行介绍。 光子晶体光纤是一种新型微结构光纤，可以使用单一材料制造，通过设计微结构对光纤的折射率 进行调节和匹配，以获得不同的光学传播特性，通过形状双折射来获得保偏性能的光子品体光纤 可以提供比传统光纤优异的偏振特性，改善光纤陀螺的偏振误差。此外，光子晶体光纤还具有弯 曲损耗小、磁敏感度低、抗辐射等特点，能有效降低环境因素引起的陀螺误差，提高光纤陀螺的环 境适应性，赦认为是下一代光纤陀螺的理想选择。 关键词：光子品体光纤；光子带隙光纤；双折射；Shup吧效应；光纤陀螺；光纤传感；惯性传感 doi:10.3969/i.isn.1009-086x.2017.05.001 中图分类号：U66612*3:TN913.7 文献标志码：A 文章编号：1009086X(2017)05000106 Application of Photonic Crystal Fiber on Fiber Optic Gyroscopes SONG Ning-fang Beihang University,of Oplo-Electronie Technology.Beijing 100191.China) Abstract:The principle of photonie erystal fiber (PCF)and its application in fiber optie gyroscop are introduced.Photonic crystal fiber is a kind of novel micro-structured optical fiber.which can be fab- ricated with pure material and provide optical propagation characteristics by adjusting the micro structures in the fiber.Due to the form birefringence,the polarization maintaining PCF has better polarization per- formance than conventional fibers do.Hence,the polarization error of fiber optic gyroscope(FOG)is re- duced.PCF is thought to be the ideal choice for fiber optic gyroscope due to its advantages on environ- mental adaptability,including low sensitivity to temperature and radiation and lower bending loss. Key words:photonic erystal fiber;photonie band gap fiber;birefringence:Shupe effect;optical fibe gyroscope;optical fiber sensing:inertial sensing *收稿日期：2016-11-20：修回日期：2016-12-15 作者简介：宋凝芳(1968-)，女，天津人。教授，博士，主要从事陀螺及惯性技术研究。 通信地址：OO191北京航空航天大学光电技术研究所Emai止ongf@baa.d.cm 21994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

书 2017 年 10 月 第 45 卷 第 5 期 现代防御技术 MODEＲN DEFENCE TECHNOLOGY Oct． 2017 Vol． 45 No． 5 专栏 编者按:“2016 年先进导航、制导与控制技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空 天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，共征集到论文 40 余篇，经 过专家评审选出优秀论文 10 余篇进行了会议交流。《现代防御技术》特开辟专栏陆续刊登此 次会议的优秀论文，供读者参考。 光子晶体光纤在陀螺上的应用* 宋凝芳 ( 北京航空航天大学 光电技术研究所，北京 100191) 摘要: 从光子晶体光纤的原理出发，对其在光纤陀螺领域的研究现状与应用现状进行介绍。 光子晶体光纤是一种新型微结构光纤，可以使用单一材料制造，通过设计微结构对光纤的折射率 进行调节和匹配，以获得不同的光学传播特性，通过形状双折射来获得保偏性能的光子晶体光纤 可以提供比传统光纤优异的偏振特性，改善光纤陀螺的偏振误差。此外，光子晶体光纤还具有弯 曲损耗小、磁敏感度低、抗辐射等特点，能有效降低环境因素引起的陀螺误差，提高光纤陀螺的环 境适应性，被认为是下一代光纤陀螺的理想选择。 关键词: 光子晶体光纤; 光子带隙光纤; 双折射; Shupe 效应; 光纤陀螺; 光纤传感; 惯性传感 doi: 10. 3969 /j. issn. 1009-086x. 2017. 05. 001 中图分类号: U666. 12 + 3; TN913. 7 文献标志码: A 文章编号: 1009-086X( 2017) -05-0001-06 Application of Photonic Crystal Fiber on Fiber Optic Gyroscopes SONG Ning-fang ( Beihang University，Institute of Opto-Electronic Technology，Beijing 100191，China) Abstract: The principle of photonic crystal fiber ( PCF) and its application in fiber optic gyroscope are introduced． Photonic crystal fiber is a kind of novel micro-structured optical fiber，which can be fab￾ricated with pure material and provide optical propagation characteristics by adjusting the micro structures in the fiber． Due to the form birefringence，the polarization maintaining PCF has better polarization per￾formance than conventional fibers do． Hence，the polarization error of fiber optic gyroscope ( FOG) is re￾duced． PCF is thought to be the ideal choice for fiber optic gyroscope due to its advantages on environ￾mental adaptability，including low sensitivity to temperature and radiation and lower bending loss． Key words: photonic crystal fiber; photonic band gap fiber; birefringence; Shupe effect; optical fiber gyroscope; optical fiber sensing; inertial sensing  * 收稿日期: 2016 －11 －20; 修回日期: 2016 －12 －15 作者简介: 宋凝芳( 1968 －) ，女，天津人。教授，博士，主要从事陀螺及惯性技术研究。 通信地址: 100191 北京航空航天大学光电技术研究所 E-mail: songnf@ buaa． edu． cn

“2. 现代防御技术 2017年第45卷第5期 0引言 光纤：而空芯光子晶体光纤，如图1b)所示，是在 S0,和空气孔周期性排列构成的光子品体中大 光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种主流角速 中心的空气孔以形成缺陷，即破坏其周期性结构 度传感器，是实现载体自主导航、定位和定姿的基 进而利用光子带隙控制光波在中心空气孔（纤芯） 础核心组件，广泛应用于航空、航海、航天和各类军 中传播，其纤芯折射率低于包层折射率，光波在空 事及民用领域的惯性设各中。光纤是光纤陀螺 气纤芯内的传播不是依靠传统的全反射原理.因此 中最主要的传输介质，传统光纤陀螺中采用的都是 空芯光子晶体光纤也被称为真正意义上的光子带 传统光纤，其导波特性对外界温度、电磁等物理场 隙型光纤。 较做感，导致光纤陀螺环境话应性差。因此，目前 主要采取被动防护的措施来解决传统光纤陀螺的 环境适应性问题：如利用屏蔽罩来防护电磁、温度 场的影响，这些传统措施虽然能够在一定程度上提 高环境适应性，但是也带来了其他副作用，如体积 重量、功耗、成本增加。 光子晶体光纤具有与传统光纤完全不同的 山实芯光子品体光纤 )空芯光子品体光纤 气空微结构和导波机理，对电磁、温度和辐照等环 图1光子品体光纤 境因素敏感度低，是解决光纤陀螺环境适应性问题 Fig.1 Core PCF 的理想选择2可。国外早在2000年左右就提出了 光子晶体光纤是下一代光纤陀螺的首选，美国国例 对于光纤陀螺应用，光子晶体光纤相对于传统 部也一直在资助Draper实验室进行光子带隙光纤 光纤具有如下优势： 陀螺研究。国内目前研究光子品体光纤的单位 (1)低弯曲损耗，在弯曲直径小于1in(1in 高校居多，设计并拉制了多种新型光子晶体光纤 2.54cm)的情况小损耗没有明显增大，有利于实现 包括测漏型光子品体光纤、超宽带新型光子品体光 光纤陀螺的小型化设计与应用。 纤、抗弯曲大模场面积光子品体光纤、高双折射光 (2)低非线性，光子品体光纤中98%以上能量 子品体光纤等，并将设计的光纤应用于各类型传感 在空气中传播，因而对非线性效应不敏感，如会引 器中：针对光子晶体光纤的导波模式和色散特性等 起陀螺输出误差的Ker效应。 进行了研究，分析了光子品体熔接过程的空气孔力 (3)抗辐射，光子品体光纤由纯SO、材料制作 学特性以解决光子品体光纤与传统光纤难以接续 而成，没有任何掺杂，理论上具有较好的抗辐射性 的问题，对光子晶体光纤在传感器领域的应用进行 能，尤其是空芯光子晶体光纤，光波直接在空气中 了初步的探索。其中某单位以光子晶体光纤陀螺 传输，具有很好的抗辐射性能。 的系统研究为主。本文将从光子品体光纤原理出 (4)环境话应性好，光波在空气中传播，对外界 发，对光子品体光纤陀摆的研究现状讲行介绍 温度、压力敏感度低，有利于提高光纤陀螺的环境 1光子晶体光纤 适应性。 2光子晶体光纤陀螺研究现状 光子晶体光纤是基于低折射率材料（空气）在 高折射率背景材料(Si0,)中的二维周期性排列而 在光子晶体光纤陀螺研制方面，国内外均开展 形成的一种微结构光纤，分为实芯光子晶体光纤和 了相关的研究。美国Draper实验室、斯坦福大学和 空芯光子晶体光纤0四。实芯光子晶体光纤，如图 霍尼韦尔公司相维开展了理论研究与原型系统式 1a)所示，是利用Si0,和空气孔构成的包层折射率 验，其研究成果代表国际相关领域的最先进水平： 小于S0,纤芯折射率的特征，通过全内反射原理将 国内某些单位也开展了光子晶体光纤陀螺相关研 光波束缚在纤芯中传播，不是严格意义上的带隙型 究，其研究进度和技术水平与国外相当。 21994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

现代防御技术 2017 年第 45 卷第 5 期 0 引言 光纤陀螺是基于 Sagnac 效应的一种主流角速 度传感器，是实现载体自主导航、定位和定姿的基 础核心组件，广泛应用于航空、航海、航天和各类军 事及民用领域的惯性设备中［1］。光纤是光纤陀螺 中最主要的传输介质，传统光纤陀螺中采用的都是 传统光纤，其导波特性对外界温度、电磁等物理场 较敏感，导致光纤陀螺环境适应性差。因此，目前 主要采取被动防护的措施来解决传统光纤陀螺的 环境适应性问题: 如利用屏蔽罩来防护电磁、温度 场的影响，这些传统措施虽然能够在一定程度上提 高环境适应性，但是也带来了其他副作用，如体积、 重量、功耗、成本增加。 光子晶体光纤具有与传统光纤完全不同的空 气空微结构和导波机理，对电磁、温度和辐照等环 境因素敏感度低，是解决光纤陀螺环境适应性问题 的理想选择［2 － 9］。国外早在 2000 年左右就提出了 光子晶体光纤是下一代光纤陀螺的首选，美国国防 部也一直在资助 Draper 实验室进行光子带隙光纤 陀螺研究。国内目前研究光子晶体光纤的单位以 高校居多，设计并拉制了多种新型光子晶体光纤， 包括测漏型光子晶体光纤、超宽带新型光子晶体光 纤、抗弯曲大模场面积光子晶体光纤、高双折射光 子晶体光纤等，并将设计的光纤应用于各类型传感 器中; 针对光子晶体光纤的导波模式和色散特性等 进行了研究，分析了光子晶体熔接过程的空气孔力 学特性以解决光子晶体光纤与传统光纤难以接续 的问题，对光子晶体光纤在传感器领域的应用进行 了初步的探索。其中某单位以光子晶体光纤陀螺 的系统研究为主。本文将从光子晶体光纤原理出 发，对光子晶体光纤陀螺的研究现状进行介绍。 1 光子晶体光纤 光子晶体光纤是基于低折射率材料( 空气) 在 高折射率背景材料( SiO2 ) 中的二维周期性排列而 形成的一种微结构光纤，分为实芯光子晶体光纤和 空芯光子晶体光纤［10 － 12］。实芯光子晶体光纤，如图 1a) 所示，是利用 SiO2 和空气孔构成的包层折射率 小于 SiO2 纤芯折射率的特征，通过全内反射原理将 光波束缚在纤芯中传播，不是严格意义上的带隙型 光纤; 而空芯光子晶体光纤，如图 1b) 所示，是在 SiO2 和空气孔周期性排列构成的光子晶体中扩大 中心的空气孔以形成缺陷，即破坏其周期性结构， 进而利用光子带隙控制光波在中心空气孔( 纤芯) 中传播，其纤芯折射率低于包层折射率，光波在空 气纤芯内的传播不是依靠传统的全反射原理，因此 空芯光子晶体光纤也被称为真正意义上的光子带 隙型光纤。 图 1 光子晶体光纤 Fig． 1 Core PCF 对于光纤陀螺应用，光子晶体光纤相对于传统 光纤具有如下优势: ( 1) 低弯曲损耗，在弯曲直径小于 1 in ( 1 in = 2. 54 cm) 的情况小损耗没有明显增大，有利于实现 光纤陀螺的小型化设计与应用。 ( 2) 低非线性，光子晶体光纤中 98% 以上能量 在空气中传播，因而对非线性效应不敏感，如会引 起陀螺输出误差的 Kerr 效应。 ( 3) 抗辐射，光子晶体光纤由纯 SiO2 材料制作 而成，没有任何掺杂，理论上具有较好的抗辐射性 能，尤其是空芯光子晶体光纤，光波直接在空气中 传输，具有很好的抗辐射性能。 ( 4) 环境适应性好，光波在空气中传播，对外界 温度、压力敏感度低，有利于提高光纤陀螺的环境 适应性。 2 光子晶体光纤陀螺研究现状 在光子晶体光纤陀螺研制方面，国内外均开展 了相关的研究。美国 Draper 实验室、斯坦福大学和 霍尼韦尔公司相继开展了理论研究与原型系统实 验，其研究成果代表国际相关领域的最先进水平; 国内某些单位也开展了光子晶体光纤陀螺相关研 究，其研究进度和技术水平与国外相当。 ·2· 

宋凝芳：光子品体光纤在陀螺上的应用 .3· 美国Draper实验室于2006年研制了精度优于 商业级掺铒光纤光源作为光路输入，光纤环由丹麦 0.02()h光子品体光纤陀螺，光纤长度和直径 NKT公司生产的HC-1550-02型空芯光子晶体光 的乘积为73.66m2,如图2所示。该陀螺采用实芯 纤绕制而成，内径82mm,总长度235m利用信号 光子晶体光纤，此光纤具有无尽单模特性，可采用 发生器产生的正弦波对该陀螺进行开环调制，其零 宽谱光源有效抑制陀螺的相对强度噪声。该实芯 偏稳定性约为2()h,最小可探测角速率约 光子品体光纤还具有直径较小、弯曲半径较小的特 2.7()h,噪声为3.3uad。该研究小组还对空芯 点，可以有效减小光纤环体积。 光子晶体光纤陀螺的长期稳定性进行了研究，主要 考察了空芯光子品体光纤在抑制克尔误差、法拉第 o山吗 误差和Shupe误差上的优势。理论和实验结果表 明，空芯光子晶体光纤陀螺中由克尔效应引入的漂 移至少为传统陀螺的1170，同等光纤长度下的 图2美国Draper实验室光子晶体光纤陀螺示意图 Shupe误差约为1/6.5，与法拉第误差成正比的光纤 Fig.2 Schematic view of the PCF-FOG Verdet常数为普通光纤的1/20。与传统陀螺相比 of Draper laboratory 空芯光子昂体陀螺在环培活应性和长期稳定性上 美国斯坦福大学的GINZTON实验室于20O5年 具有非常大的优势。 研制了第1个空芯光子晶体光纤陀螺，如图3所 2010年，美国霍尼韦尔公司提出一种谐振式 示。该陀螺采用中心波长1544nm、谱宽7.2nm的 光子品体陀螺技术方案，如图4所示。实验表明， Optical Y-junction plin Lock-in 3美国斯坦福大学空芯光子品体光纤陀螺示意图 g.3 ematic view of PBF-FOG of Stanford University Oe: PD onie B. 图4美国霍尼韦尔公司谐振型光子品体光纤陀螺 Fig.4 Resonant PCF-FOG of Honeywell 1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

美国 Draper 实验室于 2006 年研制了精度优于 0. 02 ( °) / h 光子晶体光纤陀螺［13］，光纤长度和直径 的乘积为 73. 66 m2 ，如图 2 所示。该陀螺采用实芯 光子晶体光纤，此光纤具有无尽单模特性，可采用 宽谱光源有效抑制陀螺的相对强度噪声。该实芯 光子晶体光纤还具有直径较小、弯曲半径较小的特 点，可以有效减小光纤环体积。 图 2 美国 Draper 实验室光子晶体光纤陀螺示意图 Fig． 2 Schematic view of the PCF-FOG of Draper laboratory 美国斯坦福大学的 GINZTON 实验室于 2005 年 研制了第 1 个空芯光子晶体光纤陀螺［14］，如图 3 所 示。该陀螺采用中心波长1 544 nm、谱宽 7. 2 nm 的 商业级掺铒光纤光源作为光路输入，光纤环由丹麦 NKT 公司生产的 HC － 1550 － 02 型空芯光子晶体光 纤绕制而成，内径 82 mm，总长度 235 m; 利用信号 发生器产生的正弦波对该陀螺进行开环调制，其零 偏稳 定 性 约 为 2 ( °) / h，最小可探测角速率约 2. 7 ( °) / h，噪声为3. 3 μrad。该研究小组还对空芯 光子晶体光纤陀螺的长期稳定性进行了研究，主要 考察了空芯光子晶体光纤在抑制克尔误差、法拉第 误差和 Shupe 误差上的优势。理论和实验结果表 明，空芯光子晶体光纤陀螺中由克尔效应引入的漂 移至少为传统陀螺的 1 /170，同等光 纤 长 度 下 的 Shupe 误差约为 1 /6. 5，与法拉第误差成正比的光纤 Verdet 常数为普通光纤的 1 /20。与传统陀螺相比， 空芯光子晶体陀螺在环境适应性和长期稳定性上 具有非常大的优势。 2010 年，美国霍尼韦尔公司提出一种谐振式 光子晶体陀螺技术方案［15］，如图4所示。实验表明， 图 3 美国斯坦福大学空芯光子晶体光纤陀螺示意图 Fig． 3 Schematic view of PBF-FOG of Stanford University 图 4 美国霍尼韦尔公司谐振型光子晶体光纤陀螺 Fig． 4 Ｒesonant PCF-FOG of Honeywell 宋凝芳: 光子晶体光纤在陀螺上的应用 ·3· 

4 现代防御技术 2017年第45卷第5期 光子晶体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400MH,一圈光纤的损 耗仅为7%，自由空间与光纤之间的实际耦合损耗只 有3% 某单位自2007年开始光子品体光纤陀螺技术研 究，至今己近10年，在光纤设计与制作、光路误差分 析与建模，陀螺系统集成与工程化实现等方面均开展 副结构设计图 了相关研究目前己成功牵引相关光纤生产厂家研 出第一根细径保偏实芯光子品体光纤，并实现其在 0.001(°)h高精度光纤陀螺和轻小型三轴一体化光 纤陀螺上的应用。 2.1基于细径光子晶体光纤的轻质微小型光纤陀 螺技术 为满足光纤陀螺日益增长的轻质量和小体积 的应用需求，某单位与相关光纤生产厂家合作研制 了纤芯直径80um、包层直径135um的细径实芯保 )预制棒截面 偏光子晶体光纤，如图5所示。目前该光纤成品己 实现损耗低于2.0dB/km、偏振串音大于24dB/km 等技术指标，在损耗水平与国外同类产品相当的情 况下提高了光纤的保偏性能，同时减小了光纤的 形尺寸，对实现光子晶体光纤在小型化光纤陀螺上 的应用奠定基础。 图6所示为利用该细径实芯保偏光子品体光纤 制作而成的轻小型三轴一体化光纤陀螺的外观图 心光纤戴面图 和全温测试曲线。该三轴陀螺总质量约205g,光纤 图5细径实芯保偏光子品体光纤 环外径38mm,光纤总长度约300m,常温零偏稳定 Fig.5 Small diameter solid-core polarization 性为0.3()小(10s平滑)，全温零偏稳定性在补 maintaining PCF 偿前可达到0.5()h(10s平滑)。与相同尺寸下 利用传统熊猫型保偏光纤制作而成的陀螺相比，该 2.3空芯光子晶体光纤陀螺技术 光纤陀螺的全温性能提高了近3倍，从而也证明了 某单位自2012年开始空芯光子晶体光纤陀螺 光子晶体光纤在提高光纤陀螺环境适应性上的独 技术研究，突破了空芯光子晶体光纤与传统光纤的 特优势。 低损耗高强度熔接技术，对空芯光子品体光纤陀螺 2.2高精度光子晶体光纤陀螺技术 的光路误差和噪声进行了理论分析和实验研究，并 某单位于2015年研制出0.001(o)/小h高结度 于2015年搭建了实验样机，如图8所示。该样机环 光子晶体光纤陀螺，如图7所示。该陀螺采用细径 体直径180mm,光纤总长度约200m,常温零偏稳 实芯保偏光子晶体光纤绕制而成，光纤环外径 定性~0.3()小(10s平滑)，磁敏感度比相同尺 140mm,光纤总长度约1700m,常温零偏稳定性可 寸传统光纤陀螺提高近4倍。然而，现有空芯光子 达到0.0022()h(100s平滑)，全温零偏稳定性 晶体光纤还存在损耗大等问题，严重制约了空芯光 在补偿前为0.02()h(100s平滑)。目前该陀螺 子品体光纤陀螺的发展和应用。目前己完成空芯 己完成所有测试，准备进行搭载实验。 光子品体光纤的结构优化设计，正与相关光纤生产 21994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

现代防御技术 2017 年第 45 卷第 5 期 光子晶体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 400 MHz，一圈光纤的损 耗仅为 7%，自由空间与光纤之间的实际耦合损耗只 有 3%。 某单位自 2007 年开始光子晶体光纤陀螺技术研 究，至今已近 10 年，在光纤设计与制作、光路误差分 析与建模、陀螺系统集成与工程化实现等方面均开展 了相关研究，目前已成功牵引相关光纤生产厂家研制 出第一根细径保偏实芯光子晶体光纤，并实现其在 0． 001 ( °) / h 高精度光纤陀螺和轻小型三轴一体化光 纤陀螺上的应用。 2． 1 基于细径光子晶体光纤的轻质微小型光纤陀 螺技术 为满足光纤陀螺日益增长的轻质量和小体积 的应用需求，某单位与相关光纤生产厂家合作研制 了纤芯直径 80 μm、包层直径 135 μm 的细径实芯保 偏光子晶体光纤，如图 5 所示。目前该光纤成品已 实现损耗低于 2. 0 dB / km、偏振串音大于 24 dB / km 等技术指标，在损耗水平与国外同类产品相当的情 况下提高了光纤的保偏性能，同时减小了光纤的外 形尺寸，对实现光子晶体光纤在小型化光纤陀螺上 的应用奠定基础。 图 6 所示为利用该细径实芯保偏光子晶体光纤 制作而成的轻小型三轴一体化光纤陀螺的外观图 和全温测试曲线。该三轴陀螺总质量约 205 g，光纤 环外径 38 mm，光纤总长度约 300 m，常温零偏稳定 性为 0． 3 ( °) / h( 10 s 平滑) ，全温零偏稳定性在补 偿前可达到 0． 5 ( °) / h( 10 s 平滑) 。与相同尺寸下 利用传统熊猫型保偏光纤制作而成的陀螺相比，该 光纤陀螺的全温性能提高了近 3 倍，从而也证明了 光子晶体光纤在提高光纤陀螺环境适应性上的独 特优势。 2． 2 高精度光子晶体光纤陀螺技术 某单位于 2015 年研制出 0. 001 ( °) / h 高精度 光子晶体光纤陀螺，如图 7 所示。该陀螺采用细径 实芯保 偏 光 子 晶 体 光 纤 绕 制 而 成，光 纤 环 外 径 140 mm，光纤总长度约1 700 m，常温零偏稳定性可 达到 0． 002 2 ( °) / h( 100 s 平滑) ，全温零偏稳定性 在补偿前为 0. 02 ( °) / h ( 100 s平滑) 。目前该陀螺 已完成所有测试，准备进行搭载实验。 图 5 细径实芯保偏光子晶体光纤 Fig． 5 Small-diameter solid-core polarization￾maintaining PCF 2． 3 空芯光子晶体光纤陀螺技术 某单位自 2012 年开始空芯光子晶体光纤陀螺 技术研究，突破了空芯光子晶体光纤与传统光纤的 低损耗高强度熔接技术，对空芯光子晶体光纤陀螺 的光路误差和噪声进行了理论分析和实验研究，并 于 2015 年搭建了实验样机，如图 8 所示。该样机环 体直径 180 mm，光纤总长度约 200 m，常温零偏稳 定性 ～ 0． 3 ( °) / h( 10 s 平滑) ，磁敏感度比相同尺 寸传统光纤陀螺提高近 4 倍。然而，现有空芯光子 晶体光纤还存在损耗大等问题，严重制约了空芯光 子晶体光纤陀螺的发展和应用。目前已完成空芯 光子晶体光纤的结构优化设计，正与相关光纤生产 ·4· 

宋凝芳：光子品体光纤在陀螺上的应用 5 厂家就光纤拉制工艺等问题开展合作攻关。 样机外观图 外观 )静态调试曲线 图8空芯光子品体光纤陀螺 Fig.8 Hollow-core PCF-FOG 3结束语 3 时全湿测试曲线 光子品体光纤是基于二维光子晶体而形成的 一种新型微结构光纤，在温度、电磁、辐照等环境话 图6轻小型三轴一体化光子品体光纤陀螺 应性方面具有独特优势，为实现光纤陀螺的小型 Fig.6 Mini 3-axis PCF-FOG 化、轻质量以及高精度、长寿命提供了新的技术途 径，是光纤陀螺的理想选择。现有的光子品体光纤 虽然能基本满足陀螺的应用需求，但仍存在损耗较 大等问题，光子晶体耦合器等相关器件的研究还处 于起步阶段，因此，需要继续对光子品体光纤陀螺 技术和工艺等进行深入研究，以从根本上解决光纤 陀螺的环境适应性问题，实现我国光纤陀螺的跨越 式发展。 国外观图 参考文献： []ZHANG Gui-eai.Principle and Techmology of Fiber Op 200 [YIN S.KIM J H.RUFFIN P B.al An Investigati n or Fiber Optic Gyroscopes Using Microstructured Fiber [C]//Proc.SPIE 6314,Photorefractive Fiber and Crys tal Devices:Materials,Optical Propertiesnd Applica- tiom%XT.63141H.2006:63141H-63141H-9. 000 800012000 全温测试曲线 [3 BLIN S.DIGONNET M J F.KINO G S.Noise Analysis of an Airr Fiber Optic Gyroope]IEEE Photon- 图7高精度光子品体光纤陀螺 ies Technology Letters2007,(1720):1520-1522. Fig.7 High precision PCF-FOG [4 BLIN S.KIM H K.DIGONNE T M.et al.Redueed Ther- 1994-019 China Academic Joural Eleetronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net

厂家就光纤拉制工艺等问题开展合作攻关。 图 6 轻小型三轴一体化光子晶体光纤陀螺 Fig． 6 Mini 3-axis PCF-FOG 图 7 高精度光子晶体光纤陀螺 Fig． 7 High precision PCF-FOG 图 8 空芯光子晶体光纤陀螺 Fig． 8 Hollow-core PCF-FOG 3 结束语 光子晶体光纤是基于二维光子晶体而形成的 一种新型微结构光纤，在温度、电磁、辐照等环境适 应性方面具有独特优势，为实现光纤陀螺的小型 化、轻质量以及高精度、长寿命提供了新的技术途 径，是光纤陀螺的理想选择。现有的光子晶体光纤 虽然能基本满足陀螺的应用需求，但仍存在损耗较 大等问题，光子晶体耦合器等相关器件的研究还处 于起步阶段，因此，需要继续对光子晶体光纤陀螺 技术和工艺等进行深入研究，以从根本上解决光纤 陀螺的环境适应性问题，实现我国光纤陀螺的跨越 式发展。 参考文献: ［1］ ZHANG Gui-cai． Principle and Technology of Fiber Op￾tic Gyroscope［M］． Beijing: National Defence Industry Press，2010． ［2］ YIN S，KIM J H，ＲUFFIN P B，et al． An Investigation on Fiber Optic Gyroscopes Using Microstructured Fibers ［C］∥Proc． SPIE 6314，Photorefractive Fiber and Crys￾tal Devices: Materials，Optical Properties，and Applica￾tions XII，63141H． 2006: 63141H －63141H －9． ［3］ BLIN S，DIGONNET M J F，KINO G S． Noise Analysis of an Air-core Fiber Optic Gyroscope［J］． IEEE Photon￾ics Technology Letters，2007，19( 17-20) : 1520 －1522． ［4］ BLIN S，KIM H K，DIGONNE T M，et al． Ｒeduced Ther- 宋凝芳: 光子晶体光纤在陀螺上的应用 ·5· 

6 现代防御技术 2017年第45卷第5期 mal S ivity of Fiber-Optic Using an Air 84210B.2012:84210B-84210B-4 Core Photonic-Bandgap Fiber [J ]Journal of Lightwave [10]MA P.SONG N.JIN J.et al.Birefringence Sensitivityt Technology,2007.25(3):861-865. Temperature of Polarization Maintaining Photonic Crystal [5]BLIN S.DIGONNET MJF,KINO G S.Fiber-Optie Gy- Fibers []Optics Laser Technology,2012.44(6): cope Operated with a FrequencyModulated laser 1829-1833. [C]//Proe.SPIE 7004.19th Intemational Conference [11]SONG N F.MA P.JIN J.et al.Reduced Phase Eror of a on Optical Fibre Sensors,70044X.2008:70044X Fiber Optic Gyroscope Using a Polarization Maintainins 044v4 Photonie Crystal Fber]Optical Fber Technology [6]DANGUI V.DIGONNET MJF.KINO GS.Laser-Drive 2012.184:186-189 G iNeie [2] KIM H K,DANGUI V.DIGONNET M.t al Fber-Op Letters.2009,347刀：875 (c) Using an nie-Bandgap Fibe [7 DIGONNET M J F.LLOYD S W.FAN S.Coherent on Optical Fibre Sensors.198.2005:198-201. Backscattering Noise in a Photonic-Bandgap Fiber Optic [13]KIM H K.DIGONNET M J F.KINO G S.Air-Core Pho- Gyroseope [C]//Pme.SPIE 7503.20th Intemational tonic-Bandgap Fiber-Optic Gyroscope[]]Joumal of Conference on Optical Fibre Sensors.750302.2009 Lightwave Technology.2006.24(8):3169-3174. 750302-750302-4. [14]TAWNEY J.HAKIMI F.WIILIG R L Photonic Crystal [8 DU S S.SUN Z M.Z G.et al.Noise Analysis of Solid- Fiber IFOGs []OFS 19th International Conference on Cor Polarization-Maintaining Photonie Interfemmete Optical Fiber Sensors.Proc.of SPIE.2006.2006: Fiber Ontic cope [Opical Review,2011.18 31.284-286 [LLOYD S.Fan S.DICONNET MJ F.Improving Fibe TBERGBZ.OAGAsigdmae generate M ein Rotating Mini ie-Bandgap Fiber [C]/Proe.SPIE 8421.OFS2012 22n ciety of America B-Optical Physics.2007.24(1): Intemational Conferenceon Optical Fiber Sensors. 142-151. 1994-2019China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.htp://www.cnki.ne

现代防御技术 2017 年第 45 卷第 5 期 mal Sensitivity of a Fiber-Optic Gyroscope Using an Air￾Core Photonic-Bandgap Fiber［J］． Journal of Lightwave Technology，2007，25( 3) : 861 －865． ［5］ BLIN S，DIGONNET M J F，KINO G S． Fiber-Optic Gy￾roscope Operated with a Frequency-Modulated Laser ［C］∥ Proc． SPIE 7004，19th International Conference on Optical Fibre Sensors，70044X． 2008: 70044X － 70044X －4． ［6］ DANGUI V，DIGONNET M J F，KINO G S． Laser-Driven Photonic-Bandgap Fiber Optic Gyroscope with Negligible Kerr-Induced Drift［J］． Optics Letters，2009，34( 7) : 875 －877． ［7］ DIGONNET M J F，LLOYD S W，FAN S． Coherent Backscattering Noise in a Photonic-Bandgap Fiber Optic Gyroscope［C］∥ Proc． SPIE 7503，20th International Conference on Optical Fibre Sensors，750302． 2009: 750302 －750302 －4． ［8］ DU S S，SUN Z M，Z G，et al． Noise Analysis of Solid￾Core Polarization-Maintaining Photonic Interferometer Fiber Optic Gyroscope［J］． Optical Ｒeview，2011，18 ( 3) : 284 －286． ［9］ LLOYD S，Fan S，DIGONNET M J F． Improving Fiber optic Gyroscope Performance Using a Laser and Photon￾ic-Bandgap Fiber［C］∥Proc． SPIE 8421，OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors， 84210B． 2012: 84210B －84210B －4． ［10］ MA P，SONG N，JIN J，et al． Birefringence Sensitivity to Temperature of Polarization Maintaining Photonic Crystal Fibers［J］． Optics ＆ Laser Technology，2012，44 ( 6) : 1829 －1833． ［11］ SONG N F，MA P，JIN J，et al． Ｒeduced Phase Error of a Fiber Optic Gyroscope Using a Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber［J］． Optical Fiber Technology， 2012，18( 4) : 186 －189． ［12］ KIM H K，DANGUI V，DIGONNET M，et al． Fiber-Optic Gyroscope Using an Air-Core Photonic-Bandgap Fiber ［C］∥Proc． SPIE 5855，17th International Conference on Optical Fibre Sensors，198． 2005: 198 －201． ［13］ KIM H K，DIGONNET M J F，KINO G S． Air-Core Pho￾tonic-Bandgap Fiber-Optic Gyroscope［J］． Journal of Lightwave Technology，2006，24( 8) : 3169 －3174． ［14］ TAWNEY J，HAKIMI F，WILLIG Ｒ L． Photonic Crystal Fiber IFOGs［J］． OFS 19th International Conference on Optical Fiber Sensors． Proc． of SPIE，2006，2006: p． ME8． ［15］ STEINBEＲG B Z，BOAG A． Splitting of Microcavity De￾generate Modes in Ｒotating Photonic Crystals -the Mini￾ature Optical Gyroscopes［J］． Journal of the Optical So￾ciety of America B-Optical Physics，2007，24( 1) : 142 －151． ·6· 