徐小斌，王晓阳，高福宇，朱云浩，张祖琛，刘嘉琪，金 靖，宋凝芳

（北京航空航天大学，北京 100191）

光纤作为光信息传输载体已广泛应用于通信和传感等领域。华裔科学家高锟于1966年首次提出利用光导纤维进行光信息的传递[1]。1973年，贝尔实验室研制了低损耗光纤，促进了光纤通信领域发展，使光纤逐渐走进人们的生活[2]。随着光纤应用领域的不断拓展，传统光纤存在的折射率对比度低、结构参数自由度少、制作工艺复杂、光学特性容易受到外界环境影响等不足，已经不能完全满足高带宽通信、极端环境传感等特殊领域的要求。1987年E.Yablonovitch[3]和S.John[4]分别提出了“光子带隙”的概念，即不同介电常数的材料在一维、二维或三维空间组成折射率周期性变化的光子晶体结构，如图1所示，该结构可以限制特定频率段的光通过，称为光子带隙效应。光子带隙是一种全新控制光子的机制，但在自然界中早已存在，许多生物的甲壳、翅膀、羽毛均存在光子晶体结构，如色彩斑斓的蝴蝶翅膀。

图1 光子晶体结构[5]Fig.1 Photonic crystal structure[5]

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fibre,PCF）是光子晶体最成功的应用之一。1996年，世界上第一根实芯光子晶体光纤（Solid Core Photonic Crystal Fibre,SC-PCF）问世[6]，但是这种光纤本质上还是基于全内反射式的导光机理。1999年，第一根真正基于光子带隙效应的光子晶体光纤研制成功[7]，由于这种光纤可以限制光在空气纤芯中传播，因此又被称为空芯光子晶体光纤（Hollow Core Photonic Crystal Fibre,HC-PCF）或光子带隙光纤（Photonic bandgap Fibre,PBF）。光子晶体光纤是光纤光学领域的一个新研究分支，为解决传统光纤无法解决的一些问题提供了新方向，极大地促进了光纤光学进一步发展。

光子晶体光纤相较于传统光纤具有以下优势：（1）光子晶体光纤的光学特性主要由其形状结构参数决定，通过调节包层空气孔的大小、数量及间距就可获得不同的光学特性，从而提高了光纤结构设计灵活性；（2）光在纯石英玻璃或者空气孔中传播，对辐射、温度、磁场等环境因素的敏感性低[8]；（3）空芯光子晶体光纤中光在空气纤芯内传播，具有极低的非线性[9]。

光子晶体光纤陀螺（Photonic Crystal Fibre Optic Gyroscope,PCFOG）是光子晶体光纤最有前景的应用之一。光纤陀螺敏感头为光纤环，由于传统保偏光纤对辐射、温度以及磁场较敏感，导致陀螺性能易受环境影响，严重制约了光纤陀螺的应用。为了保证光纤陀螺在恶劣环境中满足性能要求，需要通过增加辐射、磁场屏蔽层、优化结构及热设计等措施来解决，这些措施虽然能够部分缓解陀螺性能劣化，但是增加了系统的复杂度、体积、重量和功耗等。光子晶体光纤的出现为从根本上解决上述问题提供了全新的途径，由于光子晶体光纤对辐射、温度、磁场等环境因素敏感度低，因此光子晶体光纤陀螺天然具有优良环境适应性。

本文主要介绍陀螺用光子晶体光纤及器件技术，光子晶体光纤陀螺技术及应用研究进展，包含以下五部分：第一部分介绍光子晶体光纤陀螺国内外研究现状；第二部分为陀螺用光子晶体光纤设计与性能测试技术；第三部分为光子晶体光纤器件技术研究进展；第四部分为光子晶体光纤陀螺里程碑式应用；第五部分总结。

1 光子晶体光纤陀螺国内外研究现状

光子晶体光纤陀螺优良的环境适应性优势引起了国内外研究机构的广泛兴趣，国外的研究机构主要有斯坦福大学、帕克大学、Draper 实验室和霍尼韦尔公司等，这些单位代表了国际相关领域的先进水平，国内也有多家机构同步开展研究。

1.1 实芯光子晶体光纤陀螺

实芯光子晶体光纤陀螺（SC-PCFOG）最早由美国Draper 实验室于2006年提出，研究人员采用光纤环直径与长度乘积为2.9 in-km 的实芯光子晶体光纤环搭建陀螺样机，测试精度优于0.02 °/h[10]。

2006年，北京航空航天大学在多个国家计划支持下开展了光子晶体光纤陀螺研究，包括光子晶体光纤的设计与制作、陀螺光路误差测量和系统研制等方面[11,12]，提出了光子晶体光纤与传统熊猫光纤的低损耗高强度熔接方法[13]，测量了光子晶体光纤的双折射温度敏感系数[8,14]、Shupe 系数、Verdet 常数、偏振特性等[15-17]，研制了光子晶体光纤陀螺原理样机，揭示了其偏振误差、温度误差等非互易误差机理[18,19]，建立了光子晶体光纤陀螺光路噪声模型[20]。

图2 高精度实芯光子晶体光纤陀螺工程样机Fig.2 High precision SC-PCFOG engineering prototype

研制的高精度实芯光子晶体光纤陀螺样机（如图2）于2017年4月20日随“天舟一号”货运飞船发射成功，在轨飞行150 天，性能稳定，这是光子晶体光纤陀螺的首次空间应用，验证了光子晶体光纤陀螺空间应用可行性及优势。

国内其他单位也开展了相关研究，并取得了丰硕的成果。2008年浙江大学提出了一种全光子晶体光纤陀螺的设计方案[21]，所有光学器件的尾纤均采用光子晶体光纤，能有效降低光纤陀螺对外界环境扰动的敏感度。2009年，北京交通大学开展了保偏光子晶体光纤及其在光纤陀螺中的应用研究[22]，设计了一种可用于光纤陀螺的近椭圆内包层保偏光子晶体光纤，并提出了一种基于此的陀螺方案。2013年，哈尔滨工程大学对光子晶体光纤陀螺温度效应机理和误差抑制措施展开研究，提出了优化光纤设计和绕环方式来抑制光子晶体光纤陀螺温度误差的方法[23]。2015年，航天时代光电科技有限公司对比测试了光子晶体光纤环和普通保偏光纤环的温度、偏振及辐射特性[24,25]，验证了光子晶体光纤陀螺在环境适应性方面的优势。

1.2 空芯光子晶体光纤陀螺

2006年，斯坦福大学H.K.Kim 等人搭建了世界上第一个光子带隙光纤陀螺（PBFOG）样机[26]。光纤环由丹麦NKT 公司的HC-1550-02 型光子带隙光纤绕制，直径为82 mm，光纤长度为235 m。陀螺的长期漂移～2 °/h，最小可探测角速率～2.7 °/h。该研究小组还对样机的背向散射噪声[27]，Kerr 误差、Faraday 误差和Shupe 误差等进行了测试[27,28]。结果表明，与相同尺寸下的传统光纤陀螺相比，光子带隙光纤陀螺中Kerr 效应引入的漂移为传统光纤陀螺的1/170，Shupe 误差为其1/6，Faraday 误差为其1/20，验证了光子带隙光纤陀螺环境适应性优势[29]。

2015年，北京航空航天大学搭建了光子带隙光纤陀螺，如图3所示，其光纤环为光子带隙光纤，通过抑制此类陀螺特有的非互易误差，如背向次波相干误差等，样机的零偏稳定性达到～0.4 °/h。

图3 光子带隙光纤陀螺方案Fig.3 Scheme of PBFOG

综上，光子晶体光纤及光子晶体光纤陀螺具有很好的应用前景，国内外相关机构均在开展研究，大力推动此项技术的发展。

2 陀螺用光子晶体光纤设计与性能测试

2.1 实芯光子晶体光纤

从2006年开始，提出了陀螺用的四层周期结构细径实芯保偏光子晶体光纤方案，在较细的光纤直径约束下设计了力学强度和光学特性均满足要求的结构。经过多轮的试验攻关，突破了细径光子晶体光纤制备关键技术，研制了光纤陀螺用细径实芯保偏光子晶体光纤样品，如图4(a)所示。随着陀螺对高精度、超稳定、小型化的需求日益迫切，要求光纤进一步细径化，四层结构光纤难以满足新一代光纤陀螺需求，因此提出了双层孔结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，如图4(b)所示。相对四层孔实芯光子晶体光纤，双层孔光纤空气孔数量减少了68%，结构及制备工艺大幅降低，由于空气孔减少，光纤在拉丝过程中具备更好的稳定性。双层孔实芯光子晶体光纤的损耗谱如图4(c)所示，相比于四层孔结构光子晶体光纤，由于毛细管数量少，引入的水分含量降低，水峰吸收明显降低，传输损耗更小，约1.2 dB/km@1550 nm。

图4 实芯光子晶体光纤截面图及损耗谱Fig.4 Cross-section and loss spectra of SC-PCF

2.2 空芯光子晶体光纤

空芯光子晶体光纤中存在大量空气孔，相较于实芯光子晶体光纤，其拉制过程中需要控制的参数更多，拉制工艺更为复杂。为得到空芯光子晶体光纤关键拉制参数，根据流体力学斯托克斯方程（N-S 方程）建立了多参数融合的光纤拉丝数学模型，实现了对光子晶体光纤制备的仿真模拟，为提高光纤质量和缩短试验周期提供了理论优化方法。经过多轮的结构及工艺优化，空芯光子晶体光纤性能逐渐提高，目前可批量制备长度为公里级的陀螺用空芯光子晶体光纤，如图5所示。

2.3 光子晶体光纤测试

2.3.1 光子晶体光纤散射测试

光子晶体光纤的瑞利散射和材料吸收对总损耗的影响较小，其损耗主要来源于空气-玻璃表面粗糙度引起的散射，因此需要对光纤的散射特性进行测量并分析，为降低光纤损耗奠定基础。如图6所示，散射按照方向可以分为周向散射和背向散射，为此分别搭建了周向散射能量球测量平台和基于M2干涉仪的背向散射测量平台。

图6 光子晶体光纤纤芯散射示意图Fig.6 Diagram of scattering in PCF core

（1）周向散射测试

为了得到周向散射能量分布，提出了一种可以实现光纤全方位角的三维周向散射测量平台。该实验装置的空间分辨率≤1 °，灵敏度≤1 pW，测试角度范围15 º～165 º。根据测量结果可以得到光纤外部的散射能量球，如图7所示。球面上每一点代表了光子晶体光纤在此空间点的散射能量，基于此也可以间接反映出光纤内部结构状态。

图7 光子晶体光纤散射能量球Fig.7 Scattering energy spheres of PCF

（2）背向散射测试

目前可以实现光纤背向散射测量的技术主要有光时域反射技术、光频域反射技术和光学低相干反射技术，光学低相干反射技术为三种技术中测量灵敏度最高的方法，且较为简单，但存在测量距离短的问题。为此研制了一种基于M2干涉仪背向散射测量设备，如图8所示，通过电动延迟线和多路光开关，将长度测量范围拓展了一个数量级，达到米量级，可以很方便的评估一段光纤中背向散射大小。利用该装置测试传统单模光纤（SMF）和光子带隙光纤背向散射结果如图9，光子带隙光纤比传统单模光纤背向散射要大～17 dB。

图8 背向散射测量仪Fig.8 Backscattering reflectometer based on M2 interferometer.

图9 传统单模光纤和光子带隙光纤背向散射测量结果Fig.9 Test results of backscattering in SMF and PBF

2.3.2 光子晶体光纤环境适应性测试

（1）磁敏感性测试

评价光纤磁敏感性的指标是Verdet 常数，对于空芯保偏光子带隙光纤，光在中空纤芯内传播，理论上Verdet 常数极小，传统的测量手段无法适用。提出了一种基于耦合次波干涉的光子晶体光纤Verdet 常数测量装置，通过解调耦合次波的干涉强度实现极小Verdet常数测量。实验结果表明空芯保偏光子晶体光纤比传统光纤Verdet 常数小～124 倍，验证了空芯光子晶体光纤在磁场环境下的性能优势。

（2）温度敏感性测试

光纤中Shupe 系数定义为光纤光程随温度的变化，与陀螺温度性能直接相关。搭建了基于Mach-Zender干涉仪的Shupe 系数测量平台，针对五种光纤分别测试了其对应的Shupe 系数，如表1所示。实验结果表明空芯光子晶体光纤Shupe 系数比传统光纤小～10 倍，实芯光子晶体光纤的Shupe 系数虽与传统光纤相近，但是其双折射在温度下的稳定性要高1 个数量级。

表1 五种光纤Shupe 系数测试结果Tab.1 Test results of Shupe coefficient for five fibers

3 光子晶体光纤器件研制

3.1 光子晶体光纤耦合器

光子晶体光纤耦合器是全光子晶体光纤陀螺核心器件之一，但目前光子晶体光纤耦合器仍没有实用化产品。主流的熔融拉锥方法容易导致光子晶体光纤包层空气孔塌陷，插入损耗急剧增加[30,31]，远远大于基于该方法的传统光纤耦合器损耗。侧面抛磨方法可以最大限度避免包层空气孔塌陷，并保持光纤的均匀性及完整性，插入损耗较小，但是工艺比较复杂，批量生产有难度[32]。经过试验验证，基于膜片耦合的方法比较适合光子晶体光纤耦合器，但是为了抑制反射，制作过程中需将光纤端面研磨成8 °斜面，由于光子晶体光纤中存在多个空气孔，研磨会导致碎屑进入空气孔，如图10(a)所示，严重影响光纤的传输特性。通过优化研磨材料、选择合适的研磨液，以及研磨后的清洗可以解决该问题，如图10(b)所示。基于该方法研制的光子晶体光纤耦合器样品如图11所示，尺寸为Ф3×25 mm，附加损耗～2 dB。

图10 光子晶体光纤端面研磨效果Fig.10 Grinding effect of PCF end-face

图11 光子晶体光纤耦合器样品Fig.11 PCF coupler prototype

3.2 光子晶体光纤敏感环

光纤陀螺敏感环包括光纤环和集成光学调制器（Y波导），其制作中关键技术之一为光纤环和Y 波导尾纤的耦合，传统的耦合方式主要是熔接，然而光子晶体光纤环和Y 波导传统光纤尾纤的熔接点处通常存在损耗大、强度低、可靠性差，并且长度不易控制等问题。光子晶体光纤直接耦合为解决这一问题提供了技术手段，直接耦合是指将光纤环尾纤按照一定的角度直接与Y 波导芯片耦合。针对具有多孔薄壁结构的光子晶体光纤，研制了相应的直接耦合设备（如图12），实现了光子晶体光纤环与Y 波导芯片的高精度耦合，提高了陀螺的实用精度及可靠性。

图12 Y 波导/光纤环直接耦合系统Fig.12 Direct coupling system for Y waveguide and fiber coil

4 光子晶体光纤陀螺研制与应用

4.1 实芯光子晶体光纤陀螺

基于实芯光子晶体光纤与器件、光子晶体光纤陀螺特有误差抑制等技术，研制了轻小型三轴一体光子晶体光纤陀螺工程样机，如图13所示。该陀螺的角随机游走系数～0.013 °/，已成功应用于某型号试验。

图13 轻小型三轴一体光子晶体光纤陀螺Fig.13 Miniature triaxial PCFOG

研制了高精度实芯光子晶体光纤陀螺，如图14所示，2017年4月20日，该陀螺随“天舟一号”货运飞船成功发射，在轨150 天工作稳定，圆满完成了实验任务，这是国际上光子晶体光纤陀螺的首次空间试验。目前已研制出更高精度的实芯光子晶体光纤陀螺，2019年12月成功在“实践二十号”卫星上开展飞行试验，2020年12月用于某卫星主控，这是国际首次此类型陀螺用于卫星主闭环控制，性能优异。

图14 高精度实芯光子晶体光纤陀螺Fig.14 High precision SC-PCFOG

4.2 空芯光子晶体光纤陀螺

采用自研的空芯光子晶体光纤，绕制了空芯光子晶体光纤环，如图15(a)所示，研制了空芯光子晶体光纤陀螺样机，如图15(b)所示，其零偏稳定性达到0.4 º/h，通过各种环境试验验证了空芯光子晶体光纤陀螺的可行性和优势，为下一步提高其性能并推广应用尤其是恶劣空间环境下的应用奠定了基础。

图15 空芯光子晶体光纤陀螺Fig.15 HC-PCFOG

5 结论

针对光纤陀螺应用需求，提出了双层与四层结构细径实芯保偏光子晶体光纤方案，突破了光子晶体光纤制备关键技术，实现了光子晶体光纤的长距离稳定制备，搭建了光子晶体光纤散射测量、温度与磁敏感性测量平台，得到了光子晶体光纤周向散射能量分布以及背向散射分布，光子晶体光纤环境适应性比传统光纤优1～2个数量级。在光子晶体光纤器件方面，研制了低损耗光子晶体光纤耦合器和基于直接耦合的光子晶体光纤敏感环。基于以上研究基础，实现了三轴轻小型实芯光子晶体光纤陀螺工程样机和高精度光子晶体光纤陀螺工程样机，已成功用于多个领域，验证了光子晶体光纤陀螺的可行性和优势，为将来广泛应用奠定了基础。光子晶体光纤陀螺未来具有以下三个发展方向：（1）高精度实芯光子晶体光纤陀螺。目前实芯光子晶体光纤损耗已接近传统光纤，同时具有优异的偏振稳定性、抗辐照等优势，可以满足高精度陀螺的应用需求。（2）超稳定空芯光子晶体光纤陀螺。空芯光子晶体光纤中光在空气纤芯内传播，具有优异的环境适应性优势，可以满足极其恶劣环境下的需求。（3）轻小型谐振式光子晶体光纤陀螺。由于谐振式光子晶体光纤陀螺光纤环长度通常为十几到几十米，同时还具有光子晶体光纤的弯曲半径小、环境适应性好等优势，因此可以满足轻小型、高稳定场合需求。