李茂春，趙小明，馬 駿，梁 鵠

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

相比傳統(tǒng)光纖，空芯微結(jié)構(gòu)光纖采用獨(dú)特的包層周期微孔結(jié)構(gòu)，使光信號(hào)在空氣中傳播，開啟了光纖傳輸介質(zhì)技術(shù)變革?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖領(lǐng)域存在兩次重大技術(shù)突破，在21 世紀(jì)初的十年中，基于光子帶隙效應(yīng)的第一代空芯光纖在實(shí)驗(yàn)和理論上均取得快速進(jìn)步[1]，近一兩年來，空芯反諧振光纖設(shè)計(jì)和制備技術(shù)得到迅猛發(fā)展，采用精簡的微結(jié)構(gòu)包層在傳輸損耗、單模性、損傷閾值方面展現(xiàn)出優(yōu)秀的光學(xué)特性?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖突破了傳統(tǒng)光纖框架下由傳輸介質(zhì)決定的難以解決的本征物理問題，展現(xiàn)出諸多性能優(yōu)勢，例如環(huán)境敏感性低、噪聲低等，徹底解放了光纖技術(shù)應(yīng)用中的材料限制，并且由此產(chǎn)生的技術(shù)進(jìn)步必將為光纖陀螺等領(lǐng)域的發(fā)展帶來重要的驅(qū)動(dòng)力。

當(dāng)前，光纖陀螺中光纖環(huán)圈所用傳統(tǒng)保偏光纖的傳光特性極易受環(huán)境變化的影響，在溫度、磁、應(yīng)力等物理作用下將產(chǎn)生非互易性相位誤差，給光纖陀螺帶來不可忽視的漂移，削弱了其在高端應(yīng)用中和惡劣環(huán)境下的競爭力。采用空芯微結(jié)構(gòu)光纖替代傳統(tǒng)光纖作為光纖陀螺核心傳感材料，有望從根本上機(jī)理性改善光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性。

1 空芯微結(jié)構(gòu)光纖

1991 年，英國Bath 大學(xué)的P. Russel 首次提出在光纖中引入二維光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光機(jī)制的思想[1]。Russell 提出的新型光纖稱之為光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber, 簡稱PCF），通常是在單一介質(zhì)材料上將端面周期結(jié)構(gòu)排列的空氣孔沿軸向貫穿整根光纖，其構(gòu)成呈現(xiàn)二維光子晶體結(jié)構(gòu)，具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)異光學(xué)特性[2]。

空芯光子晶體光纖如圖1 所示，包層的折射率大于纖芯的折射率，基于復(fù)雜致密的微孔結(jié)構(gòu)包層產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)光，將光束縛在纖芯的空氣孔中傳輸。其復(fù)雜包層微孔構(gòu)型精密拉制要求致使傳輸損耗無法突破表面散射極限，導(dǎo)光損耗難以接近傳統(tǒng)光纖，不利于光纖長距離應(yīng)用場合。

圖1 空芯光子晶體光纖端面Fig.1 Cross-section view of the hollow-core PCF

針對(duì)空芯光子晶體光纖傳輸損耗進(jìn)一步量數(shù)級(jí)式降低問題，基于反諧振反射原理導(dǎo)光（Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide, 簡稱ARROW）機(jī)理的空芯反諧振光纖(Hollow-Core Anti-Resonant Fiber, 簡稱HC-ARF)孕育而生，空芯反諧振光纖包層微結(jié)構(gòu)極為精簡，僅采用少量微結(jié)構(gòu)單元以增強(qiáng)掠入射光在包層薄壁的反射效率，進(jìn)而使傳輸光完全約束在空氣纖芯中。近期空芯反諧振光纖設(shè)計(jì)與拉制技術(shù)得到迅猛發(fā)展[3-8]，不僅在綜合傳輸性能上打破了空芯光子晶體光纖維持20 年的記錄，并且為探索光纖傳輸損耗極限這一科學(xué)問題指出了新方向。由圖2 可見，最近五年以來，空芯反諧振光纖傳輸損耗降低了625 倍，2020年實(shí)現(xiàn)了光纖長1.7 km 損耗0.28 dB/km 的世界記錄，已非常接近傳統(tǒng)光纖傳輸特性[8]。

圖2 空芯反諧振光纖傳輸損耗降低過程Fig.2 Lossreduction in HC-ARF

以空芯反諧振光纖為首的空芯微結(jié)構(gòu)光纖技術(shù)所展現(xiàn)出的優(yōu)異特性是光纖陀螺技術(shù)跨代發(fā)展可依賴的新技術(shù)元素。

2 空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺精度提升分析

空芯微結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)用于光纖陀螺，其工作原理與傳統(tǒng)干涉型光纖陀螺沒有本質(zhì)差異，仍基于Sagnac效應(yīng)，采用空芯微結(jié)構(gòu)光纖替代傳統(tǒng)光纖實(shí)現(xiàn)光傳輸介質(zhì)的更新?lián)Q代?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器，再經(jīng)Y 波導(dǎo)起偏與分束后，分別沿相反方向在空芯微結(jié)構(gòu)光纖環(huán)中傳輸，兩束相向傳輸?shù)墓庠赮 波導(dǎo)處匯合并發(fā)生干涉，兩束光之間的相位差正比于旋轉(zhuǎn)角速度，通過電子線路檢測干涉信號(hào)的光強(qiáng)獲得該相位差并解調(diào)出旋轉(zhuǎn)角速度。

圖3 空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺構(gòu)成Fig.3 Schematic of the hollow-core microstructure FOG

空芯微結(jié)構(gòu)光纖是提高陀螺在復(fù)雜環(huán)境條件下精度水平的技術(shù)途徑，分析空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺環(huán)境誤差機(jī)理，定量研究空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)Shupe 效應(yīng)、Faraday 效應(yīng)、Kerr 效應(yīng)和偏振等致誤差漂移提升水平，對(duì)空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺技術(shù)研究提供理論指導(dǎo)，具有重要的意義。

2.1 Shupe 誤差提升程度

在光纖Sagnac 干涉儀中，與時(shí)間有關(guān)的環(huán)境溫度變化引起的非互易性會(huì)給光纖陀螺帶來大的漂移并限制其應(yīng)用。若外界溫度是時(shí)變的，光纖環(huán)中任何一點(diǎn)的折射率會(huì)隨溫度變化而變化，在光纖環(huán)內(nèi)相向傳輸?shù)膬墒饨?jīng)過同一點(diǎn)的時(shí)間不同（光纖環(huán)中點(diǎn)除外），因此兩束光經(jīng)過光纖環(huán)后由溫度變化引起的相位變化不同，產(chǎn)生非互易性相位誤差，稱之為Shupe 效應(yīng)。

光纖陀螺熱致誤差速率三維表達(dá)式如式(1)所示

式中n為光纖的有效折射率； ?n/?T是折射率的溫度變化系數(shù)；光纖環(huán)各點(diǎn)的溫度變化率?ΔT/?t均表示為以柱面坐標(biāo)參數(shù)r、θ、z和時(shí)間坐標(biāo)參數(shù)t的函數(shù)；si0為第i逆時(shí)針（CCW）匝的起點(diǎn)到光纖環(huán)光纖中點(diǎn)的距離；sj0為第j順時(shí)針（CW）匝的起點(diǎn)到光纖環(huán)光纖中點(diǎn)的距離。

大括號(hào)內(nèi)兩項(xiàng)由光纖環(huán)繞制方式、排纖精度以及光纖所對(duì)應(yīng)的溫度變化情況決定，大括號(hào)外系數(shù)LD，（其中，L為光纖長度，D為環(huán)圈直徑）由光纖環(huán)物理尺寸決定，系數(shù)n?n/?T與光纖折射率性能相關(guān)。

在系數(shù)n?n/?T方面，空芯微結(jié)構(gòu)光纖以空氣作為光傳輸介質(zhì)，折射率特性大為改變。通常，傳統(tǒng)光纖纖芯成分以二氧化硅為主，其折射率為1.45，折射率溫度系數(shù)為1.3×10-5/°C?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖纖芯折射率為1，其折射率溫度系數(shù)為8×10-7/°C?？梢娍招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖n?n/?T系數(shù)約為傳統(tǒng)光纖的1/23，理論極限可使光纖陀螺Shupe 誤差降低至原有的1/23，溫度適應(yīng)性大幅提高。

2.2 Faraday 誤差提升程度

Faraday 效應(yīng)是一種磁光效應(yīng)，是在介質(zhì)內(nèi)光波與磁場的一種相互作用，它造成光波偏振平面的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與磁場朝著光波傳播方向的分量呈線性正比關(guān)系，該關(guān)系可由式(2)表示。

式中，θ為偏振面旋轉(zhuǎn)角；V為Verdet 常數(shù)；H為磁場強(qiáng)度在光傳播方向的分量；L為光在介質(zhì)中通過的路程。

若光纖軸向存在磁場時(shí)，通過光纖的線偏振光會(huì)產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)，在光纖陀螺中將產(chǎn)生誤差。通常，光纖陀螺采用軟磁材料對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行磁屏蔽，減弱磁場對(duì)光纖的作用。

空芯微結(jié)構(gòu)光纖將空氣作為光傳輸介質(zhì)，有利于光纖磁靈敏度提升。對(duì)于空芯光子晶體光纖而言，其纖芯附近的薄壁節(jié)點(diǎn)極易耦合少量基模光，進(jìn)而形成表面模傳輸方式?？招痉粗C振光纖則憑借無節(jié)點(diǎn)纖芯構(gòu)型有效抑制了表面模的形成。假設(shè)空芯微結(jié)構(gòu)光纖中少量基模光η耦合在纖芯處的二氧化硅中傳輸，則空芯微結(jié)構(gòu)光纖的Verdet 常數(shù)可表示為：

其中Vsilica和Vair分別為二氧化硅和空氣的Verdet常數(shù)。

二氧化硅的Verdet 常數(shù)為1.66×10-4rad/A，空氣的Verdet 常數(shù)要比它低1600 倍，相對(duì)傳統(tǒng)光纖，空芯微結(jié)構(gòu)光纖的Verdet 常數(shù)至少能夠降低2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際中纖芯半徑、空氣填充比和工作波長等參數(shù)決定了空芯光子晶體光纖η值通常處于0.015 至0.002之間，則空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺Faraday 誤差至少是傳統(tǒng)光纖陀螺的1/100-1/500。

2.3 Kerr 誤差提升程度

光是一種電磁波，對(duì)光纖折射率影響起主導(dǎo)作用的是電場部分，則光纖的折射率n可表示為：

式中，n1為折射率線性部分；n2為非線性折射率系數(shù)；E為電場。對(duì)于傳統(tǒng)光纖，纖芯以二氧化硅為主，其非線性Kerr 系數(shù)n2≈2.5 × 1 0-16cm2/W 。

在空芯微結(jié)構(gòu)光纖中，同樣考慮少量基模光η耦合在二氧化硅中傳輸，則空芯微結(jié)構(gòu)光纖等效非線性Kerr 系數(shù)可表述為：

其中n2,air≈2.9 × 1 0-19cm2/W 為空氣的非線性Kerr 系數(shù)，由于η? 1，相對(duì)傳統(tǒng)光纖，空芯微結(jié)構(gòu)光纖非線性Kerr 系數(shù)降低3 個(gè)數(shù)量級(jí)。若η值為0.015至0.002 之間，則空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺中非線性Kerr誤差約是傳統(tǒng)光纖陀螺的1/100-1/500。

2.4 偏振誤差提升程度

光纖陀螺光路的偏振誤差抑制是光纖陀螺研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常采用保偏光纖繞制光纖環(huán)，使光波在光纖中的傳播能夠保持輸入光波的線偏振態(tài)，避免信號(hào)衰落，降低偏振誤差。即便采用保偏光纖，光路中仍不可避免偏振交叉耦合點(diǎn)的存在，主波的部分能量耦合至正交偏振態(tài)，產(chǎn)生交叉耦合光波。兩個(gè)正交偏振態(tài)的折射率不同，交叉耦合光波之間的干涉相位差與主波之間的干涉相位差有所差異，即干涉光強(qiáng)的變化不同步，因而檢測時(shí)將產(chǎn)生誤差，可稱之為強(qiáng)度型誤差。此外，交叉耦合光波返回到主波偏振態(tài)時(shí)可能和主波發(fā)生干涉，其與主波的相位差和主波之間的干涉相位差不同，也產(chǎn)生誤差，稱之為振幅型誤差。

在光纖陀螺中，偏振相位噪聲φε上限為：

式中，ε為起偏器的振幅抑制比；P為光源的偏振度，和θp分別表示為光源偏振角度和起偏器的起偏角度；h為單位長度上的耦合強(qiáng)度；Ld為去相干長度。

空芯微結(jié)構(gòu)光纖通過正交軸向構(gòu)型差異化設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)高雙折射值，h參數(shù)相比傳統(tǒng)保偏光纖可高出1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺偏振相位噪聲水平至少提升3 倍以上。

2.5 Rayleigh 誤差提升程度

光通過不均勻介質(zhì)時(shí)，部分光會(huì)偏離原來的傳播方向的現(xiàn)象稱為光的散射。當(dāng)尺寸比波長小的微粒子造成散射時(shí)，其散射光的強(qiáng)度與入射光波長的四次方成反比，散射光波長與入射光相同，這種散射稱之為Rayleigh 散射。散射光與入射光傳播方向相反的Rayleigh 散射稱之為背向Rayleigh 散射，并且它與入射光之間存在π/2 的相位差。

在光纖陀螺中，前向散射光與入射光同相，仍保持互易性，不會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，但背向散射在光纖中隨機(jī)分布，含有復(fù)雜的相位信息，可能會(huì)產(chǎn)生寄生干涉，造成非互易相位誤差。

在Rayleigh 散射方面，空芯微結(jié)構(gòu)光纖中仍考慮少量基模光η耦合在二氧化硅中傳輸，空芯微結(jié)構(gòu)光纖散射系數(shù)可設(shè)定為：

式中αsilica為石英的散射系數(shù)，一般情況αsilica≈3.2 × 1 0-8/m 。

可見，空芯微結(jié)構(gòu)光纖散射系數(shù)要小于傳統(tǒng)光纖，其散射系數(shù)大小也取決于耦合系數(shù)η?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖η值取0.015 至0.002 之間時(shí)，相比傳統(tǒng)光纖陀螺，空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺背向散射誤差至少降低67-500倍。

2.6 輻照誤差提升程度

在輻照條件下，高能粒子作用于傳統(tǒng)光纖時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即在光纖中產(chǎn)生色心現(xiàn)象，使其透光性變差，這個(gè)過程稱之為色心沉積效應(yīng)。色心沉積效應(yīng)改變了光纖纖芯材料特性，導(dǎo)致光纖的損耗增大。輻照致光纖損耗A與輻照總劑量d、輻照劑量率r的關(guān)系可表示如下：

其中q、b和f為常數(shù)項(xiàng)。

光纖陀螺中的所有器件，光纖環(huán)使用的光纖長度最長，受輻照影響最為明顯，決定了陀螺整機(jī)損耗水平。陀螺整機(jī)損耗增大，致使探測器接收到的光信號(hào)信噪比降低，劣化了光纖陀螺隨機(jī)游走系數(shù)。輻照對(duì)光纖陀螺隨機(jī)游走系數(shù)的影響可由式(8)表示。

其中，λ為波長；c為真空中的光速；L為光纖環(huán)長度；D為光纖環(huán)直徑；e為電子電量；kd為探測器光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；Δv為頻域光源譜寬；Id為探測器暗電流；R為探測器跨阻抗；k為常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；，P0為光源光功率，Ac為除光纖環(huán)外所有光路器件的總損耗。

空芯微結(jié)構(gòu)光纖利用光子帶隙效應(yīng)或是反諧振反射原理形成空氣纖芯導(dǎo)光機(jī)制，輻照條件下不存在傳統(tǒng)光纖的色心現(xiàn)象，因此，相比傳統(tǒng)光纖陀螺，空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺在空間應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

綜上，以傳統(tǒng)保偏光纖陀螺為參照，表1 列舉了空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)陀螺各誤差項(xiàng)抑制提升的定量程度。由表1 可見，相比傳統(tǒng)光纖陀螺，空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)各項(xiàng)陀螺誤差源均能產(chǎn)生可觀的抑制效果，尤其是在光纖陀螺最為關(guān)注的溫度特性方面，理論上最大可提升23 倍，是光纖陀螺理想的傳感材料。

表1 空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺誤差抑制程度Tab.1 Error suppression of the hollow-core microstructure FOG

3 空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺性能提升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)光纖陀螺最為關(guān)注的溫度特性提升問題，本文采用300 m 空芯光子晶體光纖構(gòu)建空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺樣機(jī)，加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4 為所用空芯光子晶體光纖端面顯微放大視圖，纖芯為7 芯結(jié)構(gòu)，涂覆層和包層直徑分別為250 μm 和160 μm，模場直徑為9 μm，傳輸損耗低于25 dB/km。

圖4 空芯光子晶體光纖端面Fig.4 Cross-section view of the hollow-hole PCF

采用四級(jí)對(duì)稱繞法，分別將空芯光子晶體光纖和同等規(guī)格熊貓型保偏光纖繞制成300 m 環(huán)圈并裝配成干涉型光纖陀螺，樣機(jī)中光源采用40 nm 譜寬的ASE光源[9,10]。在同等規(guī)格條件下定量對(duì)比，空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光纖陀螺溫度性能提升程度。

經(jīng)測試，空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺和傳統(tǒng)陀螺全溫特性對(duì)比如圖5 所示，變溫范圍為-40 °C 至60 °C，變溫速率為1 °C/min，未經(jīng)溫度補(bǔ)償，空芯陀螺全溫零偏穩(wěn)定性為0.063 °/h (100 s, 1 σ)，傳統(tǒng)陀螺全溫零偏穩(wěn)定性為0.158 °/h (100 s, 1 σ)。由對(duì)比可見，本實(shí)驗(yàn)中空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺溫度特性相比傳統(tǒng)光纖陀螺提升2.5 倍。

圖5 陀螺全溫零偏穩(wěn)定性對(duì)比Fig.5 The comparison of the FOG full temperature bias stability

實(shí)驗(yàn)得到的空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺溫度特性提升情況與理論提升最大潛力存在一定差距，其主要原因有兩點(diǎn)，一是所用空芯光子晶體光纖傳輸損耗較大，除基模傳輸外存在表面模傳輸問題，致使一部分光仍在二氧化硅中傳輸；二是空芯光子晶體光纖繞制過程引入的繞制張緊力和膠體固化收縮應(yīng)力對(duì)構(gòu)成光子帶隙效應(yīng)的邊界條件產(chǎn)生負(fù)面影響，劣化了纖芯單模傳輸占比。為充分體現(xiàn)空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光纖陀螺帶來的技術(shù)優(yōu)勢，后續(xù)工作重點(diǎn)是提升空芯微結(jié)構(gòu)光纖單模傳輸純度和優(yōu)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖環(huán)圈繞制工藝參數(shù)。

4 結(jié) 論

針對(duì)高精度光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性提升需求，本文定量分析了空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光纖陀螺特性提升的程度，理論表明：空芯微結(jié)構(gòu)光纖可使光纖陀螺Shupe、Faraday、Kerr、偏振、和Rayleigh 誤差分別降低至原有的1/23、1/100 至1/500、1/100 至1/500、1/3 和1/67至1/500；并采用空芯光子晶體光纖構(gòu)建了空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺樣機(jī)，在同等規(guī)格條件下開展了與傳統(tǒng)光纖陀螺溫度特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：空芯微結(jié)構(gòu)光纖陀螺溫度特性提升了2.5 倍。綜上，理論和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)空芯微結(jié)構(gòu)光纖是光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性根本性提升有效的技術(shù)途徑。