基于多芯光纖復用技術的光纖陀螺方案

楊晟旻，徐宏杰，孫勝琳，梁佳輝

（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

光纖陀螺是一種基于薩格納克（Sagnac）效應的角速率傳感器[1-5]，已成功應用于航空、航天、船舶、鉆井等軍用及民用領域。但光纖陀螺的發(fā)展也遇到了瓶頸。因為光纖陀螺的精度與光纖環(huán)長度成正比，0.0001 °/h 的光纖陀螺光纖環(huán)長度一般要10 km，如果繼續(xù)增加光纖環(huán)長度會增加光纖環(huán)繞制的難度，光纖環(huán)的溫度性能也會劣化，且不適應光纖陀螺高精度小型化的使用需求。雖然近年來采用強度噪聲對消可抑制一部分陀螺噪聲，但光纖陀螺精度只能提高30%～50%[6-10]，且無法有效減小光纖陀螺體積。

近年來，多芯光纖技術已經成熟[2]，并開始在光通信系統(tǒng)中應用[11-17]，大大提高了通信容量。本文提出一種設想，采用多芯光纖繞制光纖環(huán)，并通過特殊的耦合方式，使光在多芯光纖中往返傳輸，從而增加光纖環(huán)的有效長度，提高光纖陀螺的精度。本文以六芯光纖為例，分析了光在六芯光纖中的傳播特性[18-21]，并對耦合方式和偏振態(tài)控制[22-28]進行分析，理論推導得出對于0.001 °/h 光纖陀螺，使用六芯光纖的光纖陀螺的測量精度可以提高至原來的6 倍。而在實際制造過程中，雖然由于光纖環(huán)存在熔接點，會帶來一定程度的損耗和偏振串擾導致精度有所下降，但是仍能在不改變光纖環(huán)尺寸的前提下大大提高測量精度，對高精度光纖陀螺的小型化具有重要意義。

2 多芯復用光纖陀螺原理

干涉式光纖陀螺基于sagnac 效應對系統(tǒng)的角速度進行檢測。光纖陀螺的測試精度表達式如式(1)所示。

其中Ω為物體的角速度，λ為光源中心波長，c為光速，L為光線傳輸長度，D為光纖直徑。由于中心波長λ由光源確定，所以光纖陀螺的測試精度由光纖傳輸長度L決定，L越大，Ω越小。因此光線在光纖環(huán)中的等效傳輸長度越長，光纖陀螺的測試精度越高。

從式(1)中可以看出，在波長一定的情況下，光纖陀螺的靈敏度與L和D之積成正比，目前光纖陀螺的相位檢測精度已達10-8rad，進一步提高的潛力不大。采用多芯光纖繞制光纖環(huán)，光在每個纖芯中都傳輸一個周期，相當于有效光程增加了數倍，從而大大減小0.001°/h 光纖陀螺的光纖環(huán)尺寸。

基于此理論，使用多芯光纖制成光纖環(huán)，使得輸入光纖環(huán)的兩束光線分別按照順時針和逆時針的順序在多芯光纖的纖芯中一次傳輸，最終將除了中心纖芯以外的每個芯都傳輸一周。使用多芯光纖環(huán)的光纖陀螺的光路結構如圖1 所示。

圖1 多芯光纖陀螺光路結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical path structure of multicore fiber-optic gyroscope

由圖1 可知此光路方案與傳統(tǒng)方案相比，其光源、探測器和Y 波導基本相同，但在Y 波導輸出端增加了耦合器。且光纖環(huán)首尾相接，并連接在耦合器上，以此實現光線的復用和往返傳輸。

3 六芯光纖的光傳輸情況分析

通過使用六芯光纖改進光纖陀螺的光纖環(huán)部分，六芯光纖是在一個共同包層中存在六根纖芯的光纖，纖芯之間的間隔距離足夠大，保證纖芯之間不產生光耦合現象，每個纖芯都可以獨立傳輸光信號，此結構可以提升光纖單位面積的集成密度，其結構如圖2 所示。

圖2 六芯光纖結構示意圖Fig.2 Six-core fiber structure diagram

由圖2 可知，其中六個纖芯以端面圓心為中心進行中心對稱均勻分布，所以外部的六個纖芯兩兩之間與中心連線的夾角為60°。在光線傳輸過程中，六個纖芯作為一個循環(huán)進行傳輸。

由于六芯光纖集成密度高且可以用于光信號傳輸，所以擬使用六芯光纖作為光纖環(huán)的原材料。通過繞制光纖環(huán)的過程中首段和尾端扭轉60°，使得第一次在1 號纖芯中傳輸的光纖在光纖環(huán)中傳輸一周后進入2 號纖芯，之后完成傳輸后再分別進入3 號、4 號、5 號和6 號纖芯中傳輸，最終在六個纖芯中依次完成傳輸后輸出并發(fā)生干涉?？梢娫谕纫?guī)格的光纖環(huán)中，使用六芯光纖可以使得光線在光纖環(huán)中的傳輸距離L提高到6L。由式(1)可知，使用六芯光纖可以使光纖陀螺的理論測量精度提高為原來的6 倍。

依據六芯光纖的結構特性，設計閉合的六芯光纖環(huán)。令六芯光纖尾端相比于首端順時針扭轉60 °，首端和尾端熔接在一起，保證纖芯分別對準，制成的光纖環(huán)結構示意圖如圖3 所示。

由圖3 可知，尾端相較于首端旋轉了60 °實現了纖芯對軸，熔接成閉合光纖環(huán)。即首端1 位置與尾端6 ′位置對應熔接，其他纖芯的對應關系以此類推。

圖3 六芯光纖環(huán)首尾相接處剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the cross-section of the end-to-end connection of the six-core fiber coil

目前，多芯光纖的熔接技術已經成熟，采用端面對軸技術可使對軸精度達到1°以內。如果在設計和制造六芯光纖的過程中增加一個標識點，可以分辨纖芯序號，由此可以實現閉合六芯光纖環(huán)的準確熔接和制造。

令耦合進入光纖環(huán)的兩束光線為E1和E2，它們相向傳輸，然后按照順時針和逆時針的順序在纖芯中依次傳輸。所以兩束光分別從光纖環(huán)的首端和尾端入射，令它們分別從1 和1′位置入射。它們傳輸的拓撲圖如圖4 所示。

圖4 光纖環(huán)中光線傳輸拓撲圖Fig.4 Optical transmission topology in fiber optic coil

由圖4 可知，從首端1 號纖芯入射的光線E1傳輸一周后到達尾端1′位置，然后進入2 號纖芯傳輸。最終經過一個循環(huán)，回到首端1 號纖芯；同理，從尾端6′入射的光線E2傳輸一周后到達首端6 位置，然后進入尾端5′位置依次傳輸。最終在經過一個循環(huán)后，兩束光相遇發(fā)生干涉。由兩束光的傳輸規(guī)律可知，將纖芯序號統(tǒng)一為首端序號，光線E1按照1-2-3-4-5-6的順序傳輸；光線E2按照6-5-4-3-2-1 的順序傳輸，可見兩束光在6 根纖芯中傳輸一周的過程中不發(fā)生干涉，僅在傳輸一周后發(fā)生干涉，所以干涉信號與雜散光信號可以被明顯地區(qū)分開。

4 光束耦合方案設計

由六芯光纖環(huán)結構可知，六芯光纖使用1-6 號纖芯進行光線傳輸，且光纖環(huán)首尾相接，光被限制在光纖環(huán)中，需要在運行6 周后輸出。為保證光線的輸入輸出，將Y 波導的光輸入光纖環(huán)，在光纖環(huán)中繞行6周之后再返回至Y 波導。此時需要對光線進行耦合，而傳統(tǒng)的耦合器無法實現這種方式。

由于本方案光纖環(huán)閉合，所以只能采用熔燒拉錐耦合器，采用倏逝場進行耦合。倏逝波是光線在纖芯發(fā)生全反射時進入包層的部分光波。當把光纖拉錐至數微米時，錐腰與波長達到同一數量級，則倏逝波場中大部分能量進入包層中。如果將兩根光纖進行拉錐。則可以利用倏逝波將一根光纖中的信號耦合至另一根光纖中。

這種耦合器需要對光纖進行拉錐形成錐區(qū)，但是如果采用傳統(tǒng)的拉錐工藝，會導致如圖5 所示的六芯光纖纖芯的光場相互滲透，使得光線無法正常傳輸。

圖5 傳統(tǒng)拉錐工藝光場滲透示意圖Fig.5 Schematic diagram of light field penetration in traditional taper drawing process

由圖5 中紅色虛線可知，當把六芯光纖和單模光纖拉錐至滿足倏逝波耦合條件時，不但單模光纖的纖芯可以將光線耦合進六芯光纖的纖芯中，而且六芯光纖的6 個纖芯之間的光場也會相互影響，使得光線無法在光纖環(huán)中正常傳輸。

為了保證光線傳輸且不破壞六芯光纖內部光場結構，設計了輕拉錐工藝，使得光纖在拉錐過程中變形量不會太大。以此保證在光線耦合時，六芯光纖的其余6 個纖芯不受影響。

輕拉錐工藝是將單模光纖和六芯光纖包層對應的位置進行研磨，這樣可以使得拉錐后的光場匹配，同時發(fā)生耦合。通過調整拉錐工藝，使光完全耦合，即光由耦合器完全耦合進入六芯光纖纖芯，在所有纖芯中傳輸一周后，光線再次完全耦合輸出，從而使得在整個耦合過程中沒有光路損耗。按此思想設計的耦合器結構如圖6 所示。

由圖6 可知，圖中耦合器普通光纖和六芯光纖的包層都被研磨減薄，使得纖芯足夠靠近六芯光纖的1號纖芯。然后對兩者進行熔燒拉錐，從而可以使得入射光線從普通光纖纖芯完全耦合進六芯光纖的1 號纖芯，實現耦合器的功能。

圖6 光纖耦合器結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of fiber optic coupler structure

通過工藝分析可知，若對兩光纖直接拉錐，則六芯光纖的所有纖芯都會存在光功率溢出；而對兩光纖直接研磨則需要將光纖的研磨精度控制在1 μm 以內，難以實現。所以需要首先對兩根光纖進行研磨，然后用拉錐控制耦合比，實現用于六芯光纖陀螺的耦合器制造。

對于拉錐型耦合器，只能采用側面對軸技術。在研磨之前需要軸向定位，可以采用Ericsson PM995 保偏熔接機的POL 技術，可在光纖側面找到對應的纖芯，角度的精度優(yōu)于1°，由此可獲取單模光纖和六芯光纖包層的準確對應位置進行研磨。

5 偏振擾動解決方案

光纖陀螺的偏振擾動是重要的噪聲源，所以主要采用保偏光纖控制光線的偏振態(tài)。由于現有工藝無法將六芯光纖做成保偏光纖，為了解決存在的偏振串擾問題，可采用消偏技術，在Y 波導的兩根輸出尾纖以45°各熔接一段保偏光纖，即形成了里奧(Lyot)消偏器。

采用Lyot 消偏器可保證兩個幅值相等的偏振光在光纖環(huán)中傳輸，避免了由偏振引起的光強起伏，可以達到與全保偏光纖陀螺方案相同的精度。Lyot 消偏器在六芯光纖陀螺中的結構如圖7 所示。

圖7 六芯光纖陀螺中Lyot 消偏器結構示意圖Fig.7 Structure diagram of Lyot depolarizer in six-core fiber optic gyroscope

由圖7 可知，Lyot 消偏器被置于Y 波導之后，入射光線經過Y 波導分束后進入Lyot 消偏器(以1、2、3 保偏光纖組成的三段式Lyot 消偏器為例)消偏后將無偏光輸入單模光纖，最終耦合進入六芯光纖環(huán)。

Lyot 消偏器保偏光纖間的長度關系遵循1:2:4…2N 的規(guī)律，它是利用保偏光纖兩主軸存在的折射率差異引起的正交偏振光傳輸時間不同的原理，通過控制多段光纖的長度(傳播長度)，使其大于入射光線的相干長度實現消偏。所以，Lyot 消偏器可以通過控制保偏光纖的長度實現入射光線的偏振態(tài)控制，是偏振擾動的一種可行的解決方案。

6 結論

本文在光纖陀螺的結構和測量原理的基礎上，對六芯光纖繞環(huán)的光纖檢測精度進行了研究，并對消偏器選擇和耦合器設計進行了分析，最終得到一種基于多芯光纖環(huán)的光纖陀螺結構。通過推導可知，對于0.001 °/h 光纖陀螺，采用六芯光纖環(huán)的光纖陀螺的測量精度為使用相同尺寸普通光纖環(huán)的干涉儀6 倍，所以光纖陀螺中使用多芯光纖環(huán)可以實現高精度光纖陀螺的小型化。