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单偏振空芯微结构光纤及在高精度小型化谐振式光纤陀螺的应用研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

娄淑琴

项目受资助机构

北京交通大学

项目编号

61775014

立项年度

2017

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

62.00万元

学科

信息科学-光学和光电子学-传输与交换光子器件

学科代码

F-F05-F0503

基金类别

面上项目

关键词

谐振式光纤陀螺 ; 空心光纤 ; 单偏振光纤 ; 微结构光纤 ; 拉制技术 ; Single polarization ; Hollow-core fiber ; Microstructured fiber ; Fabrication process ; Resonance fiber gyro

参与者

王鑫；申艳；赵彤彤；严世博；王明庆；田晨光；唐子娟；周雨欣；陈康龙

参与机构

北京交通大学

项目标书摘要：谐振式光纤陀螺是高精度小型化光纤陀螺的发展方向，对推进高端惯性导航技术发展意义重大。本项目将单偏振与空芯特性相结合，进行单偏振空芯微结构光纤及在谐振式光纤陀螺的应用研究。以突破散射、非线性及偏振串扰等对陀螺长期稳定性的制约瓶颈为目标，紧抓空芯微结构光纤发展契机，以结构创新及制备技术攻关为突破口，创新性提出侧向光层析成像在线实时监控方法，建立集设计、制备及实时特性监控分析为一体的闭环反馈控制模型，提高结构创新和制备工艺改进时效性，解决横纵向均匀性保持难题；研制出1550nm波段消光比大于30dB、弯曲半径小于2厘米、损耗低于5dB/km的单偏振空芯微结构光纤；研究绕环工艺、微弱噪声产生及抑制机理，研制出清晰度高达100的谐振腔。在空芯微结构光纤研制及在光纤陀螺应用方面实现弯道超车。研究成果，对突破封锁，提升我国光纤陀螺研究水平，占领空芯微结构光纤及应用学术前沿，具有非常重要的意义和科学价值。

Application Abstract: As the most promising high precision miniaturized fiber optic gyroscope,resonant fiber optic gyroscope(R-FOG)plays a significant role in the development of high level inertial navigation technology.Using the properties of single polarization and hollow core,this project focus on investigating the fabrication process of single-polarization hollow core microstructure fiber(HC-MSF)and its application in R-FOG.Our goal is to break throuth the bottleneck of various effects from scattering,nonlinearity and polarization coupling,which has a negative influence on the long-term stability of R-FOG.Based on the structure innovation and fabrication technology breakthrough,an online real-time monitoring system based on lateral optical tomography will be established to solve the structural maintenance problem during the fabrication process.A feedback theoretical model system in the closed loop,including the analyze model,fabrication model and online real-time monitoring model,will be established to investigate the structural innovation and improve the efficiency of fabrication technology.A single-polarization hollow core microstructure fiber which has an extinction ratio higher than 30 dB at the wavelength of 1550 nm with a low loss less than 5 dB/km and a crucial bend radius less than 2cm will be realized successfully.Based on the fabricated fiber,the winding technology of optical resonator and the generation and suppression mechanism of the weak noise will be studied in detail to make the resolution of resonant ring up to 100.We will try our best to catch up with the advanced level of the fabrication process of HC-MSF and the application of FOG.The research results have scientific significances and application values in developing high precision fiber optic gyroscope and break through the block in China.

项目受资助省

北京市

项目结题报告(全文)

本项目以高精度小型化谐振式光纤陀螺发展为牵引，以结构创新和制备技术攻关为抓手，进行新型单偏振空芯光纤及其敏感环应用攻关。以空芯光纤分析、制备及单偏振单模实现机制等理论研究为支撑，在系列新型空芯光纤结构设计及制备方法等方面取得了突破，部分研究成果达到国际先进水平，按期圆满完成课题任务。项目研究了不同导光机制下空芯光纤单偏振单模特性实现机制，提出差异壁厚单偏振单模空芯光纤新结构，在1550nm波长处偏振消光比高达17662,单偏振单模带宽达8nm;为突破单一导光机制的空芯光纤难以兼顾单模、高双折射、低弯曲损耗特性的瓶颈，提出基于光子带隙和反谐振效应的混合导光型空芯光纤新结构，在200 nm带宽内，双折射高达10^-3量级，高阶模消光比高于100;利用空芯光纤中多孔为材料修饰提供的天然通道，提出了应用镀硅层包层管实现单偏振单模空芯光纤的结构设计方案，并结合已报道多种空芯光纤结构，证明了方案的有效性；利用金属的表面等离子体共振效应，提出基于金属修饰的新型单偏振单模空芯光纤。在制备理论与技术研究方面，项目针对多路气压协同控制的问题，建立融多气压参数影响的空芯光纤制备理论模型，以指导制备参数的优化；经过多年攻关，成功地研制出空芯保偏光纤，在波长1500 nm,光纤损耗为9.2 dB/km,双折射可达1.67E-3量级，弯曲半径小于2 mm;首次研制出一种偏芯结构的单模低弯曲损耗空芯光纤，制备的光纤性能指标达到国际先进水平。此外，基于研制光纤开展了敏感环绕制实验，完成耐辐照及环境稳定性测试实验，实验结果有力地证明了空芯光纤环的优异性能。总结凝练项目研究成果，出版学术专著一部，发表SCI论文42篇，顶级国际会议发表论文3篇，应邀在国际会议做特邀报告4次，获授权国家发明专利3项，培养毕业博士生5人，硕士生9人。研究成果对推进空芯光纤及谐振式光纤陀螺应用发展具有重要的意义和实用价值。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.新型空芯反谐振光纤的设计及其应用研究

    • 关键词：
    • 空芯反谐振光纤;大模场面积;单模传输;单偏振传输;高双折射;太赫兹
    • 严世博
    • 指导老师：北京交通大学 娄淑琴
    • 学位论文

    空芯反谐振光纤,以其空芯导光所带来的低延迟、高容量、低色散、低非线性、高损伤阈值、低散射噪声和其结构特点所带来的易制备、纤芯尺寸大、模场能量与材料交叠低等独特优势,为光纤通信、光纤传感、高功率激光传输及太赫兹波传输等系统瓶颈问题的突破,提供一个新的解决途径。因此,空芯反谐振光纤已成为特种光纤领域备受关注的研究方向。本学位论文在国家自然科学基金项目“单偏振空芯微结构光纤及在高精度小型化谐振式光纤陀螺的应用研究”和北京交通大学研究生创新基金项目的共同资助下,面向近红外、中红外以及太赫兹波段应用所急需的高性能空芯光纤的发展需求,开展应用于近红外、中红外以及太赫兹波段的多种高性能空芯反谐振光纤的理论与实验研究工作。论文取得的主要创新性成果如下:1.推导出空芯反谐振光纤非谐振区域模式有效折射率的近似解析表达式。从光波导基础理论Helmholtz方程出发,以无限壁厚中空管作为替代模型,推导得出能够用于计算空芯反谐振光纤非谐振区域内不同模式有效折射率的近似解析表达式,丰富了空芯反谐振光纤理论,为新型空芯反谐振光纤的研究与发展奠定了坚实的理论基础。2.提出一种双层管包层结构的中红外单模空芯反谐振光纤。以全圆管包层结构降低制备难度,在2.5μm到3.3μm的超宽波长范围内,损耗低于4×10-3 d B/m,高阶模消光比高于1000,实现优异的低损耗单模传输特性。最高高阶模消光比在2.8μm波长处高达16600,在此波长处有效模场面积高达2314μm~2。与单层圆管结构相比,其高阶模消光比水平提升了2至3个数量级。研究成果为高功率中红外激光传输提供了优质传输媒介。3.利用折射率调制和几何尺寸控制相结合,提出一种单模单偏振中红外空芯反谐振光纤。引入两种尺寸包层管从而同时抑制LP11模式与LP21模式,保证光纤单模性能,并引入高折射率包层管获取折射率分布的不对称性,实现对y偏振态基模的抑制,实现单偏振传输。在3.0μm波长处,x偏振态基模损耗为0.048d B/m,偏振消光比与高阶模消光比分别高达5085和495。此外,通过结构尺寸调整,该结构光纤可以在2.0μm至4.0μm波长范围内进行拓展,实现在该波长范围内任何期望波长处的单偏振单模传输。4.提出一种差异壁厚单偏振单模空芯反谐振光纤。以双层包层结构设计保证单模传输,引入差异壁厚打破结构对称性,利用加厚包层管壁上的模式与特定偏振态基模的耦合来实现对某一偏振态的抑制。在1550 nm波长处,实现偏振消光比和高阶模消光比分别高达17662及393的极佳单偏振单模传输特性。其偏振消光比水平,为目前同类相关研究中的最高水平。5.提出一种在双层交替管单模空芯反谐振光纤中引入高折射率材料镀层实现单偏振传输的方案。引入镀硅包层管来打破双层交替管单模空芯反谐振光纤结构对称性,使y偏振态基模与镀硅管模式发生耦合,最终实现单偏振单模传输。在1550 nm波长处,偏振消光比与高阶模消光比分别高达4803和308,x偏振态基模损耗为0.11 d B/m,总单偏振单模带宽高达45 nm。并在不同结构的空芯反谐振光纤中利用这一方案实现单偏振传输,相比于差异壁厚包层管设计,单偏振传输带宽由数nm提升至数十nm。6.提出一种不对称包层结构的高双折射太赫兹空芯反谐振光纤及一种开槽壁包层结构的太赫兹空芯反谐振光纤。以不同尺寸包层管构建类椭圆不对称芯区,从而实现高几何双折射,在1.0-1.24 THz频率范围实现高于7×10-4的双折射,最高双折射8.7×10-4位于1.04 THz频率处。另外,以壁上开槽的设计在厚壁太赫兹空芯反谐振光纤中实现近似薄壁的传输特性,以调解3D打印技术最小壁厚限制与太赫兹空芯反谐振光纤中损耗和带宽性能对薄壁厚需求之间的矛盾,并详细研究开槽壁对传输特性的影响。3D打印所制备的开槽壁太赫兹空芯反谐振光纤在太赫兹时域光谱系统中的实验检测结果,证实了该设计的有效性。

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