光纤陀螺用保偏光纤温度敏感性测试与分析

毕聪志，杨纪刚，吴衍记，李丽坤

（北京自动化控制设备研究所，北京 100074）

光纤陀螺用保偏光纤温度敏感性测试与分析

毕聪志，杨纪刚，吴衍记，李丽坤

（北京自动化控制设备研究所，北京 100074）

针对高精度光纤陀螺的温度敏感性问题，重点研究了光纤陀螺用保偏光纤温度性能。利用具有高空间分辨率的脉冲预泵浦光时域分析技术，测量不同温度点光纤的长度变化量，再根据光纤长度随温度的变化量与折射率温度系数的关系，给出光纤的折射率温度系数。试验共测量了8种国内和国外主流保偏光纤的折射率温度系数，测试结果显示：8种光纤折射率温度系数的最大值与最小值之间相差14%；某型国内保偏光纤与某型国外保偏光纤的折射率温度系数最小，量值基本相同。这种不同类型的保偏光纤折射率温度系数的差异与光纤纤芯的掺杂元素及掺杂浓度是直接相关的。该项测试技术可在基础材料层面提升光纤陀螺的温度性能；通过折射率温度系数测试，优选出更加适用于光纤环圈制作的保偏光纤，从而减小光纤陀螺温度Shupe效应误差，对于提高光纤陀螺的温度性能具有重要意义。

脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术；保偏光纤；折射率温度系数； Shupe效应

光纤陀螺作为一种新型的全固态惯性仪表，在惯性技术领域有着独特的优势。与传统陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，具有成本低、寿命长、质量轻、体积小等优点。作为干涉式光纤陀螺的核心部件，光纤环的好坏直接影响陀螺的整体性能并制约着光纤陀螺精度的提高。由于温度Shupe效应，当光纤环中一段光纤存在时变温度扰动时，除非这段光纤位于线圈中部，否则由于两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，就会因温度扰动而经历不同的相移，它与旋转引起的萨格奈克相移无法区分，在光纤陀螺中将产生较大的偏置误差，温度漂移成为光纤陀螺中最为棘手的问题。目前，已对光纤陀螺温度特性进行了大量的研究[1-3]，研究重点基本集中在光纤环的缠绕方法和关于光纤环固化胶与光纤及骨架的匹配等问题上。这些研究取得了很大进展，如采用四极或八极对称绕法提高光纤环对称性，降低其温度敏感性[4-5]；通过选用与光纤参数相匹配的固化胶以及环圈骨架提高光纤环对时变温度的抗干扰能力[6]。但针对光纤陀螺用保偏光纤的筛选工作关注较少，一般只对其损耗、消光比等性能指标进行检测，并没有深入研究保偏光纤中与陀螺性能相关的特性，对于光纤陀螺用保偏光纤尚未形成统一的筛选指标和选用标准。

本文根据温度Shupe效应的产生机理，针对其中的关键因素——折射率温度系数，采用脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术（Pulse Pre-Pump Brillouin Optical Time Domain Analysis，简称PPP-BOTDA），测试了8种光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数。此方法可用于光纤环绕制前的保偏光纤筛选，从根本上降低光纤环的温度敏感性，提高光纤陀螺对于时变温度的抗扰能力，同时，可作为一种保偏光纤的选用参考指标。这对于中低精度光纤陀螺的批量生产和高精度光纤陀螺的性能提升具有重要意义。

1 光纤陀螺温度敏感性分析

1.1 温度Shupe效应

在光纤陀螺的各构成组件中，光纤环圈是决定光纤陀螺温度性能的关键因素，而光纤环圈的温度性能则可通过温度Shupe效应来分析。光波沿长度为L的光纤传播，当在光纤环某个位置有时变温度扰动时，产生的相位误差为：

1.2 折射率温度特性

在固定光波长下，光纤折射率n会受到环境温度T及应变状态ε影响。其关系可以表达为：

查阅资料可知，光纤折射率温度系数的取值范围一般为(1～20)×10-6/℃，其值决定于光纤的掺杂元素及掺杂浓度。

2 光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数测量

2.1 基本原理

光信号在光纤中的传输时延t可表示为：

将式(4)整理得：

式中， L(T)为光程， n(T)为光纤的折射率，两者都是温度的函数； l(T)为光纤长度，由于热膨胀的影响，它也是温度的函数，可以表示为：

式中，α为线胀系数。

由式(5)对温度T求导：

将式(3)和式(6)代入式(7)得：

式(8)等号两端同时除以 l(T)得：

对于大多数熔融石英来说，其热膨胀系数变化很小，一般远小于折射率温度系数，可将式(9)简化为：

因此，通过测量被测光纤光程随温度的变化量即可得到折射率温度系数。

2.2 PPP-BOTDA技术原理

布里渊光时域分析(BOTDA)技术通过对光纤上各点的温度、应变等传感信号定位，实现传感参数沿光纤长度的空间分布情况的测量。如图 1，在被测光纤的两端分别注入泵浦光和探测光，泵浦光通过电致伸缩产生声波，反过来，声波调制介质的折射率；泵浦光感生折射率光栅再通过布拉格衍射散射泵浦光，由于以声速νa移动的光栅的多普勒位移，散射光产生了频率下移，即布里渊频移。当泵浦光频率νP与探测光频率的差等于布里渊频移νB时，该区域就会发生受激布里渊增益效应，两束光之间发生能量转移。其中心频移可以表示为：

同时，采用脉冲预泵浦技术(Pulse pre-Pump)可得到较高的空间分辨率。在导入脉冲光(泵浦光)之前，加载适当的脉冲预泵浦光，预先激发声子；通过调整脉冲光与预泵浦光的功率比，降低多余的输出功率，减小泵浦光脉宽，空间分辨率可达到厘米量级。

图1 BOTDA原理图Fig.1 BOTDA schematic diagram

表1 NBX-6055PM主要参数Tab.1 The main parameters of NBX-6055PM

NBX-6055PM 保偏光纤应力分析仪(见表 1)采用PPP-BOTDA技术，通过测量光纤受激布里渊散射光信号得到布里渊中心频率分布，进而可以得到折射率分布，其关系式为：

式中，n为折射率，νB为中心频移，νa为声速，λ为光波长。

2.3 实验过程及结果分析

将被测光纤的两端与保偏光纤跳线熔接，连接到应力分析仪，再将被测光纤放入温箱中，定值保温。根据光纤陀螺工作环境温度变化范围，对被测光纤从-40℃至80℃每间隔20℃进行保温采样，保温1 h，在每一个温度点测量光纤长度。求得光纤长度随温度变化率，再根据式(10)，即可得到折射率温度系数。应力分析仪测得的中心频率曲线起始位置是泵浦光输入端跳线的位置，由于跳线衔接位置存在耦合空隙，会产生菲涅尔反射，且远大于背向散射信号，如图2。在曲线的末尾会产生一个较高的尖峰，对其放大后的效果如图3所示，该点就是被测光纤末端跳线的位置，其值就是被测光纤长度。本实验所用跳线长度为1 m，且置于温箱外部，对被测光纤的温度性能不会造成影响。

图2 某光纤布里渊中心频率曲线Fig.2 Brillouin frequency shift of a certain optical fiber

图3 光纤终端位置放大曲线Fig.3 Amplified curves of fiber terminal location

本文首先采用快轴对准跳线熔接，对8种不同类型的国内外主流保偏光纤进行测试，包括武汉长盈通光电技术有限公司(长飞)的保偏光纤、46所的保偏光纤、法尔胜光子有限公司的保偏光纤、美国进口的保偏光纤。将测得数据代入式(10)中，且定义 L(-40℃)为光纤长度，得到折射率温度系数为：

其测试结果如表2和图4所示。根据测试结果可知，不同光纤的折射率温度系数是不同的。在被测光纤中，国内长飞A型和美国B型保偏光纤折射率温度系数较小；法尔胜A型保偏光纤的折射率温度系数最高为 9.48×10-6/℃，美国 B型保偏光纤折射率温度系数最低为 8.31×10-6/℃，两者的差值约为美国 B型保偏光纤折射率温度系数的14%。若仅从光纤折射率温度系数方面考虑，美国B型保偏光纤更适合于高精度光纤陀螺光纤环绕制。光纤折射率温度系数的差异主要决定于光纤的掺杂元素及掺杂浓度。从材料角度分析，光纤的折射率温度系数受到两个相反的因素作用，分别是极化率热系数和热膨胀系数。用公式表示：

式中，φ代表极化率热系数；αV代表体膨胀系数，与线膨胀系数有：αV≈ 3α。根据式(14)，折射率温度系数主要决定于与两个量。对于一般光纤，其膨胀系数很小，因而折射率温度系数主要决定于极化率的热系数。极化率的热系数φ与极化强度P有关系式：

而极化强度P的大小为：

式中，Z是单位体积内发生移位电荷的中心个数，q为电子电荷量，d是两极间的位移。石英晶体中掺入不同元素和不同浓度的杂质将直接导致其原子种类与键合类型变化，晶体结构的变化改变了Z和d的值，从而改变了P值，因此掺杂元素和掺杂浓度决定了极化率的热系数，进而决定了光纤的折射率温度系数。实验中的被测光纤分别是来自不同厂家、不同批次的保偏光纤，其数值孔径及制作工艺各不相同，采用了诸如化学气相沉积法、等离子体气相沉积法等，光纤中掺杂元素和掺杂浓度存在较大的差异，因而其折射率温度系数各不相同。

表2 光纤长度变化及折射率温度系数Tab.2 The length changes and temperature coefficients of refractive index of fibers

综合以上分析可知，美国B型保偏光纤由于光纤涂覆层厚度小，折射率随温度的变化线性度较好，更适合用于绕制光纤传感环圈，可以简化光纤陀螺的温度补偿模型，减小标度因数非线性度，但是减小光纤涂覆层厚度也会带来抗干扰能力下降等问题，在选用时还要综合考虑。

表3 光纤快、慢轴折射率温度系数Tab.3 The temperature coefficients of refractive index in fast and slow axes of fibers

本实验还对其中部分光纤采用慢轴对准方式熔接，测得另一轴的折射率温度系数，对比结果如表3。由表3可知，保偏光纤快慢轴折射率温度系数差别不大，最大变化量仅有3%。这一结果表明，在掺杂元素和掺杂浓度相同时，保偏光纤折射率温度系数基本一致。在光纤陀螺设计过程中确定保偏光纤快轴或慢轴作为光信号传输轴时，可以不考虑折射率温度系数的问题。

图4 不同光纤长度随温度变化曲线Fig.4 Fiber length vs. temperature

3 总 结

本文针对目前光纤陀螺的温度性能问题，介绍了一种应用 PPP-BOTDA技术进行光纤陀螺用保偏光纤的折射率温度系数测试的方法。结果表明，不同的掺杂元素和掺杂浓度，保偏光纤折射率温度系数也不相同；通过此方法，可筛选出温度性能更好的保偏光纤用于光纤传感环圈制作，能够有效降低光纤环的温度敏感性。

在被测光纤中，折射率温度系数最小的美国B型保偏光纤，较最大值小14%。如果仅考虑此参数，则美国B型保偏光纤最适用于光纤陀螺。但是，实际应用中还要综合考虑光纤损耗、消光比等参数，寻求各个参数间的最优选择。

保偏光纤的折射率随温度的变化并非是完全线性的，这与光纤涂覆层和纤芯的热膨胀系数不匹配有关。选取线性度较好的光纤对于简化光纤陀螺的温度补偿模型和减小标度因数非线性度具有重要作用。实验数据显示，同一保偏光纤快慢轴之间折射率温度系数差别不大，仅有 3%的变化量。本文的研究结果对于中低精度光纤陀螺批量化生产中的原材料筛选，以及高精度光纤陀螺精度的提高具有很高的参考价值，尤其对精密级光纤陀螺的研究，意义更为显著。后续可模拟保偏光纤实际应用状态，测试不同应力作用下光纤折射率温度系数的差别。

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Temperature sensitivity measurement and analysis of polarization maintaining fiber for FOG

BI Cong-zhi, YANG Ji-gang, WU Yan-ji, LI Li-kun
(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

In view of the problem of temperature sensitivity in high-precision fiber optic gyroscope(FOG), the temperature performance of polarization maintaining fiber for FOG is studied. By using the pulse pre-pump Brillouin optical time domain analysis with high spatial resolution, the length variation of fiber in different temperature can be measured, then the temperature coefficient of refractive index of fiber can be obtained. Eight kinds of polarization maintaining fibers for FOG were measured. There is a difference of 14% between the maximum and minimum temperature coefficients of refractive index, in which the temperature coefficient of refractive index of a foreign polarization maintaining fiber is the smallest. The difference between temperature coefficients of refractive index is directly related to the doping elements and concentration. This technology can be used to improve the temperature performance of FOG by testing the temperature coefficient of refractive index to select more suitable polarization maintaining fiber for optical fiber coil and thereby reduce the Shupe effect error of FOG.

pulse pre-pumping Brillouin optical time domain analysis; polarization maintaining fiber; temperature coefficient of refractive index; Shupe effect

毕聪志（1978—），男，高级工程师，主要从事光纤陀螺技术研究。E-mail：bicongzhi@163.com

1005-6734(2014)05-0677-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.05.023

U666.1

A

2014-05-26 ；

2014-09-29

国防科工局基础研究项目（JCKY2013204B004）