一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺的制作方法

本发明涉及光纤陀螺，尤其涉及一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺。

背景技术：

1、干涉型光纤陀螺取得了巨大的商业和军事成就，广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航系统。光纤陀螺向快温变、大磁场、强辐照等极端环境应用拓展时，其环境适应性进一步提高成为首要解决的技术问题。在现有光纤陀螺技术框架下，光纤环圈所用传统实芯保偏光纤的环境敏感属性成为进一步提升光纤陀螺环境适应性的材料限制。

2、空芯微结构光纤通过包层微结构使光波被高效地束缚在空气纤芯中传输，将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有望根本性地解决光纤陀螺环境适应性进一步提升的技术难题。空芯微结构光纤应用于光纤陀螺仍需精密对称绕制成环，形成空芯微结构光纤环圈作为陀螺中直接敏感sagnac相移的传感元件。光纤成环过程通常包括绕制、施胶和固化环节。相比传统全固态光纤，成环过程中在光纤上产生的扭转应力、横向应力、弯曲应力、胶体收缩力等附加力场更易损伤空芯微结构光纤，对其内部微结构造成破坏，进而影响导光特性。

3、目前，绕制光纤环圈的光纤主要有两类：一类是以光子带隙效应为导光机制的空芯光子晶体光纤，具有周期格点结构特征，包层结构复杂，弯曲性能好，但其具有损耗大、背向散射高、多模传输等缺点（光纤导光机理限制），难以支撑干涉型光纤陀螺实现高精度；另一类是以反谐振反射效应为导光机制的空芯反谐振光纤，具有均匀玻璃壁厚结构特征，包层结构极简，其具有高品质导光特点，例如损耗低、背向散射低和单模性好等，但其机械强度差（光纤大空气占比限制），受力下微结构易变形，进而导致导光特性劣化甚至失效，难以支撑光纤绕制成环圈实现干涉型陀螺效应。面对光纤陀螺应用需求，空芯光子晶体光纤受导光机理限制在导光特性上无法形成根本性突破，空芯反谐振光纤的力学强度无法承受绕制成环圈所造成的应力施加。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，且空芯微结构光纤通过采用包层微结构单元实现低损耗保偏导光，且在包层微结构单元和包层结构体之间引入蜂巢状支撑单元，以增强形成导光机制的包层微结构单元力学强度，使空芯微结构光纤在强力场作用下仍可实现高品质光传输，并且在蜂巢状支撑单元中形成损耗导光通道，通过调整损耗导光通道的光传输模式折射率，可以使之与预期的泄露模式折射率匹配，可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，进一步提升空芯微结构光纤的保偏能力和模式纯度，从而提升陀螺的稳定性。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其包括光源、环形器、y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与y波导的输入端连接，y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤通过光纤准直密封接头准直耦合，光电探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与y波导调制端口连接，所述光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，所述空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个所述包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，相邻包层微结构单元之间留有间隙且多个所述包层微结构单元在包层结构体中部形成导光空气纤芯，每个所述蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，用以使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，每个所述蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成，且多个支撑微结构单元中间形成损耗导光通道。

4、进一步，蜂巢状支撑单元端部延伸至两包层微结构单元之间的间隙中部。

5、进一步，包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元由石英玻璃一体拉制而成的。

6、优选的，包层微结构单元为两圆管或多圆管嵌套微结构单元。

7、优选的，包层微结构单元数量为六个。

8、进一步，相邻包层微结构单元之间的间隙满足式（1）的要求

9、（1），

10、其中：为相邻包层微结构单元之间的间隙；为空芯微结构光纤导光空气纤芯半径；为空芯微结构光纤包层结构体内径；为包层微结构单元数量。

11、优化的，光源为宽带光源。

12、发明的有益效果：

13、1.陀螺的光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，空芯微结构光纤在包层微结构单元和包层结构体之间引入蜂巢状支撑单元，使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，可以增强形成反谐振反射导光机制的包层微结构单元力学强度，在强力场作用下空芯微结构光纤整体发生变形时，仍可实现高品质光传输，从而保证光纤环圈及陀螺的高稳定性；

14、2.蜂巢状支撑单元中设有基于光子带隙效应的损耗导光通道，通过调整该损耗导光通道的光传输模式折射率，使之与预期泄露模式折射率匹配，激发谐振耦合现象可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，从而进一步提升空芯微结构光纤的保偏能力和模式纯度，在空芯微结构光纤机械强度和导光特性上均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求。

技术特征：

1.一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，包括光源、环形器、y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与y波导的输入端连接，y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤通过光纤准直密封接头准直耦合，光电探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与y波导调制端口连接，所述光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，所述空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个所述包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，相邻包层微结构单元之间留有间隙且多个所述包层微结构单元在包层结构体中部形成导光空气纤芯，每个所述蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，用以使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，每个所述蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成，且多个支撑微结构单元中间形成损耗导光通道。

2.根据权利要求1所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，蜂巢状支撑单元端部延伸至两包层微结构单元之间的间隙中部。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，所述包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元由石英玻璃一体拉制而成的。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，每个所述包层微结构单元为两圆管或多圆管嵌套微结构单元。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，包层微结构单元数量为六个。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，相邻包层微结构单元之间的间隙满足下式要求；

7.根据权利要求1所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，所述光源为宽带光源。

技术总结
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，包括光源、环形器、Y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，每个蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，每个蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成。本发明提供的光纤机械强度和导光特性均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求，保证了光纤环圈及陀螺的高稳定性。

技术研发人员：李茂春,赵小明,惠菲
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13