最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究介绍了一种专为高精度导航设计的新型干涉空气芯光纤陀螺仪（IFOG）。该装置采用四管截断双嵌套反谐振无节点光纤（tDNANF）制成的四极绕组线圈，具有更高的热稳定性和测量精度。

这种方法推动了用于航空航天、国防、地球物理研究和自动驾驶汽车的光纤陀螺仪技术的发展。

不断发展的光纤陀螺仪设计

光纤陀螺仪（FOG）是一种高灵敏度旋转传感器，它依赖于萨格纳克效应（Sagnac effect），即光纤线圈中两束反向传播的光束会累积与旋转速率成正比的相移。在 FOG 类型中，闭环干涉陀螺仪因其灵敏度高、结构紧凑而备受推崇。

然而，大多数 FOG 使用的传统实芯硅纤维容易受到温度变化、机械应力、磁干扰和辐射等环境因素的影响，从而在苛刻条件下产生偏差误差并降低可靠性。

增强性能的光纤设计

作者设计、制造并鉴定了用于高性能 IFOG 的四管 tDNANF。为了克服传统硅芯光纤的局限性，他们研究了空芯光纤设计，特别是反谐振空芯光纤 (ARF)，这种光纤具有低损耗、高双折射和更高的模态纯度。

tDNANF 经过专门设计，其双折射比以前的设计高出近一个数量级，从而能够在宽光谱范围内更好地保持极化。它的包层结构采用嵌套玻璃管，提高了光的封闭性，抑制了高阶模式。该光纤采用热拉伸技术制造，可精确控制几何形状和光学特性。

有限元法（FEM）模拟用于分析极化模式的有效指数、矢量场分布和约束损耗。469 米长的 tDNANF 线圈以四极配置缠绕，以最大限度地降低热灵敏度，并集成到一个 IFOG 系统中，该系统具有光纤到芯片的直接耦合、一个放大自发辐射（ASE）源、一个多功能集成光学芯片（MIOC）和一个光电探测器。

此外，还使用回切法和空间分辨成像法评估了性能，以测量传播和宏弯损耗。这种综合方法证明了基于 tDNANF 的 IFOG 在要求苛刻的导航应用中具有出色的偏置稳定性、低损耗和强大的热性能。

性能指标和主要结论

研究结果表明，基于 tDNANF 的 IFOG 性能卓越，是首个导航级空芯光纤陀螺仪。它的角度随机漫步 (ARW) 为 0.00383°h-1/2，偏差不稳定性 (BI) 漂移为 0.0017°h-1，表明其稳定性和灵敏度较现有 FOG 技术有了显著提高。

tDNANF 还显著降低了热灵敏度，比传统的保持偏振的固芯光纤低 9.24 至 10.68 倍，在不同温度范围内都能观察到热相位误差的降低。这种光纤在 1525-1565 nm 波长范围内的偏振消光比 (PER) 约为 20 dB，有效地保持了线性偏振并确保了相位一致性。

值得注意的是，研究表明，与早期的气芯陀螺仪相比，偏差漂移减少了 29.4 倍。实验验证证实了陀螺仪的导航级分辨率，优于之前的气芯 FOG 开发成果。通过降低偏振噪声和消除凯尔效应，陀螺仪的性能得到了进一步提高。使用带宽为 40 nm 的 ASE 源可确保稳定的极化，并将波纹引起的误差降至最低。

在高精度导航系统中的应用

研究结果凸显了基于 tDNANF 的 IFOG 在高精度惯性导航系统中的应用潜力。它们的性能特点，特别是更高的热弹性和更低的环境敏感性，使其适用于航空航天、国防、自动驾驶汽车和地质监测。

在航空航天应用中，该系统可支持在极端条件下运行的卫星和飞机的精确导航。在汽车领域，它可以提高自动驾驶汽车导航系统的可靠性。这种光纤的热稳定性和低损耗特性还使其适用于地震传感和地球自转测量等科学应用。

未来的研究重点将放在改进光纤几何形状、降低传播损耗和扩大工作带宽上。其他改进措施，如先进的调制技术和专用涂层，可能会进一步提高极端条件下的性能。这项工作既有助于光纤开发领域，也有助于各行业导航技术的持续发展。

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  MIOC-1550-18-SB系列 光纤陀螺仪 光学芯片

  型号：MIOC-1550-18-SB

  厂家：Optilab

  概述：Optilab MIOC-1550-18-BC 是用于光纤陀螺仪（FOG）的光学芯片，该集成光学芯片（IOC）设备由偏振器、Y型耦合器和双电光相位调制器组成，基于铌酸锂（LiNbO3），采用退火质子交换（APE）光波导制造。广泛应用于旋转速率传感和惯性导航系统。

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