导航级热稳定增强型空气芯反谐振光纤陀螺仪的突破性研究

《自然·通讯》编辑推荐：为解决传统光纤陀螺仪(FOG)环境适应性差的问题，研究人员开发了基于四管截断双嵌套无节点光纤(tDNANF)的干涉式空气芯光纤陀螺仪(IFOG)。该陀螺仪首次实现导航级性能（角随机游走0.00383 deg h-1/2，偏置不稳定性0.0017 deg h-1），热灵敏度比传统保偏固体芯光纤(PMF)陀螺降低9.24-10.68倍，为高精度惯性导航提供了革新性解决方案。

　　

在惯性导航领域，光纤陀螺仪(FOG)作为核心传感器，其性能直接决定导航精度。然而传统固体芯光纤(SCF)陀螺仪面临三大瓶颈：温度敏感性导致的长期漂移、磁场干扰引起的法拉第效应，以及千米级光纤线圈带来的非线性克尔效应。这些限制使得现有FOG在极端环境下的可靠性备受挑战。2006年提出的空气芯光子晶体光纤(PBG-HCF)方案虽能显著降低环境干扰，但受限于高损耗(>2 dB/km)和模式不纯，其性能始终未能突破导航级(ARW<0.017 deg h^-1/2)。

中国研究人员通过创新设计四管截断双嵌套无节点光纤(tDNANF)，成功解决了这一难题。该光纤采用独特的四重旋转对称结构，通过精确控制外管膜厚(1.08-1.16 μm)和截断设计，同时实现低损耗(0.38 dB/km)、单模纯度(高阶模抑制>70 dB)和宽波段偏振保持(偏振消光比PER≈20 dB)。469米线圈在1525-1565 nm波段展现出优异的热稳定性，其Shupe常数(0.52 ppm°C^-1)比传统PMF低14.4倍。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用多项关键技术：1) 有限元法模拟优化光纤双折射和弯曲特性；2) 差分气压控制光纤拉制工艺制备tDNANF；3) 四重对称四极绕线技术降低热瞬态效应；4) 微透镜直接耦合实现芯片-光纤低损耗连接(<0.2 dB)；5) 空间光谱成像(S²-imaging)验证单模纯度。

研究结果揭示：光纤设计方面，四管tDNANF的本征双折射达10^-6量级，比五管/六管嵌套反谐振光纤(NANF)高一个数量级，且主偏振轴角度偏移<2°（弯曲半径6 cm时）。光学特性测试显示，469米线圈总损耗仅4.23 dB，其中绕制附加损耗3.3 dB/km。陀螺性能测试中，采用40 nm带宽放大自发辐射(ASE)光源时，测得ARW为0.00383 deg h^-1/2，100秒偏置稳定性达0.023 deg h^-1，刷新空气芯FOG性能纪录。

热稳定性实验证实，在-40至60°C范围内，tDNANF陀螺的最大转速漂移仅0.0079 deg h^-1（温变速率1°C/min），比同尺寸PMF陀螺降低9.24倍。静态测试显示，60°C环境下偏置不稳定性仍保持0.0035 deg h^-1，验证了涂层材料的温度适应性。

该研究首次实现导航级空气芯IFOG，其性能指标超越此前最优的NANF谐振式陀螺(RFOG)29.4倍。通过四重对称结构设计和精准膜厚控制，解决了宽带光源与偏振保持的矛盾，为航天、深地勘探等极端环境下的惯性导航提供了新范式。未来通过优化光纤涂层力学性能，有望进一步降低热致漂移，推动空气芯FOG走向实际应用。