可克服微型慣性單元中主要誤差源的硅基光學陀螺儀

據麥姆斯咨詢報道，由美國加州理工學院設計的一款面積僅為2平方毫米的硅基光學陀螺儀，得益于采用的一種噪聲自消除技術，克服了這類微型慣性單元中的主要誤差源。

微型陀螺儀以及加速度計是慣性導航的基礎元件，這些技術正在不斷發(fā)展。機械轉子和激光光學陀螺儀已經在很多應用中被光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀取代，但光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀難以達到前者的精度指標。由于尺寸和光程長度引起的信噪比（SNR）降低以及熱波動、元件漂移和制造失配導致的二階和三階誤差，使光纖陀螺儀微型化的努力不斷受挫。

工程人員知道，通過使用前期或持續(xù)校準等技術，可以減少系統(tǒng)中的固有誤差。他們通過使用更好的元件和材料，以及設計一種能夠自我抵消誤差的架構來最小化誤差的來源。后者或許是可行的最佳技術，采用這種思路，由Rothenberg創(chuàng)新計劃資助的一支加州理工學院的研究團隊，設計、制造并測試了一種硅基微型光學陀螺儀的新方案，該方案成本和負面效應很低，并能夠提供精確的性能指標。

這款由加州理工學院設計的光學納米陀螺儀的尺寸僅為2mm x 1mm，但由于采用了一種能夠消除主要誤差源的技術，因此具有出色的性能

他們的解決方案利用了其稱為無源光網絡的“互易性（reciprocity）”來大幅減少熱波動和失配，從而與以前的方案相比帶來更好的結果。他們的演示器件盡管本身比目前最先進的微型光纖陀螺儀小500倍，但卻能夠檢測比后者小30倍的相移，使這種光學陀螺性能的整體提升達到了一到兩個數量級。

該研究成果“具有互易靈敏度增強的納米光子陀螺儀”發(fā)表于Nature雜志，他們在論文中詳細介紹了這種方案，有點類似于使用差分信號來消除共模電信號。與所有光學陀螺儀一樣，他們的器件采用了相對論薩格納克效應（Sagnac Effect），通過測量由分束器從單一光源創(chuàng)建的兩個反向旋轉光波（一個作為參考路徑，另一個作為信號路徑）之間的相對相移，來確定角速度。根據薩格納克效應，兩個反向旋轉光波在同一個環(huán)路內沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產生干涉，當在環(huán)路平面內有旋轉角速度時，屏幕上的干涉條紋將會發(fā)生移動，薩格納克效應中條紋移動數與干涉儀的角速度和環(huán)路所圍面積之積成正比。

這種光學陀螺儀的總體性能通常與路徑長度密切相關，更長的路徑提供更高的精度，而對兩個路徑之間動態(tài)差異的靈敏度略低。通過在硅襯底中集成光波導來使路徑微型化，而不是通過光纖長度或真空路徑，意味著對任何與路徑相關的變化提高了靈敏度。

光學陀螺儀和薩格納克效應：硅基納米光子波導在1550nm處支持一種單模波導（a）；環(huán)的旋轉引起兩個反向旋轉波之間的相位差（b）；在互易靈敏度增強技術中，輸入信號在紅色路徑（順時針傳播）和藍色路徑（逆時針傳播）之間切換

為了解決這個問題，加州理工學院的團隊使用了一種器件設計，它可以不斷地以高于任何波動的速率交替光學路徑（如上圖所示）。穿過硅光波導的信號的“極性”被反轉，而不需要的熱波動和失配等共模分量則被抵消。在這種情況下，“互易性”意味著陀螺儀光波導內的兩個光束都以相同的方式受到誤差的影響。

當然，其整體設計使用了一系列電子器件，包括一對由光電二極管、跨阻放大器（TIA）和可變增益放大器（VGA），以及低通濾波器和解調組成的通道（如下圖所示）。

上圖顯示了：用于路徑切換的輸入Mach－Zehnder干涉儀（a）；一種實施的納米光學陀螺儀示意圖（b）；每個光信號均由光電二極管捕獲，并由TIA和VGA信號鏈放大，然后相加并通過無源混頻器乘以參考頻率，以提取編碼旋轉速率的幅度信息（c）

這款由加州理工學院工程與應用科學系電氣工程與醫(yī)學工程Bren教授Ali Hajimiri領導的研究團隊制造的全集成光學陀螺儀，尺寸僅為2mm x 1mm。該團隊認為，與使用非相干光源或采用低損耗波導（通常需要不同的、更難以制造的光波導芯和包覆材料）等方案相比，它們的互易靈敏度增強方案具有更大的優(yōu)勢和更低的復雜性。此外，它能夠檢測到目前為止在硅基納米光子學中實現的所有微型化方案中最小記錄的相移（僅3納米弧度）。