可克服微型惯性单元中主要误差源的硅基光学陀螺仪

据麦姆斯咨询报道，由美国加州理工学院设计的一款面积仅为2平方毫米的硅基光学陀螺仪，得益于采用的一种噪声自消除技术，克服了这类微型惯性单元中的主要误差源。

微型陀螺仪以及加速度计是惯性导航的基础元件，这些技术正在不断发展。机械转子和激光光学陀螺仪已经在很多应用中被光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪取代，但光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪难以达到前者的精度指标。由于尺寸和光程长度引起的信噪比（SNR）降低以及热波动、元件漂移和制造失配导致的二阶和三阶误差，使光纤陀螺仪微型化的努力不断受挫。

工程人员知道，通过使用前期或持续校准等技术，可以减少系统中的固有误差。他们通过使用更好的元件和材料，以及设计一种能够自我抵消误差的架构来最小化误差的来源。后者或许是可行的最佳技术，采用这种思路，由Rothenberg创新计划资助的一支加州理工学院的研究团队，设计、制造并测试了一种硅基微型光学陀螺仪的新方案，该方案成本和负面效应很低，并能够提供精确的性能指标。

这款由加州理工学院设计的光学纳米陀螺仪的尺寸仅为2mm x 1mm，但由于采用了一种能够消除主要误差源的技术，因此具有出色的性能

他们的解决方案利用了其称为无源光网络的“互易性（reciprocity）”来大幅减少热波动和失配，从而与以前的方案相比带来更好的结果。他们的演示器件尽管本身比目前最先进的微型光纤陀螺仪小500倍，但却能够检测比后者小30倍的相移，使这种光学陀螺性能的整体提升达到了一到两个数量级。

该研究成果“具有互易灵敏度增强的纳米光子陀螺仪”发表于Nature杂志，他们在论文中详细介绍了这种方案，有点类似于使用差分信号来消除共模电信号。与所有光学陀螺仪一样，他们的器件采用了相对论萨格纳克效应（Sagnac Effect），通过测量由分束器从单一光源创建的两个反向旋转光波（一个作为参考路径，另一个作为信号路径）之间的相对相移，来确定角速度。根据萨格纳克效应，两个反向旋转光波在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。

这种光学陀螺仪的总体性能通常与路径长度密切相关，更长的路径提供更高的精度，而对两个路径之间动态差异的灵敏度略低。通过在硅衬底中集成光波导来使路径微型化，而不是通过光纤长度或真空路径，意味着对任何与路径相关的变化提高了灵敏度。

光学陀螺仪和萨格纳克效应：硅基纳米光子波导在1550nm处支持一种单模波导（a）；环的旋转引起两个反向旋转波之间的相位差（b）；在互易灵敏度增强技术中，输入信号在红色路径（顺时针传播）和蓝色路径（逆时针传播）之间切换

为了解决这个问题，加州理工学院的团队使用了一种器件设计，它可以不断地以高于任何波动的速率交替光学路径（如上图所示）。穿过硅光波导的信号的“极性”被反转，而不需要的热波动和失配等共模分量则被抵消。在这种情况下，“互易性”意味着陀螺仪光波导内的两个光束都以相同的方式受到误差的影响。

当然，其整体设计使用了一系列电子器件，包括一对由光电二极管、跨阻放大器（TIA）和可变增益放大器（VGA），以及低通滤波器和解调组成的通道（如下图所示）。

上图显示了：用于路径切换的输入Mach－Zehnder干涉仪（a）；一种实施的纳米光学陀螺仪示意图（b）；每个光信号均由光电二极管捕获，并由TIA和VGA信号链放大，然后相加并通过无源混频器乘以参考频率，以提取编码旋转速率的幅度信息（c）

这款由加州理工学院工程与应用科学系电气工程与医学工程Bren教授Ali Hajimiri领导的研究团队制造的全集成光学陀螺仪，尺寸仅为2mm x 1mm。该团队认为，与使用非相干光源或采用低损耗波导（通常需要不同的、更难以制造的光波导芯和包覆材料）等方案相比，它们的互易灵敏度增强方案具有更大的优势和更低的复杂性。此外，它能够检测到目前为止在硅基纳米光子学中实现的所有微型化方案中最小记录的相移（仅3纳米弧度）。