- 新型光学陀螺仪能检测每小时低至 37 度的旋转。
- 装置使用氮化硅，与标准 CMOS 制造工艺相容。
- 陀螺仪的灵敏度来自环形结构的光保持能力。
- 研究人员计划在实验室外进行进一步测试。
加州大学圣塔芭芭拉分校与加州理工学院的研究人员开发出一种芯片级光学陀螺仪，能够检测每小时低至 37 度的旋转，这个速度几乎比早期的氮化硅设计慢 2,000 倍。这项成果使传感器更接近地球的自转速率，即每小时 15 度。最终，它可能有助于开发在无法接收 GPS 信号的环境中运作的航空器、车辆和航天器的紧凑导航系统。与依赖机械运动的传统陀螺仪不同，这种新装置利用光在环形光路中传播来检测旋转。
研究人员指出，此方法可在更小、更耐用的封装中提供高精度的感应。
陀螺仪的技术细节
这款实验性陀螺仪使用氮化硅，这种材料与标准的 CMOS 芯片制造工艺相容。其传感电路直径约为 24 毫米，而封装后的装置宽度仅为几厘米。研究人员结合了两种先前开发的技术：来自加州理工学院的布里渊激光陀螺仪及加州大学圣塔芭芭拉分校在美国空军研究实验室的支持下开发的低噪声芯片激光平台。在装置内部，两个半导体激光器向环形电路的相反方向发送光。在光与材料中的振动之间的相互作用产生两个稳定的激光信号。
当装置旋转时，这些信号的频率会相对轻微变化。测量这一差异使得陀螺仪能够确定旋转速率。
灵敏度的关键因素
环形结构的光保持能力对其灵敏度至关重要。其品质因子，即光学谐振腔储存光的效率，超过 163 百万，这使得该装置能够从约 200 太赫兹的光信号中隔离出一个窄的 2 兆赫带宽。光子在谐振腔内保持近 100 纳秒，允许光线重复循环。更大的环形结构也提高了灵敏度，因为光学陀螺仪在光线包围更大面积时能检测到更小的旋转。研究团队负责人丹尼尔·J·布卢门塔尔表示：“我们的新陀螺仪结合了几种先进技术，在可使用标准 CMOS 芯片加工方法的格式中实现了高灵敏度，并且仅需毫瓦的光功率。”
为了评估该装置，研究人员将封装好的芯片安装在一个压电旋转平台上，该平台以可控频率前后移动。另一个光学干涉仪测量该平台的实际运动，提供了参考以便与陀螺仪的读数进行比较。该传感器产生线性响应，并检测每小时低至 37 度的旋转。这与研究人员早期的氮化硅布里渊陀螺仪测得的每小时 72,000 度相比，显示出改进的成果，证明低噪声激光器和高品质光学谐振腔能提高光子芯片上的旋转灵敏度。
不过，这一新装置尚未实现对地球自转的直接测量，且仍然是一个实验室原型，而非完全集成的导航传感器。研究人员正致力于减少不必要的光散射，这可能影响测量的稳定性。他们还计划在将激光器、光探测器及其他元件集成到一个紧凑系统之前，先在实验室外进行测试。相关研究结果已发表在《光学快报》上。
新型陀螺仪的应用潜力
这款微型光学陀螺仪的开发标志着导航技术的一个重要进步，特别是在无法依赖 GPS 的环境中。其高灵敏度及小型化设计使其适用于航空器、车辆及航天器等多种应用。随着技术的进一步成熟，这种陀螺仪有潜力在自动驾驶、无人机及其他高精度导航系统中发挥关键作用。研究团队的努力不仅在于提升性能，还包括解决光散射等挑战，以确保最终产品的稳定性和可靠性。