- 新型光學陀螺儀能檢測每小時低至 37 度的旋轉。
- 裝置使用氮化矽，與標準 CMOS 製造工藝相容。
- 陀螺儀的靈敏度來自環形結構的光保持能力。
- 研究人員計劃在實驗室外進行進一步測試。
加州大學聖塔巴巴拉分校與加州理工學院的研究人員開發出一種晶片級光學陀螺儀，能夠檢測每小時低至 37 度的旋轉，這個速度幾乎比早期的氮化矽設計慢 2,000 倍。這項成果使傳感器更接近地球的自轉速率，即每小時 15 度。最終，它可能有助於開發在無法接收 GPS 信號的環境中運作的航空器、車輛和航天器的緊湊導航系統。與依賴機械運動的傳統陀螺儀不同，這種新裝置利用光在環形光路中傳播來檢測旋轉。
研究人員指出，此方法可在更小、更耐用的包裝中提供高精度的感應。
陀螺儀的技術細節
這款實驗性陀螺儀使用氮化矽，這種材料與標準的 CMOS 晶片製造工藝相容。其感測電路直徑約為 24 毫米，而包裝後的裝置寬度僅為幾公分。研究人員結合了兩種先前開發的技術：來自加州理工學院的布里淵鐳射陀螺儀及加州大學聖塔巴巴拉分校在美國空軍研究實驗室的支持下開發的低噪聲晶片鐳射平台。在裝置內部，兩個半導體鐳射器向環形電路的相反方向發送光。在光與材料中的振動之間的互動產生兩個穩定的鐳射信號。
當裝置旋轉時，這些信號的頻率會相對輕微變化。測量這一差異使得陀螺儀能夠確定旋轉速率。
靈敏度的關鍵因素
環形結構的光保持能力對其靈敏度至關重要。其品質因子，即光學共振腔儲存光的效率，超過 163 百萬，這使得該裝置能夠從約 200 太赫茲的光信號中隔離出一個窄的 2 兆赫帶寬。光子在共振腔內保持近 100 納秒，允許光線重複循環。更大的環形結構也提高了靈敏度，因為光學陀螺儀在光線包圍更大面積時能檢測到更小的旋轉。研究團隊負責人丹尼爾·J·布盧門塔爾表示：「我們的新陀螺儀結合了幾種先進技術，在可使用標準 CMOS 晶片加工方法的格式中實現了高靈敏度，並且僅需毫瓦的光功率。」
為了評估該裝置，研究人員將包裝好的晶片安裝在一個壓電旋轉平台上，該平台以可控頻率前後移動。另一個光學干涉儀測量該平台的實際運動，提供了參考以便與陀螺儀的讀數進行比較。該傳感器產生線性響應，並檢測每小時低至 37 度的旋轉。這與研究人員早期的氮化矽布里淵陀螺儀測得的每小時 72,000 度相比，顯示出改進的成果，證明低噪聲鐳射器和高品質光學共振腔能提高光子晶片上的旋轉靈敏度。
不過，這一新裝置尚未實現對地球自轉的直接測量，且仍然是一個實驗室原型，而非完全整合的導航傳感器。研究人員正致力於減少不必要的光散射，這可能影響測量的穩定性。他們還計劃在將鐳射器、光檢測器及其他元件整合到一個緊湊系統之前，先在實驗室外進行測試。相關研究結果已發表在《光學快報》上。
新型陀螺儀的應用潛力
這款微型光學陀螺儀的開發標誌著導航技術的一個重要進步，特別是在無法依賴 GPS 的環境中。其高靈敏度及小型化設計使其適用於航空器、車輛及航天器等多種應用。隨著技術的進一步成熟，這種陀螺儀有潛力在自動駕駛、無人機及其他高精度導航系統中發揮關鍵作用。研究團隊的努力不僅在於提升性能，還包括解決光散射等挑戰，以確保最終產品的穩定性和可靠性。