新型高精度芯片激光陀螺仪可以测量地球旋转

陀螺仪几十年​​来一直是导航和测量的不可或缺的工具。

早期的陀螺仪与旋转顶部没有太大差异，但这项技术在多年来的多年来已经提出了这么多，现代陀螺不再类似于孩子的玩具。今天，广泛使用有两种：光学陀螺仪，其极其敏感，但也昂贵，微机电系统（MEMS）陀螺仪，其廉价且易于制造，但对旋转的敏感程度较小。

光学陀螺仪用于诸如飞机导航系统的应用中，而MEMS陀螺仪在智能手机等设备中找到。在过去几十年中，研究人员想知道是否有可能弥合这两种技术之间的差距，并创造一种新型的陀螺仪，这些陀螺仪结合了激光陀螺仪的精度随着MEMS陀螺仪的易制造而结合了激光陀螺仪的精度。现在，卡特克科学家们开发了一种光学陀螺，将各自的最佳特性结合在一个设备中。

在自然光子学中发表的新文件中，卡里拉哈拉（BS 80，81，Phd 85），Caltechs Ted和Ginger Jenkins信息科学和技术和应用物理学教授描述了他的实验室从一块基于硅基材料的制造器件的方式大致相同。新型陀螺仪已经达到了被认为是陀螺仪的基准的东西：测量地球旋转的能力。

“超过20年，研究人员已经推测将光学陀螺仪放在芯片上，非常类似于高度成功的MEMS陀螺仪。但直到最近，令人信服的实验很少，“拉哈拉说。

大约十年前开始改变，因为提高了基于硅芯片的光学谐振器和波导的性能的戏剧性进展。这些发展现在开始偿还。

所有光学陀螺仪，包括由Vahala开发的光学陀螺仪，使用称为SAGNAC效应的东西来测量旋转。沿环状路径周围相反的方向行进的两个光波将具有相同的传播时间。然而，当路径旋转时，旋转路径上达到特定点的时间对于每个波将是不同的。该差异提供了旋转速率的量度，并且可以通过测量两个光波之间的干涉来非常精确地确定。

有两个版本的光学陀螺。在激光陀螺仪中，环形路径由光反弹的一系列离散镜组成。另一方面，光纤光学陀螺仪使用光缆的阀芯，可以是数百甚至数千米的光纤电缆。

在VahaLA的陀螺仪中，途径是圆形二氧化硅盘，并且通过称为刺激布里渊散射的过程，通过磁盘中的高频振动产生激光。

虽然VahaLA的陀螺仪中的较短光路有助于保持装置更小，但它也可能导致较低的灵敏度。为了弥补这一点，光线是“回收”，纸上的玉鸿赖说。“允许光再次又一次地在路径周围循环，产生更强的凸起效应和更大的旋转敏感性。”

“此外，Brillouin激光动作甚至通过补偿盘中的光学损耗进一步放大这种灵敏度，”NoteOng-Gyun Suh说明，谁也是本文的共同作者。

除了这种陀螺仪相对于MEMS陀螺仪的改善灵敏度的潜力之外，这种系统将没有移动部件，并且可以非常有弹性振动和冲击。事实上，随着芯片尺度光学陀螺仪的兴趣的主要原因之一，因为它们的终极物理尺寸可能大于MEMS器件。

Vahala表示，测量地球旋转的能力是芯片尺寸陀螺仪的有趣基准。它也是一个很低的速率，这使得衡量挑战。为了说明它有多低，他想象一辆滑冰的滑冰运动员旋转，但每天一次全面打开一次。

Vahala表示，他的实验室将继续学习这些设备，并且初步的实验证据表明它们可以变得更加敏感。

“我们想提高性能10至100倍，”他说。“此时，这些设备将超过大多数MEMS陀螺仪的性能。在理论上，这是可能的，因为传统的光学陀螺仪提供比MEMS设备更好的顺序。“

本文描述了由芯片鳞片环激光陀螺测量的研究，标题为地球旋转，在2月17日自然光子学问题中出现。共同作者包括Boqiang Shen的研究生（Ms'18）和王明王;博士后学者齐 - 范阳（MS '16，PHD'19）;和玉鸿赖（Ms'16，Phd'19），Myoung-Gyun Suh（Ms'14，Phd '17），玉坤·鲁，江李（Ms'12，Phd'13），Seung Hoon Lee，和Ki Youl Yang（Ms'12，Phd'18），所有人都是卡特克。

参考：“由芯片鳞片激光陀螺仪测量的地球旋转”由玉鸿赖，Myoung-Gyun Suh，Yu-kun Lu，Boqiang Shen，齐凡阳，鹤鸣王，江李，同盟李，Ki Youl Yang和Kerry Vahala，2月17日2020年2月，Nature Photonics.doi：
10.1038 / s41566-020-0588-ycaltechauthors：
20200101-104456130

该研究的资金由国防高级研究项目局（DARPA）提供。