世界上最小的光学陀螺仪：比一粒米还要小！

导读

近日，美国加州理工学院的工程师们开发出一种新型光学陀螺仪。这种陀螺仪的尺寸小于目前最先进陀螺仪设备的五百分之一，检测到的相位移动小于那些系统所检测到的三十分之一。

背景

陀螺仪，是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

简单点说，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。玩过陀螺的朋友会知道，旋转的陀螺遇到外力时，其轴向是不会随着外力方向而发生改变的。此外，骑自行车也是利用了这个原理。车轮转得越快，越不容易倒。

（图片来源：维基百科）

陀螺仪最普遍应用要属导航和定位。例如，车辆、无人机、可穿戴与手持电子设备，会通过陀螺仪来知道其在三维空间中的方向。

起初，陀螺仪是一组相互嵌套的飞轮转子，每个飞轮转子绕着不同的轴旋转。然而，如今你打开手机，发现的却不是这种传统的陀螺仪。里面的陀螺仪是一个微机电传感器（MEMS），这就是现代的陀螺仪。

与 Arduino Uno 板子相连的陀螺仪数字模块（图片来源：维基百科）

传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。可是，要把这样一种复杂且庞大的结构，用微机械技术在硅片衬底上加工出来，难度非常大。

因此，MEMS陀螺仪采用了不同的工作原理。在传统陀螺仪特性的基础上，MEMS陀螺仪利用科里奥利力（Coriolis force）来实现设备的小型化。简单说，原理是：利用科里奥利力，在其内部产生微小的电容变化，然后测量电容，计算出角速度。

然而，这些MEMS陀螺仪的灵敏度却有限，因此科学家又开发出了光学陀螺仪。光学陀螺仪可执行同样的功能，但却没有活动部件，且精度要高很多。这是因为光学陀螺仪采用了一种被称为“萨格纳克效应（Sagnac effect）”的物理现象，通过光传播的特性，测量光程差计算出旋转的角速度。

什么是“萨格纳克效应”？萨格纳克效应，以法国物理学家 Georges Sagnac 的名字命名，是一种光学现象，植根于爱因斯坦的广义相对论。1913年，萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们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，这就是萨格纳克效应。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。

如今，体积最小的高性能光学陀螺仪还是比一个高尔夫球要大，因此无法应用于许多便携式设备。随着光学陀螺仪变得越来越小，捕捉萨格纳克效应的信号也变得越来越弱，因此采用陀螺仪检测运动的难度也越来越高。迄今为止，这一问题仍在阻碍光学陀螺仪的小型化。

创新

近日，美国加州理工学院的工程师们，在工程与应用科学部的电气工程与医学工程教授 Ali Hajimiri 的带领下，开发出一种新型光学陀螺仪。这种陀螺仪的尺寸小于目前最先进陀螺仪设备的五百分之一，检测到的相位移动小于那些系统所检测到的三十分之一。一篇发表于《Nature Photonics》期刊的论文详细描述了该设备。

用米粒作为对比的光学陀螺仪（图片来源：Ali Hajimiri）

论文标题为：《交互灵敏度增强的纳米光子光学陀螺仪（Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement）》。研究生 Parham Khial 是论文的领导作者，本科生 Alexander White 是论文的合著者之一。这项研究得到了罗森博格创新计划的赞助。

技术

Hajimiri 的实验室设计的这种新型陀螺仪，之所以能够改善性能，是因为采用了一项称为“关联灵敏度增强（reciprocal sensitivity enhancement）”的新技术。这里，“关联（reciprocal）”意味着它以同样的方式影响陀螺仪内部的两束光线。因为萨格纳克效应依赖于检测两束沿着相反方向传播的光线之间的差异，它被认为是非关联的。在陀螺仪内部，光线通过小型化的光波导（传输光线的管道，有点类似传输电力的电线所起到的作用）传输。光路中的瑕疵会影响光束（例如，热波动或光散射），并且任何外界的干扰都会相似地影响两个光束。

硅光子器件与萨格纳克效应（图片来源：参考资料【2】）

 环形谐振器响应与系统结构（图片来源：参考资料【2】）

 系统实现（图片来源：参考资料【2】）

 测量结果（图片来源：参考资料【2】）

价值

Hajimiri 团队发现了一种方法，可以清除这种关联噪声，让来自萨格纳克效应的信号变得完好无损。“关联灵敏度增强”，提升了系统内部的信噪比，让光学陀螺仪能够集成到比米粒还要小的芯片中。

关键字

光学、陀螺仪、芯片

参考资料

【1】http://www.caltech.edu/news/spinning-light-worlds-smallest-optical-gyroscope-84183

【2】Parham P. Khial, Alexander D. White, Ali Hajimiri. Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement. Nature Photonics, 2018; 12 (11): 671 DOI: 10.1038/s41566-018-0266-5

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