據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由美國加州理工學(xué)院設(shè)計(jì)的一款面積僅為2平方毫米的硅基光學(xué)陀螺儀，得益于采用的一種噪聲自消除技術(shù)，克服了這類微型慣性單元中的主要誤差源。

微型陀螺儀以及加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)元件，這些技術(shù)正在不斷發(fā)展。機(jī)械轉(zhuǎn)子和激光光學(xué)陀螺儀已經(jīng)在很多應(yīng)用中被光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀取代，但光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀難以達(dá)到前者的精度指標(biāo)。由于尺寸和光程長度引起的信噪比（SNR）降低以及熱波動(dòng)、元件漂移和制造失配導(dǎo)致的二階和三階誤差，使光纖陀螺儀微型化的努力不斷受挫。

工程人員知道，通過使用前期或持續(xù)校準(zhǔn)等技術(shù)，可以減少系統(tǒng)中的固有誤差。他們通過使用更好的元件和材料，以及設(shè)計(jì)一種能夠自我抵消誤差的架構(gòu)來最小化誤差的來源。后者或許是可行的最佳技術(shù)，采用這種思路，由Rothenberg創(chuàng)新計(jì)劃資助的一支加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)、制造并測試了一種硅基微型光學(xué)陀螺儀的新方案，該方案成本和負(fù)面效應(yīng)很低，并能夠提供精確的性能指標(biāo)。

這款由加州理工學(xué)院設(shè)計(jì)的光學(xué)納米陀螺儀的尺寸僅為2mm x 1mm，但由于采用了一種能夠消除主要誤差源的技術(shù)，因此具有出色的性能

他們的解決方案利用了其稱為無源光網(wǎng)絡(luò)的“互易性（reciprocity）”來大幅減少熱波動(dòng)和失配，從而與以前的方案相比帶來更好的結(jié)果。他們的演示器件盡管本身比目前最先進(jìn)的微型光纖陀螺儀小500倍，但卻能夠檢測比后者小30倍的相移，使這種光學(xué)陀螺性能的整體提升達(dá)到了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該研究成果“具有互易靈敏度增強(qiáng)的納米光子陀螺儀”發(fā)表于Nature雜志，他們在論文中詳細(xì)介紹了這種方案，有點(diǎn)類似于使用差分信號(hào)來消除共模電信號(hào)。與所有光學(xué)陀螺儀一樣，他們的器件采用了相對(duì)論薩格納克效應(yīng)（Sagnac Effect），通過測量由分束器從單一光源創(chuàng)建的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)光波（一個(gè)作為參考路徑，另一個(gè)作為信號(hào)路徑）之間的相對(duì)相移，來確定角速度。根據(jù)薩格納克效應(yīng)，兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)光波在同一個(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，當(dāng)在環(huán)路平面內(nèi)有旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，屏幕上的干涉條紋將會(huì)發(fā)生移動(dòng)，薩格納克效應(yīng)中條紋移動(dòng)數(shù)與干涉儀的角速度和環(huán)路所圍面積之積成正比。

這種光學(xué)陀螺儀的總體性能通常與路徑長度密切相關(guān)，更長的路徑提供更高的精度，而對(duì)兩個(gè)路徑之間動(dòng)態(tài)差異的靈敏度略低。通過在硅襯底中集成光波導(dǎo)來使路徑微型化，而不是通過光纖長度或真空路徑，意味著對(duì)任何與路徑相關(guān)的變化提高了靈敏度。

光學(xué)陀螺儀和薩格納克效應(yīng)：硅基納米光子波導(dǎo)在1550nm處支持一種單模波導(dǎo)（a）；環(huán)的旋轉(zhuǎn)引起兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)波之間的相位差（b）；在互易靈敏度增強(qiáng)技術(shù)中，輸入信號(hào)在紅色路徑（順時(shí)針傳播）和藍(lán)色路徑（逆時(shí)針傳播）之間切換

為了解決這個(gè)問題，加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)使用了一種器件設(shè)計(jì)，它可以不斷地以高于任何波動(dòng)的速率交替光學(xué)路徑（如上圖所示）。穿過硅光波導(dǎo)的信號(hào)的“極性”被反轉(zhuǎn)，而不需要的熱波動(dòng)和失配等共模分量則被抵消。在這種情況下，“互易性”意味著陀螺儀光波導(dǎo)內(nèi)的兩個(gè)光束都以相同的方式受到誤差的影響。

當(dāng)然，其整體設(shè)計(jì)使用了一系列電子器件，包括一對(duì)由光電二極管、跨阻放大器（TIA）和可變增益放大器（VGA），以及低通濾波器和解調(diào)組成的通道（如下圖所示）。

上圖顯示了：用于路徑切換的輸入Mach－Zehnder干涉儀（a）；一種實(shí)施的納米光學(xué)陀螺儀示意圖（b）；每個(gè)光信號(hào)均由光電二極管捕獲，并由TIA和VGA信號(hào)鏈放大，然后相加并通過無源混頻器乘以參考頻率，以提取編碼旋轉(zhuǎn)速率的幅度信息（c）

這款由加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系電氣工程與醫(yī)學(xué)工程Bren教授Ali Hajimiri領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)制造的全集成光學(xué)陀螺儀，尺寸僅為2mm x 1mm。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，與使用非相干光源或采用低損耗波導(dǎo)（通常需要不同的、更難以制造的光波導(dǎo)芯和包覆材料）等方案相比，它們的互易靈敏度增強(qiáng)方案具有更大的優(yōu)勢和更低的復(fù)雜性。此外，它能夠檢測到目前為止在硅基納米光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)的所有微型化方案中最小記錄的相移（僅3納米弧度）。