光学环形激光装置可检测低至每小时37度的旋转，具有潜在的精密导航应用

华盛顿——研究人员开发出一种芯片级的光学环形激光陀螺仪，能够测量低至每小时37度的旋转速度。这种接近地球自转速率15度/小时的记录灵敏度，最终可能对精密导航和定向系统非常有用，尤其是在没有GPS的情况下。陀螺仪测量物体的旋转方式，帮助确定其方向和运动。智能手机及其他日常设备中使用的芯片陀螺仪灵敏度有限，不适合某些要求较高的应用。这促使科学家开发基于芯片的光学陀螺仪版本，这些陀螺仪的灵敏度足以应用于飞机导航等领域。

加州大学圣塔芭芭拉分校研究团队负责人丹尼尔·J·布卢门撒尔表示：“我们的新陀螺仪结合了多项先进技术，实现了高灵敏度，且该格式可用标准CMOS芯片处理方法制造，仅使用毫瓦的光功率。”“一个完全集成的光学陀螺仪不仅比现有系统更小，而且没有活动部件，因此对振动和冲击具有极强的抵抗力。”在Optica出版集团的期刊《光学快报》中，研究人员介绍了这款新器件，它基于一种特殊的低噪声激光器，利用由氮化硅波导制成的光子集成电路。其灵敏度比研究人员早期的氮化硅布里渊陀螺仪提升了近2000倍，后者测得的旋转速度为每小时72000度。加州理工学院研究团队负责人凯瑞·瓦哈拉表示：“随着进一步发展，这种光学陀螺仪最终有望将光学陀螺仪的高精度感测带入紧凑型芯片设备中。”“这可能为汽车、飞机和航天器提供一种更大规模制造且坚固的设备。”整合技术 为了创造新的陀螺仪，研究人员将瓦哈拉研究团队开发的布里渊激光陀螺方法与布卢门撒尔团队与空军研究实验室合作开发的基于氮化硅平台的布里渊激光芯片结合起来。布里渊陀螺利用光与波导振动相互作用，产生旋转感应所需的低噪声激光信号。
 

说明：研究人员开发了一体化的布里渊激光环陀螺仪，可测量低至每小时37度的旋转速度。这张图展示了基于芯片的陀螺仪的概念示意图。

图片来源：Kerry Vahala，加州理工学院 

瓦哈拉研究团队开发的陀螺方法基于环形微谐振器，能够以极小的损耗约束光线，并具有高质量（Q）因子，衡量环形光的保持能力。这使得光能够循环多次，使其对旋转引起的微小变化极为敏感。2017年，瓦哈拉团队展示了该技术，随后利用微型硅光谐振器探测地球自转。布卢门撒尔的团队在空军研究实验室的支持下，开发了由氮化硅制成的光子电路，这种材料能够以极小的损耗引导光线。这些电路兼容标准CMOS芯片制造工艺，为使技术更小、更易于制造提供了途径。他们利用这种方法制造出芯片级的布里渊激光器，能够产生高度稳定的窄频光，使系统能够检测旋转引起的微小变化。2019年，他们利用这项技术测量了地球自转。“结合这两种方法使得测量比以往集成技术更慢的旋转速度成为可能，并朝着完全集成的激光光学陀螺仪迈进，”布卢门撒尔说。

在新器件中，芯片的感应部分是一个直径约24毫米的环形光学电路。两台半导体激光器将光线从相反方向发射到环中，光与材料之间的相互作用产生了两个高度稳定的布里渊激光信号，这些信号绕环传播。相对较大的环很重要，因为随着环所包围面积的增加，光学陀螺仪的灵敏度也会提高。当芯片静止时，两个灯信号的行为相同。然而，当芯片旋转时，旋转会导致它们频率之间的微小差别。芯片检测到这个差异，并用它来判断旋转速度。该器件中的氮化硅环具有超过1.63亿的内在Q因子。这使得谐振腔能够提供极具选择性的滤波，将2 MHz带宽与200 THz光信号隔离开来，同时能够将光子保持近100纳秒。测量极慢旋转 为了测试新器件，研究人员将直径仅几厘米的封装芯片放置在一个小型压电旋转台上，并以一组测试频率来回移动。他们使用了独立的光学干涉仪测量实际运动，并将其与陀螺仪读数进行比较。

陀螺仪对运动的响应是线性的，研究人员能够测量到每小时37度的旋转。这表明，结合兼容CMOS的技术、极高光学Q值以及超大光学谐振腔，可以制造高灵敏度的光学陀螺仪。研究人员目前正在改进设备的材料和谐振腔，减少不需要的泵光向后散射，从而使测量更加稳定。他们计划将系统打包成一个紧凑的单元，在实验室外进行测试。最后，将所有激光、光电探测器及其他陀螺组件集成在同一芯片上，采用完整的光子集成工艺，将实现完整的激光光学陀螺仪。论文：J. Ge，Q.-X。纪、宋明、刘光、钟志、严荣、J.-Y。Liu， P. Liu， Y. Yu， R. Chawla， S. Krzyzewski， D. J. Blumenthal， K. Vahala.，“集成微共振器布里渊陀螺演示37度/小时旋转测量”，Opt. Lett.， 51， 5854-5857 （2026）。DOI：10.1364/OL.589952