通過(guò)使用MEMS技術(shù)制造光纖陀螺儀的核心元件，加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)制造并測(cè)試了靈敏度非常高、緊湊且堅(jiān)固耐用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）中關(guān)鍵元器件——陀螺儀，其設(shè)計(jì)可分為三類：經(jīng)典的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式機(jī)械陀螺儀（性能卓越，在特殊應(yīng)用中占據(jù)一席之地）；基于光學(xué)原理的激光陀螺儀，或采用鏡像閉環(huán)回路，或采用較長(zhǎng)的盤繞光纖（性能很高，但受限于過(guò)大的重量和尺寸）；MEMS陀螺儀（尺寸小、重量輕、功耗低，雖然性能與前兩者相比稍顯遜色，但瑕不遮瑜）。

現(xiàn)在，加州理工學(xué)院（Caltech）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試并分析了一種激光陀螺儀，該陀螺儀的一些內(nèi)部元器件利用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的獨(dú)特功能，但核心元器件并非MEMS陀螺儀技術(shù)。因此，既擁有光學(xué)陀螺儀級(jí)別的性能，又擁有更小、更輕的封裝。該裝置的靈敏度很高，甚至可以精確測(cè)量地球自轉(zhuǎn)——這被認(rèn)為是最嚴(yán)格的性能測(cè)試之一。

這項(xiàng)成就已發(fā)表于《自然光子學(xué)》（Nature Photonics），題目為《實(shí)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)測(cè)量的芯片級(jí)環(huán)形激光陀螺儀》（Earth rotation measured by chip-scale ring laser gyroscope）。加州理工學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用物理學(xué)院的Ted & Ginger Jenkin教授Kerry Vahala指出：“20多年來(lái)，研究人員一直在猜測(cè)將光學(xué)陀螺儀集成到芯片上，與已經(jīng)取得巨大成功的MEMS陀螺儀非常相似。但是直到近期，還沒(méi)有出現(xiàn)令人信服的實(shí)驗(yàn)。”

與所有光學(xué)陀螺儀一樣，加州理工學(xué)院研發(fā)的陀螺儀是基于眾所周知的薩格納克效應(yīng)（Sagnac effect）。將單束光分成兩束，并以反向旋轉(zhuǎn)路徑發(fā)射，最后回到同一個(gè)光學(xué)傳感器（見(jiàn)圖1）。通過(guò)比較兩束干涉波的相位差，基于相對(duì)論原理對(duì)角速度進(jìn)行表征。

圖1：設(shè)計(jì)框圖展示了激光陀螺儀的關(guān)鍵功能元器件及其連接情況

圖中英文簡(jiǎn)稱對(duì)應(yīng)解釋：（1）EDFA：erbium-doped fiber amplifier，摻鉺光纖放大器；（2）AOM：acoustic-optical modulator，聲光調(diào)制器；（3）PM：phase modulator，相位調(diào)制器；（4）PD：photodetector，光電探測(cè)器；（5）FC：frequency counter，頻率計(jì)數(shù)器；（6）TM：temperature monitor，溫度監(jiān)控器；（7）PI：proportional-integral servo，比例積分伺服系統(tǒng)；（8）ESA：electrical spectrum analyzer，電頻譜分析儀；（9）RF：radio frequency，射頻；（10）TEC：thermal electric cooler，熱電冷卻器；（11）f1（f2）：AOM1（AOM2）的調(diào)制頻率；（12）fPDH：Pound-Drever-Hall（簡(jiǎn)稱PDH）鎖環(huán)相位調(diào)制器的調(diào)制頻率。（ESA用于表征光電探測(cè)器的拍頻信號(hào)，在地球自轉(zhuǎn)測(cè)量期間斷開連接。）

在該方案中，激光的行進(jìn)路徑是沿環(huán)形石英盤諧振器，利用圓盤的高頻振動(dòng)泵浦出沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻氖芗げ祭餃Y激光器（SBL）散射（見(jiàn)圖2）。雖然該陀螺儀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較短光路，有助于減小器件尺寸，但也可能導(dǎo)致靈敏度降低。該論文的共同作者Yu-Hung Lai說(shuō)，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，對(duì)光進(jìn)行了“回收”。光被允許在環(huán)路周圍反復(fù)循環(huán)，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的薩格納克效應(yīng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)的靈敏度更高。

圖2

圖2：使用微型諧振環(huán)形激光陀螺儀測(cè)量地球自轉(zhuǎn)：通過(guò)反向泵浦微型諧振器，產(chǎn)生相向的SBL。（a）利用錐形光纖波導(dǎo)（fiber-taper waveguide）實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與諧振器信號(hào)的相互耦合。環(huán)形激光陀螺儀的法線與北（N）和南（S）對(duì)準(zhǔn)時(shí)，SBL的差分頻率δν引起相反的薩格納克位移，而法線指向東（E）和西（W）時(shí)不產(chǎn)生位移。（b）（曲線：腔體模式；實(shí)線箭頭：具有薩格納克位移的激光模式；虛線：未發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)的激光模式；f：頻率；ΩE：地球的自轉(zhuǎn)速度）。（c）泵浦模式（m + N）和布里淵激光模式（m），以綠線顯示。（d）集成光學(xué)陀螺儀的概念示意圖，使用了集成波導(dǎo)的超高Q值石英諧振器。藍(lán)色（紅色）箭頭指示較高（較低）的SBL頻率。紅線：光波導(dǎo)；黃線：電路電線；黑色：激光；綠色：調(diào)制器；米色：控制器；棕色：探測(cè)器；藍(lán)色：電子電路。