New Chip-Based Laser Gyroscope Measures Earth’s Rotation

几十年来,陀螺仪一直是导航和测量不可缺少的工具。

早期的陀螺仪与陀螺没有太大的不同,但多年来技术进步如此之大,以至于现代的陀螺仪不再像小孩子的玩具了。今天,有两种广泛使用的陀螺仪:一种是光学陀螺仪,它非常灵敏,但也很昂贵;另一种是微机电系统(MEMS)陀螺仪,它价格便宜,易于制造,但对旋转的灵敏度要低得多。

光学陀螺仪用于飞机导航系统等应用,而MEMS陀螺仪则用于智能手机等设备。在过去的几十年里,研究人员一直想知道是否有可能弥合这两种技术之间的差距,并创造出一种新型陀螺仪,它结合了激光陀螺仪的精度和MEMS陀螺仪的简易制造。现在,加州理工学院的科学家们已经开发出一种光学陀螺仪,它融合了每个陀螺仪的一些最佳特性。

在新的论文发表在《自然光子学,克里Vahala (b & # x27; 80年,女士& # x27; 81年,博士& # x27; 85),加州理工学院# x27;泰德和姜詹金斯教授信息科技和应用物理,描述了一个激光陀螺仪他的实验室由一块硅基材料一样,MEMS设备制造。这种新型陀螺仪已经达到了被认为是陀螺仪的一个基准:测量地球自转的能力。

" 20多年来,研究人员一直设想在芯片上安装光学陀螺仪,就像非常成功的MEMS陀螺仪一样。但是直到最近,很少有引人注目的实验,"瓦哈拉说。

大约10年前,随着硅晶片光学谐振器和波导性能的显著提高,这种情况开始发生变化。这些发展现在开始产生效果。

所有的光学陀螺仪,包括瓦哈拉开发的那个,都利用萨尼亚克效应来测量旋转。沿环状路径向相反方向传播的两束光波的传播时间相等。然而,当路径旋转时,每个波到达旋转路径上特定点的时间是不同的。这种差异提供了一种旋转速率的测量方法,可以通过测量两个光波之间的干涉来非常精确地确定。

光学陀螺仪有两个版本。在激光陀螺仪中,环形的路径由一系列不连续的反射镜组成,光线在这些反射镜上反射。另一方面,光纤陀螺仪使用的是数百米甚至数千米长的光纤电缆。

在瓦哈拉的陀螺仪中,路径是一个圆形的硅盘,激光是通过一个叫做受激布里渊散射的过程,由盘内的高频振动产生的。

尽管在瓦哈拉的陀螺仪中,较短的光程有助于保持设备更小,但它也可能导致更低的灵敏度。为了弥补这一点,"回收了这种光,"说,",论文的合著者。允许光线一次又一次地在路径上循环,产生更强的萨尼亚克效应和对旋转更强的灵敏度

"同时,布里渊激光的作用通过补偿光盘中的光损耗进一步放大了这种灵敏度,"指出,Myoung-Gyun Suh也是这篇论文的作者之一。

除了这种陀螺仪相对于MEMS陀螺仪有提高灵敏度的潜力外,这种系统将没有移动部件,对振动和冲击有很强的弹性。事实上,这种弹性是人们对芯片级光学陀螺仪感兴趣的关键原因之一,因为它们的最终物理尺寸可能比MEMS设备更大。

瓦哈拉说,测量地球自转的能力是芯片级陀螺仪的一个有趣的基准。这也是一个相当低的比率,这使它成为一个衡量的挑战。为了说明它有多低,他想象一个溜冰者在一个溜冰板上旋转,但是一天转一个完整的圈。

瓦哈拉说,他的实验室将继续研究这些设备,初步的实验证据表明,可以使它们变得更加灵敏。

他说:“我们希望将性能提高10到100倍。”"在那一点上,这些设备将超过大多数MEMS陀螺仪的性能。从理论上讲,这是可能的,因为传统的光学陀螺仪提供的性能比MEMS设备好很多个数量级

这篇题为"的论文发表在2月17日的《自然光子学》杂志上。合著者包括研究生沈博强(MS '18)和王鹤鸣;博士后杨其帆(16岁,博士,19岁);而赖玉雄(MS '16, PhD '19), sumyoung – gyun (MS '14, PhD '17), Lu Yu-Kun, Jiang Li (MS '12, PhD '13), Seung Hoon Lee, Ki Youl Yang (MS '12, PhD '18),都是加州理工学院的校友。

这项研究的资金由美国国防部高级研究计划局(DARPA)提供。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/new-chip-based-laser-gyroscope-measures-earths-rotation

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