【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 技術(shù)前沿】 陀螺儀是幫助車(chē)輛、無(wú)人機(jī)、可穿戴和手持電子設(shè)備知道它們?cè)谌S空間中的方位的設(shè)備。它們?cè)谖覀兠刻煲蕾?lài)的幾乎每一項(xiàng)技術(shù)中都很常見(jiàn)。

最初，陀螺儀是一組嵌套的輪子，每個(gè)輪子都在不同的軸上旋轉(zhuǎn)。

但今天打開(kāi)手機(jī)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)微型機(jī)電傳感器(MEMS)，現(xiàn)代的等效元件，它可以測(cè)量作用在兩個(gè)相同質(zhì)量上的力的變化，這兩個(gè)相同的質(zhì)量在振動(dòng)和向相反的方向運(yùn)動(dòng)。

移動(dòng)設(shè)備上的陀螺儀可以被用于導(dǎo)航、攝像頭防抖、游戲傳感器等應(yīng)用。

這些MEMS陀螺儀的靈敏度是有限的，因此光學(xué)陀螺儀已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用來(lái)執(zhí)行同樣的功能，但沒(méi)有移動(dòng)部件，使用一種叫做Sagnac效應(yīng)的現(xiàn)象獲得更高的精度。

薩尼亞克(Sagnac)效應(yīng)是以法國(guó)物理學(xué)家喬治·薩尼亞克的名字命名的，是一種根植于愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的光學(xué)現(xiàn)象。

為了制造出它，一束光被分成兩束，兩束光沿著一個(gè)圓形的路徑向相反的方向運(yùn)動(dòng)，然后在同一光探測(cè)器上相遇。

光以恒定的速度傳播，因此旋轉(zhuǎn)這個(gè)裝置——以及光傳播的路徑——會(huì)使兩束光中的一束先于另一束到達(dá)探測(cè)器。

在每個(gè)方向軸上都有一個(gè)循環(huán)，這個(gè)相位偏移，被稱(chēng)為Sagnac效應(yīng)，可以用來(lái)計(jì)算方向。

目前最小的高性能光學(xué)陀螺儀比高爾夫球還大，不適合許多便攜式應(yīng)用。

隨著光學(xué)陀螺儀的建造越來(lái)越小，捕獲Sagnac效應(yīng)的信號(hào)也越來(lái)越小，這使得陀螺儀檢測(cè)運(yùn)動(dòng)變得越來(lái)越困難。

到目前為止，這已經(jīng)阻止了光學(xué)陀螺儀的小型化。

AliHajimiri，工程與應(yīng)用科學(xué)系電子工程與醫(yī)學(xué)工程教授，以他為首的加州理工學(xué)院的工程師開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)陀螺儀,500倍小于當(dāng)前最先進(jìn)的設(shè)備,但他們可以檢測(cè)相移小于30倍的系統(tǒng)。

這種新裝置在11月出版的《自然光子學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中有介紹。

來(lái)自Hajimiri實(shí)驗(yàn)室的新陀螺儀通過(guò)使用一種稱(chēng)為“相互靈敏度增強(qiáng)”的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種改進(jìn)性能。

在這種情況下，“相互”意味著它以同樣的方式影響陀螺儀內(nèi)的兩束光。

由于Sagnac效應(yīng)依賴(lài)于在兩束光束反向傳播時(shí)探測(cè)到它們之間的差異，因此它被認(rèn)為是不可逆的。

在陀螺儀內(nèi)部，光線通過(guò)微型化的光波導(dǎo)(攜帶光線的小管道，其功能與電線的電功能相同)傳播。

光路中可能影響光束的缺陷(例如，熱波動(dòng)或光散射)和任何外界干擾都會(huì)同樣影響兩束光束。

Hajimiri的團(tuán)隊(duì)找到了一種方法，可以在不破壞Sagnac效應(yīng)信號(hào)的情況下消除這種相互干擾。

相互靈敏度增強(qiáng)從而提高了系統(tǒng)的信噪比，使光學(xué)陀螺儀集成到比米粒還小的芯片上。

本文的題目是“具有互靈敏度增強(qiáng)的納米光子光學(xué)陀螺儀”。研究生ParhamKhial是第一作者，本科生AlexanderWhite是合著者。

這項(xiàng)研究是由Rothenberg創(chuàng)新計(jì)劃資助的。