通過使用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)隊制造并測試了靈敏度非常高、緊湊且堅固耐用的慣性導(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，或采用較長的盤繞光纖（性能很高，但受限于過大的重量和尺寸）；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）的一個研究團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計、制造、測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，甚至可以精確測量地球自轉(zhuǎn)——這被認(rèn)為是最嚴(yán)格的性能測試之一。

這項成就已發(fā)表于《自然光子學(xué)》（Nature Photonics），題目為《實現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)測量的芯片級環(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，研究人員一直在猜測將光學(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，還沒有出現(xiàn)令人信服的實驗?！?

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，最后回到同一個光學(xué)傳感器（見圖1）。通過比較兩束干涉波的相位差，基于相對論原理對角速度進(jìn)行表征。

圖1：設(shè)計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

圖中英文簡稱對應(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，光電探測器；（5）FC：frequency counter，頻率計數(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用于表征光電探測器的拍頻信號，在地球自轉(zhuǎn)測量期間斷開連接。）

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泵浦出沿順時針和逆時針方向的受激布里淵激光器（SBL）散射（見圖2）。雖然該陀螺儀設(shè)計實現(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，為了彌補(bǔ)這一缺點，對光進(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)形激光陀螺儀測量地球自轉(zhuǎn)：通過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）實現(xiàn)光信號與諧振器信號的相互耦合。環(huán)形激光陀螺儀的法線與北（N）和南（S）對準(zhǔn)時，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）時不產(chǎn)生位移。（b）（曲線：腔體模式；實線箭頭：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：探測器；藍(lán)色：電子電路。