世界上最小的光學陀螺儀:比一粒米還要小!

2020-12-13 環球創新智慧

導讀

近日，美國加州理工學院的工程師們開發出一種新型光學陀螺儀。這種陀螺儀的尺寸小於目前最先進陀螺儀設備的五百分之一，檢測到的相位移動小於那些系統所檢測到的三十分之一。

背景

陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基於角動量守恆的理論設計出來的。陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。

簡單點說，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。玩過陀螺的朋友會知道，旋轉的陀螺遇到外力時，其軸向是不會隨著外力方向而發生改變的。此外，騎自行車也是利用了這個原理。車輪轉得越快，越不容易倒。

（圖片來源：維基百科）

陀螺儀最普遍應用要屬導航和定位。例如，車輛、無人機、可穿戴與手持電子設備，會通過陀螺儀來知道其在三維空間中的方向。

起初，陀螺儀是一組相互嵌套的飛輪轉子，每個飛輪轉子繞著不同的軸旋轉。然而，如今你打開手機，發現的卻不是這種傳統的陀螺儀。裡面的陀螺儀是一個微機電傳感器（MEMS），這就是現代的陀螺儀。

與 Arduino Uno 板子相連的陀螺儀數字模塊（圖片來源：維基百科）

傳統的陀螺儀是一個不停轉動的物體，其轉軸的指向不隨承載它的支架旋轉而變化。可是，要把這樣一種複雜且龐大的結構，用微機械技術在矽片襯底上加工出來，難度非常大。

因此，MEMS陀螺儀採用了不同的工作原理。在傳統陀螺儀特性的基礎上，MEMS陀螺儀利用科裡奧利力（Coriolis force）來實現設備的小型化。簡單說，原理是：利用科裡奧利力，在其內部產生微小的電容變化，然後測量電容，計算出角速度。

然而，這些MEMS陀螺儀的靈敏度卻有限，因此科學家又開發出了光學陀螺儀。光學陀螺儀可執行同樣的功能，但卻沒有活動部件，且精度要高很多。這是因為光學陀螺儀採用了一種被稱為「薩格納克效應（Sagnac effect）」的物理現象，通過光傳播的特性，測量光程差計算出旋轉的角速度。

什麼是「薩格納克效應」？薩格納克效應，以法國物理學家 Georges Sagnac 的名字命名，是一種光學現象，植根於愛因斯坦的廣義相對論。1913年，薩格納克發明了一種可以旋轉的環形幹涉儀。將同一光源發出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環路內沿相反方向循行一周後會合，然後在屏幕上產生幹涉。當在環路平面內有旋轉角速度時，屏幕上的幹涉條紋將會發生移動，這就是薩格納克效應。薩格納克效應中條紋移動數與幹涉儀的角速度和環路所圍面積之積成正比。

如今，體積最小的高性能光學陀螺儀還是比一個高爾夫球要大，因此無法應用於許多可攜式設備。隨著光學陀螺儀變得越來越小，捕捉薩格納克效應的信號也變得越來越弱，因此採用陀螺儀檢測運動的難度也越來越高。迄今為止，這一問題仍在阻礙光學陀螺儀的小型化。

創新

近日，美國加州理工學院的工程師們，在工程與應用科學部的電氣工程與醫學工程教授 Ali Hajimiri 的帶領下，開發出一種新型光學陀螺儀。這種陀螺儀的尺寸小於目前最先進陀螺儀設備的五百分之一，檢測到的相位移動小於那些系統所檢測到的三十分之一。一篇發表於《Nature Photonics》期刊的論文詳細描述了該設備。

用米粒作為對比的光學陀螺儀（圖片來源：Ali Hajimiri）

論文標題為：《交互靈敏度增強的納米光子光學陀螺儀（Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement）》。研究生 Parham Khial 是論文的領導作者，本科生 Alexander White 是論文的合著者之一。這項研究得到了羅森博格創新計劃的贊助。

技術

Hajimiri 的實驗室設計的這種新型陀螺儀，之所以能夠改善性能，是因為採用了一項稱為「關聯靈敏度增強（reciprocal sensitivity enhancement）」的新技術。這裡，「關聯（reciprocal）」意味著它以同樣的方式影響陀螺儀內部的兩束光線。因為薩格納克效應依賴於檢測兩束沿著相反方向傳播的光線之間的差異，它被認為是非關聯的。在陀螺儀內部，光線通過小型化的光波導（傳輸光線的管道，有點類似傳輸電力的電線所起到的作用）傳輸。光路中的瑕疵會影響光束（例如，熱波動或光散射），並且任何外界的幹擾都會相似地影響兩個光束。

矽光子器件與薩格納克效應（圖片來源：參考資料【2】）

環形諧振器響應與系統結構（圖片來源：參考資料【2】）

系統實現（圖片來源：參考資料【2】）

測量結果（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Hajimiri 團隊發現了一種方法，可以清除這種關聯噪聲，讓來自薩格納克效應的信號變得完好無損。「關聯靈敏度增強」，提升了系統內部的信噪比，讓光學陀螺儀能夠集成到比米粒還要小的晶片中。

關鍵字

光學、陀螺儀、晶片

參考資料

【1】http://www.caltech.edu/news/spinning-light-worlds-smallest-optical-gyroscope-84183

【2】Parham P. Khial, Alexander D. White, Ali Hajimiri. Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement. Nature Photonics, 2018; 12 (11): 671 DOI: 10.1038/s41566-018-0266-5

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