新型芯片级陀螺仪灵敏度达到前所未有的水平

研究人员研制出一种芯片级光学环形激光陀螺仪，可测量低至每小时37度的旋转。这一创纪录的灵敏度已接近地球每小时15度的自转速度，未来有望用于精密导航与定向系统，尤其适合没有GPS信号的场景。

陀螺仪测量物体如何旋转，帮助确定其朝向和运动状态。智能手机和其他日常设备中的芯片陀螺仪灵敏度往往有限，难以胜任某些高要求应用。这促使科学家开发芯片级光学陀螺仪，其灵敏度足以用于飞机导航等场景。

该研究团队负责人、加州大学圣巴巴拉分校的Daniel J. Blumenthal说：“我们的新型陀螺仪融合了多项先进技术，在可用标准CMOS芯片工艺制造的形态下实现了高灵敏度，而且只需毫瓦级光功率。完全集成的光学陀螺仪不仅比当今系统更小，而且没有活动部件，因此对振动和冲击具有很强的耐受性。”

研究人员在《光学快报》上介绍了这一新器件。它基于一种特殊类型的低噪声激光器，所用光子集成电路由氮化硅波导制成。其灵敏度比研究人员此前的氮化硅布里渊陀螺仪提高了近2000倍——后者可测量每小时72000度的旋转。

基于芯片的陀螺仪的概念示意图

加州理工学院研究团队负责人Kerry Vahala说：“随着进一步开发，这类光学陀螺仪最终有望把光学陀螺仪的高精度传感能力带到紧凑的芯片级器件中。这可能为汽车、飞机和航天器应用提供一种更易于批量制造、也更坚固耐用的器件。”

光学环形激光陀螺仪采用标准兼容CMOS芯片处理方法制造。圆形晶圆包含多个器件结构。

技术融合

为了造出这种新型陀螺仪，研究人员把Vahala团队开发的布里渊激光陀螺仪方案，与Blumenthal团队同美国空军研究实验室合作开发的、基于氮化硅平台的芯片上布里渊激光器结合起来。布里渊陀螺仪利用光与波导中振动的相互作用，产生旋转传感所需的低噪声激光信号。

Vahala团队提出的陀螺仪方案基于环形微谐振器。这种谐振器能以极低损耗束缚光，并具有很高的品质因数（Q值）——Q值衡量环形结构保持光的能力。光因此可以循环很多圈，对旋转引起的微小变化极其敏感。2017年，Vahala团队演示了这项技术，后来用微型二氧化硅光学谐振器探测到了地球的自转。

光学环形激光陀螺仪使用较大的环（如图），这有助于提升灵敏度。

Blumenthal团队在美国空军研究实验室支持下，开发了由氮化硅制成的光子电路。氮化硅能极低损耗地导光，而且这类电路与标准CMOS芯片制造方法兼容，为让该技术更小、更易制造提供了路径。他们用这种方法制造出芯片级布里渊激光器，可产生高度稳定、窄频的光，使系统能够检测旋转带来的微小变化。2019年，他们利用该技术测量了地球自转。

Blumenthal说：“把这两种方法结合起来，使我们能够测量比以往集成技术慢得多的旋转，并向全集成激光光学陀螺仪迈进。”

在新器件中，芯片的传感部分是一个跨度约24毫米的环形光路。两束半导体激光从相反方向射入环中，光与材料相互作用，产生两个高度稳定的布里渊激光信号，沿环传播。这个环相对较大很重要，因为环形所围面积越大，光学陀螺仪越灵敏。

芯片静止时，两个光信号表现相同。但当芯片旋转时，旋转会使它们的频率出现微小差异。芯片检测这一差异，并据此判断自身旋转有多快。

该器件中的氮化硅环本征Q值超过1.63亿。这使谐振器能够进行极具选择性的滤波，从200 THz的光信号中分离出2 MHz带宽，同时能把光子保持近100纳秒。

测量极慢旋转

为测试新器件，研究人员把封装好的芯片——仅几厘米宽——放在小型压电旋转台上，按一组测试频率来回移动。他们用另一台光学干涉仪测量实际运动，并与陀螺仪读数进行比较。

陀螺仪对运动的响应呈线性，研究人员能够测量小至每小时37度的旋转。这表明，把CMOS兼容技术、超高光学Q值以及很大的光学谐振器结合起来，可以造出高灵敏度光学陀螺仪。

研究人员目前正在改进器件材料和谐振器，以减少不需要的泵浦光向后散射，从而让测量更稳定。他们计划随后把系统封装成一个紧凑单元，用于实验室外测试。最后，他们将通过完整的光子集成工艺，把所有激光器、光电探测器和其他陀螺仪组件集成到同一芯片上，从而实现完整的芯片级激光光学陀螺仪。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ol.589952