工程师们建造了世界上最小的光感陀螺仪，它可以很容易地集成到最小的便携式现代技术中。
陀螺仪在当今我们使用的各种技术中都非常常见。车辆、无人机以及手机和可穿戴设备等电子设备都使用陀螺仪，因为它们有助于确定设备在三维空间中的正确方向。最初，陀螺仪是一种用于车轮的装置，它可以帮助车轮绕轴高速旋转。标准的光学陀螺仪包含一根缠绕的光纤，其中传输着脉冲激光。该光纤沿顺时针或逆时针方向运行。而现代陀螺仪则是传感器，例如手机中就包含微机电系统（MEMS）传感器。这些传感器可以测量作用于两个质量相同但运动方向不同的物体上的力。
萨格纳克效应
尽管传感器目前应用广泛，但其灵敏度有限，因此需要光学陀螺仪。关键的区别在于，光学陀螺仪能够在不产生任何可移动部件的情况下完成类似的任务，并且精度更高。这得益于萨格纳克效应，这是一种利用爱因斯坦广义相对论来探测角速度变化的光学现象。在萨格纳克效应中，一束激光被分成两束独立的光束，这两束光沿圆形路径反向传播，最终汇聚于同一个光探测器。这种情况仅在设备静止时发生，主要是因为光速恒定。然而，如果设备旋转，光路也会旋转，导致两束光到达光探测器的时间点不同。这种相位差被称为萨格纳克效应，陀螺仪测量这种同步差异并用于计算方向。
萨格纳克效应对信号中的噪声非常敏感，任何周围的噪声，如小的热波动或振动，都会在光束传播时扰乱它们。 如果陀螺仪的尺寸小得多，那么它更容易受到干扰。 光学陀螺仪显然更有效，但缩小光学陀螺仪的尺寸仍然是一个挑战，即减小它们的尺寸，因为随着它们变小，从传感器传输的信号也会减弱，然后在所有散射产生的噪声中丢失光。 这导致陀螺仪更难检测运动。 这种情况限制了较小的光学陀螺仪的设计。 具有良好性能的最小陀螺仪至少是高尔夫球的大小，因此不适用于小型便携式设备。
小型陀螺仪的新设计
美国加州理工学院的研究人员设计了一种噪声极低的光学陀螺仪，它使用激光而非MEMS传感器，却能获得相同的测量结果。他们的研究成果发表在《自然·光子学》杂志上。研究人员在一块仅2平方毫米的硅芯片上安装了一个光路，用于引导光线。该光路能够引导光线沿圆周向各个方向传播。工程师们通过使用两个圆盘来延长激光束的路径，从而消除了互易噪声。随着光束路径的延长，噪声逐渐趋于均匀，使得两束光相遇时能够进行精确测量。这使得研究人员能够在保持测量精度的同时，使用更小的器件。该器件还能反转光线的方向以辅助噪声消除。这款创新的陀螺仪传感器被命名为XV-35000CB。性能的提升得益于“互易灵敏度增强”方法。互易是指该方法以相同的方式影响两束独立的光束。萨格纳克效应基于对两束沿相反方向传播的光束之间变化的检测，这相当于它们不互易。光在微型光波导中传播，这些微型光波导是传输光的细小管道，类似于电路中的导线。光路中的任何缺陷或外部干扰都会影响两束光。
互易灵敏度的增强提高了信噪比，使这种光学陀螺仪能够集成到一个可能只有指甲尖大小的微小芯片上。 这种微型陀螺仪的尺寸至少比现有设备小 500 倍，但可以成功检测到比当前系统小 30 倍的相移。 该传感器主要用于系统中以校正相机的振动。 陀螺仪现在在不同领域不可或缺，目前的研究表明，可以设计更小的光学陀螺仪，尽管这种实验室设计可能需要一些时间才能商业化。
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来源（S）
Khial PP 等人，2018。具有互易灵敏度增强的纳米光子光学陀螺仪。《自然·光子学》。12(11)。https ://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
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