芯片级光学环形激光陀螺可测每小时 37 度的缓慢转动
New chip-scale gyroscope measures rotation with unprecedented sensitivity
UCSB 与加州理工团队在 Optics Letters 发表芯片级光学环形激光陀螺，可测量低至每小时 37 度的转动，接近地球每小时 15 度的自转速率。器件基于氮化硅波导光子集成电路的低噪声布里渊激光，可用标准 CMOS 工艺制造、仅需毫瓦级光功率，灵敏度较团队早先的器件提升近 2000 倍。
与团队早先每小时 72000 度的氮化硅布里渊陀螺相比提升近 2000 倍，可据此判断片上光学陀螺走向导航应用的距离。
2026年10月14日
新型芯片级陀螺仪以前所未有的灵敏度测量旋转
光学环形激光器件可检测低至 37 度/小时的旋转，有望应用于精密导航
华盛顿 —— 研究人员开发出一种芯片级光学环形激光陀螺仪，可测量低至 37 度/小时的旋转。这一创纪录的灵敏度已接近地球 15 度/小时的自转速率，最终有望用于精密导航和定向系统，尤其是在 GPS 不可用的场合。陀螺仪用于测量物体的旋转，从而帮助确定其姿态和运动。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，难以满足某些严苛应用的需求。这促使科学家开发芯片级光学陀螺仪，其灵敏度足以胜任飞机导航等应用。
图注：研究人员开发出一种集成布里渊激光环形陀螺仪，可测量低至 37 度/小时的旋转。该图展示了这种芯片级陀螺仪的概念示意图。
图片来源：Kerry Vahala，加州理工学院
“我们的新型陀螺仪融合了多项先进技术，以标准 CMOS 芯片加工方法即可制造，仅需毫瓦级光功率，便实现了很高的灵敏度，”领导该研究团队的加州大学圣巴巴拉分校 Daniel J. Blumenthal 表示。“全集成光学陀螺仪不仅比现有系统更小，而且没有运动部件，因此对振动和冲击具有很强的抗扰能力。”在 Optica Publishing Group 期刊《Optics Letters》中，研究人员介绍了这种新器件，它基于一种特殊的低噪声激光器，该激光器由氮化硅光波导构成的光子集成电路上制成。其灵敏度较研究人员此前的氮化硅布里渊陀螺仪提升了近 2,000 倍，后者可测量 72,000 度/小时的旋转。“经过进一步开发，这类光学陀螺仪最终有望将光学陀螺仪的高精度传感能力带入紧凑的芯片级器件，”领导该研究团队的加州理工学院 Kerry Vahala 表示。“这有望提供一种更适合大规模制造且更坚固耐用的器件，用于汽车、飞机和航天器。”融合多项技术 为打造这种新型陀螺仪，研究人员将 Vahala 研究团队开发的布里渊激光陀螺仪方案，与 Blumenthal 团队同空军研究实验室合作、基于氮化硅平台开发的芯片级布里渊激光器相结合。布里渊陀螺仪利用光与光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 研究团队开发的陀螺仪方案基于一种环形微谐振器，它能以极低的损耗约束光，并具有高品质（Q）因子，这是衡量环形腔保持光能力的指标。这使得光可以循环传播许多次，从而对旋转引起的微小变化极为敏感。2017 年，Vahala 团队演示了这项技术，随后使用一个微型二氧化硅光学谐振器探测到了地球的自转。Blumenthal 团队在美国空军研究实验室的支持下，开发了由氮化硅制成的光子电路，这种材料能以极低的损耗导光。这些电路与标准 CMOS 芯片制造方法兼容，为使该技术更小型化、更易于制造提供了途径。他们利用这种方法制造了芯片级布里渊激光器，可产生高度稳定、频率极窄的光，使系统能够探测旋转引起的微小变化。2019 年，他们利用这项技术测量了地球的自转。Blumenthal 说：“将这两种方案结合起来，使得测量比以往集成技术所能做到的慢得多的旋转成为可能，并朝着全集成激光光学陀螺仪迈进。”
图注：这款新型陀螺仪融合了多种先进技术，实现了高水平的灵敏度。它仅使用毫瓦级的光功率。图中为封装后的芯片。
图片来源：Daniel J. Blumenthal，加州大学圣巴巴拉分校
在这款新器件中，芯片的传感部分是一个直径约 24 毫米的环形光学电路。两台半导体激光器将光以相反方向射入环中，光与材料之间的相互作用产生两路高度稳定的布里渊激光信号，沿环传播。相对较大的环形腔很重要，因为光学陀螺仪的灵敏度随环所围面积的增大而提高。当芯片静止时，两路光信号的行为完全相同。然而，当芯片旋转时，旋转会在它们的频率之间造成微小差异。芯片检测这一差异，并据此确定自身的旋转速度。该器件中的氮化硅环的本征 Q 因子超过 1.63 亿。这使得谐振器能够提供极高的选择性滤波，从 200 THz 的光信号中分离出 2 MHz 的带宽，同时能将光子保持近 100 纳秒。测量极慢的旋转 为测试这款新器件，研究人员将封装后、直径仅几厘米的芯片放在一个小型压电旋转台上，以一组测试频率来回移动。他们使用一台独立的光学干涉仪测量实际运动，并将其与陀螺仪的读数进行比较。
图注：这款光学环形激光陀螺仪采用相对较大的环形腔（如图所示），有助于提高灵敏度。
图片来源：Daniel J. Blumenthal，加州大学圣巴巴拉分校
陀螺仪对运动的响应呈线性，研究人员能够测量小至 37 度/小时的旋转。这表明，将 CMOS 兼容技术与极高的光学 Q 值以及超大光学谐振腔相结合，可用于制造高灵敏度光学陀螺仪。研究人员目前正在改进器件的材料和谐振腔，以减少不需要的泵浦光向后散射，从而使测量更加稳定。他们计划随后将系统封装为一个紧凑单元，在实验室外进行测试。最后，利用全光子集成工艺将所有激光器、光电探测器和其他陀螺仪组件集成在同一芯片上，将实现芯片上的完整激光光学陀螺仪。论文：J. Ge、Q.-X. Ji、M. Song、K. Liu、C. Zhong、H. Yan、J.-Y. Liu、P. Liu、Y. Yu、R. Chawla、S. Krzyzewski、D. J. Blumenthal、K. Vahala.，“Integrated microresonator Brillouin gyroscope demonstrating 37 deg/h rotation measurements”，Opt. Lett.，51，5854-5857（2026）。DOI： 10.1364/OL.589952
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