必威-全球最小硅基光学陀螺仪如何克服信噪比不足？

2024-11-18 18:36:01　　点击量：609

本文摘要：据麦姆斯咨询报导，由美国加州理工学院设计的一款面积仅有为2平方毫米的硅基光学陀螺仪，归功于使用的一种噪声自避免技术，解决了这类微型惯性单元中的主要误差源。

据麦姆斯咨询报导，由美国加州理工学院设计的一款面积仅有为2平方毫米的硅基光学陀螺仪，归功于使用的一种噪声自避免技术，解决了这类微型惯性单元中的主要误差源。微型陀螺仪以及加速度计是惯性导航的基础元件，这些技术正在大大发展。

机械转子和激光光学陀螺仪早已在很多应用于中被光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪代替，但光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪难以达到前者的精度指标。由于尺寸和光程长度引发的信噪比（SNR）减少以及热波动、元件飘移和生产失配造成的二阶和三阶误差，使光纤陀螺仪微型化的希望大大挫败。工程人员告诉，通过用于前期或持续校准等技术，可以增加系统中的固有误差。他们通过用于更佳的元件和材料，以及设计一种需要自我抵销误差的架构来最小化误差的来源。

后者也许是不切实际的最佳技术，使用这种思路，由Rothenberg创意计划资助的一支加州理工学院的研究团队，设计、生产并测试了一种硅基微型光学陀螺仪的新方案，该方案成本和负面效应很低，并需要获取准确的性能指标。这款由加州理工学院设计的光学纳米陀螺仪的尺寸仅有为2mmx1mm，但由于使用了一种需要避免主要误差源的技术，因此具备出众的性能他们的解决方案利用了其称作无源光网络的“互易性（reciprocity）”来大幅度增加热波动和失配，从而与以前的方案比起带给更佳的结果。

他们的展示器件尽管本身比目前最先进设备的微型光纤陀螺仪小500倍，但却需要检测比后者小30倍的光波，使这种光学陀螺性能的整体提高超过了一到两个数量级。该研究成果“具备互易灵敏度强化的纳米光子陀螺仪”公开发表于Nature杂志，他们在论文中详尽讲解了这种方案，有点类似于用于差分信号来避免共模电信号。与所有光学陀螺仪一样，他们的器件使用了相对论萨格纳克效应（SagnacEffect），通过测量由分束器从单一光源创立的两个偏移转动光波（一个作为参照路径，另一个作为信号路径）之间的比较光波，来确认角速度。

根据萨格纳克效应，两个偏移转动光波在同一个环路内沿忽略方向循行一周后进发，然后在屏幕上产生干预，当在环路平面内有转动角速度时，屏幕上的干预条纹将不会再次发生移动，萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之乘积成正比。这种光学陀螺仪的总体性能一般来说与路径长度密切相关，更长的路径获取更高的精度，而对两个路径之间动态差异的灵敏度略高于。通过在硅衬底中构建光波导来使路径微型化，而不是通过光纤长度或真空路径，意味著对任何与路径涉及的变化提升了灵敏度。光学陀螺仪和萨格纳克效应：硅基纳米光子波导在1550nm一处反对一种单模波导（a）；的环的转动引发两个偏移转动波之间的相位差（b）；在互易灵敏度强化技术中，输出信号在红色路径（顺时针传播）和蓝色路径（逆时针传播）之间转换。

为了解决问题这个问题，加州理工学院的团队用于了一种器件设计，它可以大大地以低于任何波动的速率交错光学路径（如上图右图）。穿越硅光波导的信号的“极性”被翻转，而不必须的热波动和失配等共模分量则被抵销。在这种情况下，“互易性”意味著陀螺仪光波导内的两个光束都以完全相同的方式受到误差的影响。

当然，其整体设计用于了一系列电子器件，还包括一对由光电二极管、跨阻放大器（TIA）和星型增益放大器（VGA），以及低通滤波器和调制构成的地下通道（如下图右图）。上图表明了：用作路径转换的输出Mach-Zehnder干涉仪（a）；一种实行的纳米光学陀螺仪示意图（b）；每个光信号皆由光电二极管捕捉，并由TIA和VGA信号链缩放，然后相乘并通过无源混频器除以参照频率，以萃取编码转动速率的幅度信息（c）。

这款由加州理工学院工程与应用科学系由电气工程与医学工程Bren教授AliHajimiri领导的研究团队生产的全构建光学陀螺仪，尺寸仅有为2mmx1mm。该团队指出，与用于非相干性光源或使用低损耗波导（一般来说必须有所不同的、更加无法生产的光波导芯和外壳材料）等方案比起，它们的互易灵敏度强化方案具备更大的优势和更加较低的复杂性。

此外，它需要检测到目前为止在硅基纳米光子学中构建的所有微型化方案中大于记录的光波（仅有3纳米弧度）。

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