據(jù)麥姆斯咨詢報道，由美國加州理工學院設計的一款面積僅為2平方毫米的硅基光學陀螺儀，得益于采用的一種噪聲自消除技術，克服了這類微型慣性單元中的主要誤差源。

微型陀螺儀以及加速度計是慣性導航的基礎元件，這些技術正在不斷發(fā)展。機械轉(zhuǎn)子和激光光學陀螺儀已經(jīng)在很多應用中被光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀取代，但光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀難以達到前者的精度指標。由于尺寸和光程長度引起的信噪比（SNR）降低以及熱波動、元件漂移和制造失配導致的二階和三階誤差，使光纖陀螺儀微型化的努力不斷受挫。

工程人員知道，通過使用前期或持續(xù)校準等技術，可以減少系統(tǒng)中的固有誤差。他們通過使用更好的元件和材料，以及設計一種能夠自我抵消誤差的架構(gòu)來最小化誤差的來源。后者或許是可行的最佳技術，采用這種思路，由Rothenberg創(chuàng)新計劃資助的一支加州理工學院的研究團隊，設計、制造并測試了一種硅基微型光學陀螺儀的新方案，該方案成本和負面效應很低，并能夠提供精確的性能指標。

這款由加州理工學院設計的光學納米陀螺儀的尺寸僅為2mm x 1mm，但由于采用了一種能夠消除主要誤差源的技術，因此具有出色的性能

他們的解決方案利用了其稱為無源光網(wǎng)絡的“互易性（reciprocity）”來大幅減少熱波動和失配，從而與以前的方案相比帶來更好的結(jié)果。他們的演示器件盡管本身比目前最先進的微型光纖陀螺儀小500倍，但卻能夠檢測比后者小30倍的相移，使這種光學陀螺性能的整體提升達到了一到兩個數(shù)量級。

該研究成果“具有互易靈敏度增強的納米光子陀螺儀”發(fā)表于Nature雜志，他們在論文中詳細介紹了這種方案，有點類似于使用差分信號來消除共模電信號。與所有光學陀螺儀一樣，他們的器件采用了相對論薩格納克效應（Sagnac Effect），通過測量由分束器從單一光源創(chuàng)建的兩個反向旋轉(zhuǎn)光波（一個作為參考路徑，另一個作為信號路徑）之間的相對相移，來確定角速度。根據(jù)薩格納克效應，兩個反向旋轉(zhuǎn)光波在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，當在環(huán)路平面內(nèi)有旋轉(zhuǎn)角速度時，屏幕上的干涉條紋將會發(fā)生移動，薩格納克效應中條紋移動數(shù)與干涉儀的角速度和環(huán)路所圍面積之積成正比。

這種光學陀螺儀的總體性能通常與路徑長度密切相關，更長的路徑提供更高的精度，而對兩個路徑之間動態(tài)差異的靈敏度略低。通過在硅襯底中集成光波導來使路徑微型化，而不是通過光纖長度或真空路徑，意味著對任何與路徑相關的變化提高了靈敏度。

光學陀螺儀和薩格納克效應：硅基納米光子波導在1550nm處支持一種單模波導（a）；環(huán)的旋轉(zhuǎn)引起兩個反向旋轉(zhuǎn)波之間的相位差（b）；在互易靈敏度增強技術中，輸入信號在紅色路徑（順時針傳播）和藍色路徑（逆時針傳播）之間切換

為了解決這個問題，加州理工學院的團隊使用了一種器件設計，它可以不斷地以高于任何波動的速率交替光學路徑（如上圖所示）。穿過硅光波導的信號的“極性”被反轉(zhuǎn)，而不需要的熱波動和失配等共模分量則被抵消。在這種情況下，“互易性”意味著陀螺儀光波導內(nèi)的兩個光束都以相同的方式受到誤差的影響。

當然，其整體設計使用了一系列電子器件，包括一對由光電二極管、跨阻放大器（TIA）和可變增益放大器（VGA），以及低通濾波器和解調(diào)組成的通道（如下圖所示）。

上圖顯示了：用于路徑切換的輸入Mach－Zehnder干涉儀（a）；一種實施的納米光學陀螺儀示意圖（b）；每個光信號均由光電二極管捕獲，并由TIA和VGA信號鏈放大，然后相加并通過無源混頻器乘以參考頻率，以提取編碼旋轉(zhuǎn)速率的幅度信息（c）

這款由加州理工學院工程與應用科學系電氣工程與醫(yī)學工程Bren教授Ali Hajimiri領導的研究團隊制造的全集成光學陀螺儀，尺寸僅為2mm x 1mm。該團隊認為，與使用非相干光源或采用低損耗波導（通常需要不同的、更難以制造的光波導芯和包覆材料）等方案相比，它們的互易靈敏度增強方案具有更大的優(yōu)勢和更低的復雜性。此外，它能夠檢測到目前為止在硅基納米光子學中實現(xiàn)的所有微型化方案中最小記錄的相移（僅3納米弧度）。