陀螺儀是幫助車輛，無人機和可穿戴設備以及手持式電子設備了解其在三維空間中的方向的設備。它們在我們每天依賴的幾乎所有技術中都很常見。最初，陀螺儀是一組嵌套的輪子，每個輪子在不同的軸上旋轉。但是今天開了一部手機，你會發(fā)現(xiàn)一種微電子機械傳感器(MEMS)，它是現(xiàn)代的等效傳感器，可以測量作用在兩個相同質(zhì)量上的力的變化，這兩個質(zhì)量是在相反方向上振蕩和運動的。這些MEMS陀螺儀的靈敏度受到限制，因此光學陀螺儀已被開發(fā)用于執(zhí)行相同的功能，但沒有移動部件，并且使用稱為Sagnac效應的現(xiàn)象具有更高的精度。

什么是Sagnac效應?

Sagnac效應以法國物理學家Georges Sagnac的名字命名，是一種植根于愛因斯坦廣義相對論的光學現(xiàn)象。為了創(chuàng)建它，一束光被分成兩束，并且雙束沿著圓形路徑以相反的方向行進，然后在相同的光檢測器處相遇。光以恒定的速度傳播，因此旋轉設備 - 以及光傳播的路徑 - 使兩個光束中的一個光束在另一個之前到達檢測器。通過每個定向軸上的環(huán)路，這種相移(稱為Sagnac效應)可用于計算方向。

問題

目前市場上最小的高性能光學陀螺儀比高爾夫球大，不適合許多便攜式應用。隨著光學陀螺儀越來越小，捕獲Sagnac效應的信號也越來越小，這使得陀螺儀檢測運動越來越困難。到目前為止，這阻止了光學陀螺儀的小型化。

本發(fā)明

由工程和應用科學部電氣工程和醫(yī)學工程Bren教授Ali Hajimiri領導的Caltech工程師開發(fā)出一種新型光學陀螺儀，它比目前最先進的設備小500倍，但他們可以檢測到相移比這些系統(tǒng)小30倍。新設備在11月出版的Nature Photonics上發(fā)表的論文中有所描述。

這個怎么運作

來自Hajimiri實驗室的新型陀螺儀采用了一種稱為“相互靈敏度增強”的新技術，從而實現(xiàn)了這種改進的性能。在這種情況下，“倒數(shù)”意味著它以相同的方式影響陀螺儀內(nèi)的兩個光束。由于Sagnac效應依賴于檢測兩個光束在相反方向上行進時的差異，因此它被認為是非互易的。在陀螺儀內(nèi)部，光線通過微型光學波導(攜帶光的小導管，執(zhí)行與電線相同的功能)。光路中可能影響光束的缺陷(例如，熱波動或光散射)和任何外部干擾將同樣影響兩個光束。

Hajimiri的團隊找到了一種方法來消除這種倒數(shù)噪聲，同時保留Sagnac效應的信號。相互的靈敏度增強因此改善了系統(tǒng)中的信噪比，并使光學陀螺儀能夠集成到小于一粒米的芯片上。