干涉式光学陀螺仪的微型化

逍遥设计自动化

引言
陀螺仪作为测量角速度的惯性传感器，在现代工业中扮演着关键角色。从航空航天到消费电子，从医疗设备到自动驾驶汽车，陀螺仪的应用范围持续扩大。现代陀螺仪技术主要基于两种物理效应：科里奥利效应和萨格纳克效应。科里奥利效应在外部旋转时产生机械共振模式间的能量耦合，而萨格纳克效应则在旋转系统中产生对向传播光束的相位差。
2 h  \$ H& j. F
市场对微型化高性能陀螺仪的需求日益增长。特别是在导航级应用中，业界追求将体积控制在100立方厘米以下的惯性测量单元，同时保持较低的重量和功耗指标。这种小型化趋势正推动着新一代导航系统的研发[1]。
' A0 N* e( N$ o

1gm24otnb2j64046320542.png

图1：市场现有陀螺仪性能分布图，展示运行偏差稳定性与IMU/INS的尺寸、重量、功耗关系。标注星号处为微型化导航级陀螺仪的目标参数。
1 M4 a6 {8 e; Y0 P/ V2 C
工作原理
萨格纳克效应构成了干涉式光学陀螺仪的核心原理。当光在旋转系统中沿闭合路径双向传播时，旋转会导致两个方向的光程差异：同向传播光程增加(+ΔS)，反向传播光程减少(-ΔS)。这种光程差最终转化为可测量的相位差，其大小与系统的旋转角速度和光路包围面积直接相关。

ov4wmxzdqt364046320642.png

图2：旋转系统中光程变化示意图，清晰展示了同向和反向传播光束受旋转影响的路径变化。

" D8 Z7 Y, \- P2 F2 a( o. S% q- X& a一个完整的干涉式光学陀螺仪系统需要多个精密光学组件协同工作。系统采用宽带光源以降低相干噪声，通过光耦合器实现光路的互易性配置。偏振器确保光波相位的均匀性，分光器将光分为两束进行对向传播。相位调制器用于信号调制和解调，最终由光电探测器接收干涉信号并转换为电信号进行处理。

1lykh2otmvh64046320742.png

srscxcriwic64046320842.png

图3：光纤陀螺仪的系统架构，包括从光学元件到电子处理单元的完整信号链路。

噪声来源与抑制机制
( t' g7 H3 E  \$ N/ m4 e干涉式光学陀螺仪的性能受多种噪声源影响。光电探测器产生的散粒噪声是基础性的量子噪声，这种噪声与接收到的光功率直接相关。系统中的偏振耦合会引入额外的相位噪声，特别是在光纤弯曲或受到机械应力时更为明显。瑞利背向散射源于光纤材料的微观不均匀性，会造成信号串扰。
1 K0 J& ^+ O* T3 J
温度梯度引起的Shupe效应对系统稳定性构成重大挑战。温度变化导致光纤折射率和物理长度改变，进而影响测量精度。克尔效应则源于光纤的非线性特性，在高功率下表现显著。外部磁场通过法拉第效应影响光的传播特性，而光源的波长漂移也会引入测量误差。
3 y" M- m' T9 d* a# ~

c1lup2cylbz64046320942.png

8 C* C2 _" u" T图4：干涉信号特性曲线，展示光功率与相位差的定量关系，对理解系统性能很重要。
7 l7 H$ A1 V  M5 A/ o+ V. K
0 I  I& m$ ~  O5 p

nn3ijqzt2g564046321042.png

7 l5 {+ ~# \+ [; j- j) x7 u% H# h: e图5：开环与闭环系统配置的信号对比，说明了不同工作模式下的信号处理方式。

. D2 F/ {# v8 J微型化技术路线
光纤线圈优化
6 ^. x4 I" G' C光纤线圈的设计需要在多个技术参数间取得平衡。保偏光纤的选择对系统性能有决定性影响，现代保偏光纤采用多种应力诱导结构实现高双折射特性。正确的线圈绕制方式可以有效抑制Shupe效应，常用的四极绕制和八极绕制技术能显著提升温度稳定性。
" B# \. h' {, Z( U- e$ B

dm304q0a00v64046321142.png

& a9 V1 \/ a/ S4 o, I, T% k图6：各类高双折射保偏光纤的横截面结构，展示不同应力诱导机制。

w0d501juznp64046321242.png

8 ^7 Z) w. B6 ~图7：新型光子晶体光纤的结构特征及其在陀螺仪中的实际应用。

光电子集成技术
光电子集成技术为陀螺仪微型化提供了新的解决方案。多芯光纤技术通过在单根光纤中集成多个光波导，大幅减小了系统体积。硅基光电子平台能够在芯片尺度上实现复杂的光学功能，包括分光、调制和探测等。

d3sjxfz3dpe64046321342.png

* y: W) L7 t* g: [! o图8：多芯光纤系统架构，包括光信号的扇入扇出结构设计。
7 I0 d( w$ }- Z

teom2ou1z1e64046321443.png

图9：InP基光电子集成平台的结构示意，展示了各功能单元的集成方案。
( [! C+ [9 V( c4 x! Y' u9 ]
技术发展趋势
- D" x( D, M" j1 B芯片级布里渊激光陀螺仪代表了微型化的最新进展。这种设计通过将激光器、光学谐振腔和检测系统集成在单个芯片上，实现了超小型化。性能评估显示，这类器件在保持小型化的同时，仍能达到较高的测量精度。
; s4 a! y2 C2 ^, N

cufwqww3cyy64046321543.png

7 _) z" G2 B4 r1 ?8 U8 @4 |5 \* p图10：芯片级布里渊激光陀螺仪的结构设计和性能数据，包括详细的艾伦方差分析。

光电子和电子器件的深度集成是未来发展的重点方向。这种集成不仅能减小系统体积，还能提高信号处理效率，降低功耗。随着制造工艺的进步，集成化陀螺仪将在自主导航、航天器姿态控制等领域发挥更大作用。
1 V8 q$ u2 K7 U; [, u
/ b$ G6 W. R0 {  [2 H% s, d参考文献
5 S5 ?+ J# k/ n2 g2 c) u; ^' K[1] Dell’Olio, Francesco & Natale, Teresa & Wang, Yen-Chieh & Hung, Yung-Jr. (2023). Miniaturization of Interferometric Optical Gyroscopes: A Review. IEEE Sensors Journal. PP. 1-1. 10.1109/JSEN.2023.3327217.
0 W2 E4 l# _0 u; }
& i& A$ p3 p# f) b- |# ^1 ZEND


软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
5 e' t6 n+ H1 D# |0 p8 O
% j+ }1 ^1 Z; H4 j) I欢迎转载
, s* x! E/ a7 a6 }
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

* O  _5 K8 C8 z! h2 J

! S, M# w0 {4 ~+ p- p9 G# k8 u

kzve2rbwoay64046321643.gif

+ Y+ s' z3 f4 m4 |3 S
) ?6 c, Z& c. k- v关注我们

7 B' r" h/ A3 Y: ^/ |/ W" ` ys1gp5rzvb564046321743.png

rp0lqjrwfxn64046321843.png & R0 p) @0 K# `' i9 ]: ]

c503uhcl01364046321943.png

                     
" a& v+ j( X( d( ~

& |* a* t9 ^) O4 w& |
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

* |1 H+ O& p" h, F. Q! Lhttp://www.latitudeda.com/
9 b* r" e; l6 F# e（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）