从高端应用迈向大众市场的硅基光电子陀螺仪技术
引言光学陀螺仪将经典物理原理与现代技术创新完美结合。这种精密仪器利用20世纪初发现的萨格纳克效应（Sagnac effect）工作。由于成本和复杂性限制，光学陀螺仪一直局限于高端应用领域。但是，硅基光电子技术的最新进展正在改变这一现状，使这种高性能传感器能够进入大众市场。
光学陀螺仪的工作原理及重要性
光学陀螺仪基于萨格纳克效应运行，这种物理现象能够实现极其精确的角速率测量，精度优于十亿分之一。这种出色的精度使光学陀螺仪，特别是光纤陀螺仪（FOGs）在GPS长期不可用的情况下，在惯性导航系统中占据主导地位。
传统光学陀螺仪的生产量相对较小，仅有数百万台，主要用于可以承受其高昂成本的特定高性能应用。相比之下，微机电系统（MEMS）陀螺仪的年产量达数十亿台，通过三维微加工机械结构的物理位移来检测运动。
工业自动化推动技术创新
自主导航技术正在快速发展，工业应用走在最前沿。虽然自动驾驶乘用车吸引了公众的目光，但真正的革新正在工业领域发生。建筑设备、农业机械和无人机正在引领自主开发的潮流，这些应用需要在严苛环境下进行精确的车辆操作。
高性能惯性测量单元（IMU）市场规模达30亿美元，其中工业领域的增长速度是航空航天和国防应用的五倍。主要工业企业，如约翰迪尔（John Deere）正积极拥抱这一转变，认识到先进传感技术在"养活世界、建设世界"愿景中的关键作用。
MEMS技术的局限性
自20世纪90年代商业化以来，MEMS传感器取得了显着进步，但仍面临多个持续性挑战。高端MEMS器件的运行偏差稳定性可达每小时小于1度，但这种性能维持时间较短。每10至100秒就需要使用GPS等外部传感器进行在线校准才能保持精度。
此外，提升MEMS器件性能通常需要更大、更灵活的机械结构。这种设计使其更容易受到振动影响，并在冲击条件下可能发生"粘滞失效"。另外，高性能MEMS传感器需要真空封装，导致成本显着高于智能手机中使用的消费级传感器。
硅基光电子技术解决方案
ANELLO Photonics公司正在利用硅基光电子技术开发创新方案，实现光纤陀螺仪的微型化和经济化。该公司的创新集中在两种关键的光电子集成芯片（PIC）上。第一种集成了专门针对陀螺仪应用优化的有源光学组件，第二种采用独特的氮化硅波导工艺，实现了世界纪录级的低光学损耗。
这项技术突破使得制造长达50米的集成波导成为可能，同时保持最小的插入损耗和紧凑的形状因素。该工艺已获得广泛认可，现已成为Tower Semiconductor的标准工艺，并在激光雷达和光量子技术等领域得到应用。
惯性导航的未来发展
传统光学陀螺仪设计的持久性令人印象深刻——诺思罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）推出的LN-200光纤陀螺仪惯性测量单元在三十年间基本保持不变，在高端应用中持续受欢迎。而硅基光电子技术的融入将推动这项技术走向大众化，使光学陀螺仪的卓越性能惠及更广泛的应用领域。
这一技术进步恰逢工业自动化对精度和可靠性要求提升之际。硅基光电子技术与光学陀螺仪技术的结合能够在恶劣环境下实现持续的厘米级精确定位，完全满足工业自动化领域日益增长的需求。
参考来源
M. Paniccia, "Reinventing the Optical Gyroscope with Silicon Photonics," ANELLO Photonics Blog, Jan. 19, 2023. . Available: https://www.anellophotonics.com/blog/reinventing-the-optical-gyroscope-with-silicon-photonics. .
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