物理学和高新技术 集成光学陀螺及相关技术研究的现状与展望* 邓思盛肖志松+燕路黄安平 (北京航空航天大学物理科学与核能工程学院北京100191) 摘要陀螺技术作为惯性导航的重要组成部分已广泛应用于国民经济和军事工业的众多领域，文章综述了包括 机械陀螺，光学陀螺和原子陀摞在内的陀螺技术的发展过程和基木特点，着重论述了集成光学陀螺及其相关技术研 究的现状与发展趋势，通过对比各种类型陀螺的性能特点，结合导航技术的发展趋势，展望了各种驼螺在相应领域的 发展前景。 关键词 惯性导航，机械陀螺，光学陀螺，原子陀螺，集成光学，光波导 The status and prospects of integrated optical gyroscopes and related topics DENG Si-Shene XIAO Zhi-Sone'YAN Lu HUANG An-Ping Abstract As an essential part of inertial navigation technology.gyroscopes have been explored extensive ly in many industrial and defense fields.This paper reviews the development and characteristics of mechani cal,optical and atomie gyroscopes.focusing on the development of integrated optical waveguide gyro scopes.With regard to future navigation technology,the prospective applications of various types of gyro scopes in specific areas are discusssed by comparing their relative advantages and disadvantages. Keywords inertial navigation,mechanical gyroscope.optical gyroscope,atomie gyroscope,integrated op- ies.optical waveguide 动性而制成的敏感角速率或角位移的装置习，早在 1852年，法国物理学家傅科提出建立陀螺仪 1应用广泛的陀螺技术概述 (Gyroscope)的设想，虽然他的陀螺仪实验未能取得 预期的效果，但为日后机械驼摆技术的发展一可和 导航技术是从人类航海的需求和实践中发展起 应用莫定了基础.进入20世纪之后，机械陀螺技术 来的四.从最早的罗盘到无线电导航，再到惯性导航 在军事、工业等需求的刺激下得到了快速的发展，相 和卫是导航技术，伴随着导航技术的讲步，它的应用 维出现了浮力陀螺和静电陀螺(ESG),前者包括液 范围越来越广，在国防和国民经济中起着越来越重 浮陀螺、气浮陀螺、磁悬浮陀螺等.这两种陀螺有着 要的作用。 相对复杂的结构和精密的部件，所以价格昂贵，但同 因此，作为惯性导航技术重要组成部分的陀螺 时也拥有极高的精度，至今仍在很多领域发挥着不 有着十分重要的研究价值.经过一百多年的发展，目 *国家白然科学基金（批准号：11074020）、航空科学基金（批准号： 前已经得到广泛应用的陀蝶主要有两大类：机械能 2010么51035).中央高等学校基本科研业务费专项（批准号： 螺和光学陀螺 YWF10-01-A20)资助项目 1.1机械陀螺 2011-03-05收到 机械陀螺，是一种利用机械转子的定向性和进 ↑通讯联系人.Email:zsxiao(@buaa.edu.cn ·179 http://www.enki.net
物理·４１卷 （２０１２年）３期 ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ 物理学和高新技术 集成光学陀螺及相关技术研究的现状与展望＊ 邓思盛 肖志松 燕 路 黄安平 （北京航空航天大学物理科学与核能工程学院 北京 １００１９１） 摘 要 陀螺技术作为惯性导航的重要组成部分已广泛应用于国民经济和军事工业的众多领域．文章综述了包括 机械陀螺、光学陀螺和原子陀螺在内的陀螺技术的发展过程和基本特点，着重论述了集成光学陀螺及其相关技术研 究的现状与发展趋势．通过对比各种类型陀螺的性能特点，结合导航技术的发展趋势，展望了各种陀螺在相应领域的 发展前景． 关键词 惯性导航，机械陀螺，光学陀螺，原子陀螺，集成光学，光波导 Ｔｈｅｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ ａｎｄｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｉｃｓ ＤＥＮＧ Ｓｉ－Ｓｈｅｎｇ ＸＩＡＯ Ｚｈｉ－Ｓｏｎｇ ＹＡＮ Ｌｕ ＨＵＡＮＧ Ａｎ－Ｐｉｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＮｕｃｌｅａｒＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓａｎｅｓｓｅｎｔｉａｌｐａｒｔｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｐｌｏｒｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅ－ ｌｙｉｎｍａｎｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｄｅｆｅｎｓｅｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｅｃｈａｎｉ－ ｃａｌ，ｏｐｔｉｃａｌａｎｄａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ，ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｇｙｒｏ－ ｓｃｏｐｅｓ．Ｗｉｔｈｒｅｇａｒｄｔｏｆｕｔｕｒｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｇｙｒｏ－ ｓｃｏｐｅｓｉｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｒｅａｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｓｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｉｒｒｅｌａｔｉｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ｏｐｔｉｃａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐ－ ｔｉｃｓ，ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ ＊ 国家自然科学基金（批准号：１１０７４０２０）、航空科学基金（批准号： ２０１０ＺＣ５１０３５）、中央高 等 学 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 （批 准 号： ＹＷＦ－１０－０１－Ａ２０）资助项目 ２０１１－０３－０５收到 通讯联系人．Ｅｍａｉｌ：ｚｓｘｉａｏ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ １ 应用广泛的陀螺技术概述 导航技术是从人类航海的需求和实践中发展起 来的［１］ ．从最早的罗盘到无线电导航，再到惯性导航 和卫星导航技术，伴随着导航技术的进步，它的应用 范围越来越广，在国防和国民经济中起着越来越重 要的作用． 因此，作为惯性导航技术重要组成部分的陀螺 有着十分重要的研究价值．经过一百多年的发展，目 前已经得到广泛应用的陀螺主要有两大类：机械陀 螺和光学陀螺． １．１ 机械陀螺 机械陀螺，是一种利用机械转子的定向性和进 动性而制成的敏感角速率或角位移的装置［２］ ．早在 １８５２年，法国物理学家傅科提出建立陀螺仪 （Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）的设想，虽然他的陀螺仪实验未能取得 预期的效果，但为日后机械陀螺技术的发展［１—４］和 应用奠定了基础．进入２０世纪之后，机械陀螺技术 在军事、工业等需求的刺激下得到了快速的发展，相 继出现了浮力陀螺和静电陀螺（ＥＳＧ），前者包括液 浮陀螺、气浮陀螺、磁悬浮陀螺等．这两种陀螺有着 相对复杂的结构和精密的部件，所以价格昂贵，但同 时也拥有极高的精度，至今仍在很多领域发挥着不 · ９７１ ·
物理学和高新技术 可梦代的作用之后又发展出了振动武陀螺.其其本 梁结构的振动来避免它的“闭锁”现象，因而激光陀 工作原理是检测陀螺仪中的振动模块获得的科氏加 摆还不是全周本仪表 速度的大小，该加速度与其旋转坐标系的旋转速 进 步发展的光纤陀螺得益于20世纪70年代 成比例，振动式陀螺包括半球谐振陀螺仪(HRG) 光纤技术的进步，特别是低损耗光纤的出现，它具有 石英音叉振动式陀螺仪(QVG)以及微机域电子系 更小的体积、更经的质量、更低的成本、没有云动部 统(MEMS)陀螺仪（简称微机电陀螺）)等.其中微 件等优点，是 种真正的全固态仪表.自1976年 机电陀螺是伴随着21世纪微纳米加工技术的发展 国犹他州立大学的Vali和Shorthill等人研制成功 而出现的新一代微型机械陀螺，是近年来微机械电 第一个光纤驼螺(F0G)以来[幻，光纤陀螺已经发展 子系统领域研究的一个热点，由于其体积小、重量 了30多年，共发展出了干涉式(IFOG)、谐振式 轻、成本低、可靠性高、易批量生产等特点，受到了世 (RFOG)和受激布里渊散射式光纤陀螺(BFOG)三 界的广泛关注 类1FOG(篇称为F()G)通过测量闭合光路中沿相 因此，机根陀螺经历了从陀螺罗经（它结合陀螺 反方向传插的两束光由于Sagnac效应积累的相位 仪的定向性，是可用于提供方向基准的位器)，浮力 差值而得到系统旋转的角速度，是 种相位敏感器 陀螺，静电陀螺到微机电陀螺的发展历程.虽然它们 件.FOG产生的Sagnac相位差与闭合光路的面彩 的工作机制、结构形态、成本以及精度都各不相同 和光纤的长度成正比，而相位差值越大，F)G精度 但所有机械陀螺都有着一个共同特点，即包含可活 就越高.这使得干涉式光纤陀螺具有很好的设 动的部件，并通过转子或振动模块的运动所产生的 活性，可以根据应用精度的不同，通过改变光纤长度 物理效应来测量旋转机械陀螺存在机械运动，因而 调整密望的侧量精度)(G:技术即已完全成熟，角 也就存在若磨损，这也就必然会影响系统的使用寿 速度探测精度已达到104(/h,拥有了相当大的 命，而且会限制其在高加速度及强振动环境中的应 产业化规模.RFOG则是 一种频率敏感器件，根 用等，这一系列问题便促进了另一种全新概念的陀 Sagnac效应，在旋转的环形谐振脖中，反向传播的 螺 光学陀螺的诞生 两束相干光具有不同的谐振频率，根据其频率差值 1.2光学陀摆 即可得到系统旋转的角速度 与FOG相比，RFO 光学陀螺主要有三大类，激光驼螺、光纤陀爆和 仅需要较短的光纤长度，从而降低了由长光纤所带 集成光学陀螺.其中激光陀螺和光纤陀螺已经得至 来的多种噪声，因此有更高的极限灵敏度，但目前 广泛应用，集成光学陀螺目前正处在研究开发阶段 ROG仍存在着高相干光源小型化封装，谐振腔精细 具有良好的应用前景，本文第二节将重点介绍。 度等技术问恶，尚未得到广泛的应用.而BFOG则 光学陀螺是一种利用萨格奈克(Sagnac)效应 还处于基础研究阶段，还有许多间票需要探索 测量旋转角速率的新型惯性仪表.所谓 美国是世界上先研制光纤陀螺的国家，H 是指：如果一个任意几何形状的闭合光学环路相为 eyw orthrop Grumman(2001年兼并了Litto 惯性系沿某一方向转动，那么在此光路中沿相反方 公司成为其导航部门)、KVH等公司的研发水平代 向传播的两束光绕行一周后，所积累的相位差与系 统转的角速度直接相关 表了国际上光纤陀螺技术的先进水平，还有众多机 基于这一事实，法国学者 构诸如日本的JAE、 E菱、日立公司，法国的XSEA Sagnac于1913年提出了环形干涉仪可以作为一个 和CEA-Leti公可，俄罗斯的Optolink公司等也是 测量旋转的传感器的想法，这便是光学陀摆的最初 研究和生应光纤陀蝶的主要企业，我国目前已有部 设想 分光纤陀螺仪关键技术及器件水平已达到或超过了 随着20世纪60年代激光的出现，首个激光陀 国外同类产品的水平 螺实验很快就由Macek和Davis完成，环形激光 陀螺就此白告诞生，这标志着以Sagnac效应为基础 的光学陀螺取得了实质性的进展。目前，激光陀螺技 2 集成光学陀螺及相关研究的现状与 术已经完全成熟，并在许多惯性导航领域特别是高 展望 精度领域得到应用.相对机械陀螺而言，激光陀螺取 消了机械陀摆高速旋转的“转子”，使其结构得到了 导航技术应用领域的不断拓展与深化，给不后 极大的简化，但在通常情况下，激光陀螺需采用悬 领域内应用的光学陀螺提出了更新和更高的要求 China cademie Joum House All riohts reserved hp物理：1卷(2012年3斯
ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ 物理·４１卷 （２０１２年）３期 可替代的作用．之后又发展出了振动式陀螺，其基本 工作原理是检测陀螺仪中的振动模块获得的科氏加 速度的大小，该加速度与其旋转坐标系的旋转速率 成比例．振动式陀螺包括半球谐振陀螺仪（ＨＲＧ）、 石英音叉振动 式 陀 螺 仪（ＱＶＧ）以 及 微 机 械 电 子 系 统（ＭＥＭＳ）陀螺仪（简称微机电陀螺）［５］等．其中微 机电陀螺是伴随着２１世纪微纳米加工技术的发展 而出现的新一代微型机械陀螺，是近年来微机械电 子系统领域 研 究 的 一 个 热 点，由 于 其 体 积 小、重 量 轻、成本低、可靠性高、易批量生产等特点，受到了世 界的广泛关注［６］ ． 因此，机械陀螺经历了从陀螺罗经（它结合陀螺 仪的定向性，是可用于提供方向基准的仪器）、浮力 陀螺、静电陀螺到微机电陀螺的发展历程．虽然它们 的工作机制、结构形态、成本以及精度都各不相同， 但所有机械陀螺都有着一个共同特点，即包含可活 动的部件，并通过转子或振动模块的运动所产生的 物理效应来测量旋转．机械陀螺存在机械运动，因而 也就存在着磨损，这也就必然会影响系统的使用寿 命，而且会限制其在高加速度及强振动环境中的应 用等，这一系列问题便促进了另一种全新概念的陀 螺———光学陀螺的诞生． １．２ 光学陀螺 光学陀螺主要有三大类：激光陀螺、光纤陀螺和 集成光学陀螺．其中激光陀螺和光纤陀螺已经得到 广泛应用，集成光学陀螺目前正处在研究开发阶段， 具有良好的应用前景，本文第二节将重点介绍． 光学陀螺是一种利用萨格奈克（Ｓａｇｎａｃ）效应［７］ 测量旋转角速率的新型惯性仪表．所谓Ｓａｇｎａｃ效应 是指：如果一个任意几何形状的闭合光学环路相对 惯性系沿某一方向转动，那么在此光路中沿相反方 向传播的两束光绕行一周后，所积累的相位差与系 统旋转的角速度直接相关．基于这一事实，法国学者 Ｓａｇｎａｃ于１９１３年提出了环形干涉仪可以作为一个 测量旋转的传感器的想法，这便是光学陀螺的最初 设想． 随着２０世纪６０年代激光的出现，首个激光陀 螺实验［８］很快就由 Ｍａｃｅｋ和 Ｄａｖｉｓ完成，环形激光 陀螺就此宣告诞生，这标志着以Ｓａｇｎａｃ效应为基础 的光学陀螺取得了实质性的进展．目前，激光陀螺技 术已经完全成熟，并在许多惯性导航领域特别是高 精度领域得到应用．相对机械陀螺而言，激光陀螺取 消了机械陀螺高速旋转的“转子”，使其结构得到了 极大的简化，但在通常情况下，激光陀螺需采用悬臂 梁结构的振动来避免它的“闭锁”现象，因而激光陀 螺还不是全固态仪表． 进一步发展的光纤陀螺得益于２０世纪７０年代 光纤技术的进步，特别是低损耗光纤的出现，它具有 更小的体积、更轻的质量、更低的成本、没有运动部 件等优点，是一种真正的全固态仪表．自１９７６年美 国犹他州立大学的 Ｖａｌｉ和 Ｓｈｏｒｔｈｉｌｌ等人研制成功 第一个光纤陀螺（ＦＯＧ）以来［９］，光纤陀螺已经发展 了３０ 多 年，共发展出了干涉式 （ＩＦＯＧ）、谐 振 式 （ＲＦＯＧ）和受激布里渊散射式光纤陀螺（ＢＦＯＧ）三 类．ＩＦＯＧ（简称为 ＦＯＧ）通过测量闭合光路中沿相 反方向传播的两束光由于 Ｓａｇｎａｃ效应积累的相位 差值而得到系统旋转的角速度，是一种相位敏感器 件．ＦＯＧ 产生的 Ｓａｇｎａｃ相位差与闭合光路的面 积 和光纤的长度 成 正 比，而 相 位 差 值 越 大，ＦＯＧ 精 度 就越高．这使得干涉式光纤陀螺具有很好的设计灵 活性，可以根据应用精度的不同，通过改变光纤长度 调整陀螺的测 量 精 度．ＦＯＧ 技 术 现 已 完 全 成 熟，角 速度探测精度已达到１０－４（°）／ｈ，拥有了相当大的 产业化规模．ＲＦＯＧ 则 是 一 种 频 率 敏 感 器 件，根 据 Ｓａｇｎａｃ效 应，在 旋 转 的 环 形 谐 振 腔 中，反 向 传 播 的 两束相干光具有不同的谐振频率，根据其频率差值 即可得到系统旋 转 的 角 速 度．与 ＦＯＧ 相 比，ＲＦＯＧ 仅需要较短的光纤长度，从而降低了由长光纤所带 来的多种噪 声，因 此 有 更 高 的 极 限 灵 敏 度，但 目 前 ＲＯＧ 仍存在着高相干光源小型化封装、谐振腔精细 度等技术问 题，尚未得到广泛的应用．而 ＢＦＯＧ 则 还处于基础研究阶段，还有许多问题需要探索． 美国是世界上率先研制光纤陀螺的国家，Ｈｏｎ－ ｅｙｗｅｌｌ、ＮｏｒｔｈｒｏｐＧｒｕｍｍａｎ（２００１年 兼 并 了 Ｌｉｔｔｏｎ 公司成为其导航部门）、ＫＶＨ 等公司的研发水平代 表了国际上光纤陀螺技术的先进水平．还有众多机 构诸如日本的ＪＡＥ、三菱、日立公司，法国的ＩＸＳＥＡ 和 ＣＥＡ－Ｌｅｔｉ公司，俄 罗 斯 的 Ｏｐｔｏｌｉｎｋ公 司 等 也 是 研究和生产光纤陀螺的主要企业．我国目前已有部 分光纤陀螺仪关键技术及器件水平已达到或超过了 国外同类产品的水平． ２ 集成光学陀螺及相关研究的现状与 展望 导航技术应用领域的不断拓展与深化，给不同 领域内应用的光学陀螺提出了更新和更高的要求． · ０８１ · 物理学和高新技术
物理学和高新技术 这些要求中有几项指标格外引人注目，那就是低成 展，使得人们可以在诱明材料如玻璃中直接刻写光 本、集成化、轻质小型化、低功耗 可大规模生 产等 波导结构，这些技术的发展还使得人们可以把玻璃 回顾近年来光子技术的发展不难发现，其革命性突 作为基质材料，并在其中利用上述方法制备光波导 破已使集成光子材料、器件、乃至系统的应用成为可 结构，确切地说，就是利用飞秒激光超知脉冲聚焦到 能纷繁多样日具有石大应用前景的材料、器件和系 玻脑内部，在焦点区域生非线性吸收，引起材料 统的研究吸引着全世界科学研究者的日光.集成光 构变化，进而产生正折射率变化，从而实现不同方包 学陀螺（或者说集成惯性导航系统）就是其中之 (深度)、不同尺寸（模式）的被导结构.玻璃材料因制 千是，生成光学驼螺的研究应云而生 备工艺简单、成本低廉而为制造低成本光集成器件 光学陀螺已经历了从激光陀螺、光纤陀螺到集 提供了很好的选择，并且玻璃材料还能方便地利用 成光学陀螺的发展历程。而这里所说的集成大致可 稀土掺杂等方式引入光增益。美国密敬根大学的 分为两个阶段：第一是部分光子集成阶段，包括采用 Winick研究组即利用银离子交换技术在玻璃材料 体积更小的部件，设计更紧凑的结构，将部分原本分 中制备了直径为1.6cm的有源谐振环结构（见图 离的光学元件集成到 块或多块芯片上，即用多功 1),并指出引入的光增益有望大幅地提高集成光 能集成光学芯片代替多个分离元件的功能，从而 波导陀螺的精度，此外，也可以利用玻璃体材料的性 定程度上减小系统的体积和成本：第二则是全光 质，在其内部制备且有三准结炮的光波导，为共成化 子生成阶段，即实现全部器件的单片生成，也就是将 光波导陀提供了一种新思路，德国的研究人员 不同的分离器件包括光源、波导环、探测器等集成有 e等利用飞秒激光制备了第 个真正意义上 同一芯片中，以减小器件体积，降低成本 ,实现规 维集成光器件，他们制作了 一种1×3的分束器，向 化牛产目前，光纤驼螺已开始向光路的华成化方向 人们展示了利用飞砂激光实即三维光华成的市 发展，其且体目标品将光纤中除光源和探测器 景我们认为，这些技术的发居，将会更方地 以外的其他光路器件集成在 个芯片上，采用光波 现空间 维结构的集成光波导陀螺以上这些成 导代替光纤构建集成光波导陀螺(W)G).但是，集 果应该也可以在同为透明材料的聚合物材料上实 成化发展的过程中有一个重要的共性问题，这就是 现，而聚合物材料有着优良的光电特性，有极强的可 各种光器件对应的材料体系不同，从而使集成制造 塑性和良好的加工性，因而利用聚合物制作用于陀 工艺极为复杂和困难，解决这 问愿的关键是选用 螺的光波导也逐渐成为 一个研究的热点 合适的集成芯片的基础材料 光波导是平面光路技术的核心组件，利用光波 导代昔光纤构建陀螺成为光学陀螺集成化的 要突破口，根据光波导理论，材料之间存在折射率方 是构成光波导的最基本的条件，以高折射率材料后 波导芯风，低折射表材料做波导限制层，两者折射南 差越大，限制光的能力就越强。目前的光波导基底材 图1利用离子交换技术制各的玻璃中的谐环结构 料体系主要包括玻璃、铌酸锂(LNb),)、硅材料、有 机襄合物、Ⅲ一V族化合物半导体等，其中银酸钾品 2.2 硅基光波导陀螺 体有若很好的由光效应，更话合制作调制器，如日 近期，随着世界上第一台硅基拉曼连续激光 己广泛使用的Y型波导.Ⅲ V族化合物半导体是 器灯的出现以及硅基高速遇制器和探测器[可的研 有源光子器件的重要材料可，最近还有有关在磷化 发取得大讲展，使整个光被导陀螺光路中的关糖 镓(GaP)波导上制作高效率的90°弯曲波导的报 器件都可以在硅基材料上制造，正如前文所述，不同 道)，这些成果表明，Ⅲ一V族化合物半导体在未 材料体系的光器件很难集成在同一芯片上，这些成 米集成光波导陀螺的研究中具有巨大的应用潜力 果就使得硅基光波导具有强大的集成化优势.而且， 但目前的研究还主要集中在玻璃、聚合物和硅基材 由于Si与Si0极高的折射率错配(m=3.45,m 料上 45)的优点，使得光被紧束缚在波导中，从而可 2.1 玻璃和聚合物基光波导陀螺 以大幅度地减小硅基光子器件的尺寸，再加上硅材 飞秒激光以及离子交换技术的出现与发 料具有成熟的微加工工艺，所以，硅材料（特别是绝 1994.物理41卷(201年)3期 181 http /www.enki
物理·４１卷 （２０１２年）３期 ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ 这些要求中有几项指标格外引人注目，那就是低成 本、集成化、轻质小型化、低功耗、可大规模生产等． 回顾近年来光子技术的发展不难发现，其革命性突 破已使集成光子材料、器件、乃至系统的应用成为可 能．纷繁多样且具有巨大应用前景的材料、器件和系 统的研究吸引着全世界科学研究者的目光．集成光 学陀螺（或者说集成惯性导航系统）就是其中之一． 于是，集成光学陀螺的研究应运而生． 光学陀螺已经历了从激光陀螺、光纤陀螺到集 成光学陀螺的发展历程．而这里所说的集成大致可 分为两个阶段：第一是部分光子集成阶段，包括采用 体积更小的部件，设计更紧凑的结构，将部分原本分 离的光学元件集成到一块或多块芯片上，即用多功 能集成光学芯片代替多个分离元件的功能，从而在 一定程度上减小系统的体积和成本；第二则是全光 子集成阶段，即实现全部器件的单片集成，也就是将 不同的分离器件包括光源、波导环、探测器等集成在 同一芯片中，以减小器件体积，降低成本，实现规模 化生产．目前，光纤陀螺已开始向光路的集成化方向 发展，其具体目标是将光纤陀螺中除光源和探测器 以外的其他光路器件集成在一个芯片上，采用光波 导代替光纤构建集成光波导陀螺（ＷＯＧ）．但是，集 成化发展的过程中有一个重要的共性问题，这就是 各种光器件对应的材料体系不同，从而使集成制造 工艺极为复杂和困难，解决这一问题的关键是选用 合适的集成芯片的基础材料． 光波导是平面光路技术的核心组件，利用光波 导代替光纤构建陀螺成为光学陀螺集成化的一个重 要突破口．根据光波导理论，材料之间存在折射率差 是构成光波导的最基本的条件，以高折射率材料做 波导芯区，低折射率材料做波导限制层，两者折射率 差越大，限制光的能力就越强．目前的光波导基底材 料体系主要包括玻璃、铌酸锂（ＬｉＮｂＯ３）、硅材料、有 机聚合物、Ⅲ－Ｖ 族化合物半导体等，其中铌酸锂晶 体有着很好的电光效应，更适合制作调制器，如目前 已广泛使用的 Ｙ 型波导．Ⅲ－Ｖ 族化合物半导体是 有源光子器件的重要材料［１０］，最近还有有关在磷化 镓（ＧａＰ）波 导 上 制 作 高 效 率 的 ９０°弯 曲 波 导 的 报 道［１１］ ．这些成果表明，Ⅲ－Ｖ 族化合物 半 导 体 在 未 来集成光波导陀螺的研究中具有巨大的应用潜力， 但目前的研究还主要集中在玻璃、聚合物和硅基材 料上． ２．１ 玻璃和聚合物基光波导陀螺 飞秒激光［１２］以及离子交换技术［１３］的出现 与 发 展，使得人们可以在透明材料如玻璃中直接刻写光 波导结构，这些技术的发展还使得人们可以把玻璃 作为基质材料，并在其中利用上述方法制备光波导 结构．确切地说，就是利用飞秒激光超短脉冲聚焦到 玻璃内部，在焦点区域产生非线性吸收，引起材料结 构变化，进而产生正折射率变化，从而实现不同方位 （深度）、不同尺寸（模式）的波导结构．玻璃材料因制 备工艺简单、成本低廉而为制造低成本光集成器件 提供了很好的选择，并且玻璃材料还能方便地利用 稀土掺杂等方式引入 光增益．美 国 密 歇 根 大 学 的 Ｗｉｎｉｃｋ研究组即 利 用 银 离 子 交 换 技 术 在 玻 璃 材 料 中制 备 了 直 径 为 １．６ｃｍ 的 有 源 谐 振 环 结 构（见 图 １）［１４］，并指出引入的光增益有望大幅地提高集成光 波导陀螺的精度．此外，也可以利用玻璃体材料的性 质，在其内部制备具有三维结构的光波导，为集成化 光波导陀螺提供了一 种新思路．德 国 的 研 究 人 员 Ｎｏｌｔｅ等利用飞秒激光制备了第一个真正意义上三 维集成光器件，他们制作了一种１×３的分束器，向 人们 展 示 了 利 用 飞 秒 激 光 实 现 三 维 光 集 成 的 前 景［１５］ ．我们认为，这些技术的发展，将会更方便地实 现空间三维结构的集成光波导陀螺［１６］ ．以上这些成 果应该也可 以 在 同 为 透 明 材 料 的 聚 合 物 材 料 上 实 现，而聚合物材料有着优良的光电特性，有极强的可 塑性和良好的加工性，因而利用聚合物制作用于陀 螺的光波导也逐渐成为一个研究的热点［１７］ ． 图１ 利用离子交换技术制备的玻璃中的谐振环结构［１４］ ２．２ 硅基光波导陀螺 近期，随 着 世 界 上 第 一 台 硅 基 拉 曼 连 续 激 光 器［１８］的出现以及硅基高速调制器和探测器［１９］的研 发取得巨大进展，使整个光波导陀螺光路中的关键 器件都可以在硅基材料上制造，正如前文所述，不同 材料体系的光器件很难集成在同一芯片上，这些成 果就使得硅基光波导具有强大的集成化优势．而且， 由于Ｓｉ与ＳｉＯ２ 极高的折射率错配（ｎＳｉ＝３．４５，ｎＳｉＯ２ ＝１．４５）的优点，使得光被紧束缚在波导中，从而可 以大幅度地减小硅基光子器件的尺寸，再加上硅材 料具有成熟的微加工工艺，所以，硅材料（特别是绝 · １８１ · 物理学和高新技术
物理学和高新技术 缘层上的硅)无疑是集成光波导陀螺的首选材料。 1997年，法国CEA-Leti公司Mottier等利用 平面光路技术成功研制了第一个在硅基上单片集 的固态光学陀螺仪，他们将总长为80cm的硅 导集成在硅片上，配合外加光纤光源.该陀螺仪测量 0● 精度可达1/.他们这一成功的探索为光学陀螺集 成化，低成本化、大规模生产莫定了良好的基础。 ● ● 后，东京大学Hotate等人在Mottier等人的基础上 o% 又迈进一步，他们在硅平而华成光路上集成了约 14,8cm的谐振环、定向耦合器和光开关，使用频南 可调激光二极管作为光源，研制成功了基 硅平 光路单片集成的谐振式光学驼螺[西.此后 图2用于陀提的二维光子品体环形光被导[（图中所示的 Armenise介绍了一种基于名量子阱结构的陀螺方 光被导弱统是以角速度口逆时针旋转，b为相缩两个缺陷之 案[)我国浙江大学也一直从事硅波导陀螺的相 间的距离，R为缺路到：转中心的距离) 研究，并且在实验上实现了灵敏度为7.3×10 材料在硅基底上制造各种类型的光波导，并以此构 ad/s的基于相位调制光谱技术的无源环形谐振腔 建集成光波导陀螺。集成光波导陀螺也可以分为两 陀螺]，随后，他们又研究了多个弯曲结构的硅基 类：频率敏感型谐振式光波导陀螺和相位敏感型的 波导环形谐振脸 ,在集成光波导陀螺领域进行 干涉式光波导陀螺.谐振式光波导驼螺只需在基月 量实验和理论方面的工作 上制作简单的环形波导谐振腔，陀螺精度正比于该 2.3光子晶体光波导陀螺 谐振腔精细度，所以谐振腔需要达到较高的精细度 除了上述各种材料外，光子品体这种特殊的结 以满足精度要求，但问题是通过不断提高精细度而 构材料也被认为是极具发展前景的集成光学陀螺光 提升螺性能的空间非常有限」 被导材料.光子品体具有介电常数周期性排列的人 对于干涉式光波导陀螺情况则完全不同.在于 工结构，有类似于品体能带结构的光通带与光禁带 涉式光纤陀螺中，一般采用增加闭合光路面积和光 只有光频率处于通带带隙的光波才能在该品体 纤长度的九法增强Sagnac效应，旧光波导驼螺受限 播，如在光子品体周期性结构中有目的地引入缺陷 于空间尺寸的微小，如何在有限的空间内延长光路 便可以控制光在其中传播的持性，由此原理可以 长度和增强Sagnac效应显得尤为重要的，仅仅》 作光波导.早在2005年，以色列Tel Aviv大学的 了代替光纤的作用而在硅片上制造几百米长的环 BZ Steinberg就提出利用光子品体制作集成光学陀 光波导是没有意义的，必须设计成特殊的结构，以到 螺中的光波导)，并指出可以此制造结构非常紧凑 现用较小的总长度代替较大长度光纤的功能，即在 的光学陀螺.图2为文献「25]给出的光子晶体环形 硅片上设计并制造出具有合理合诺振环结构的光 微腔波导结构示意图，图中黑点为局部缺陷，每一 波导，据合诺振环光波导可以有效地降低在其中传 黑点都相当于 个高Q值（品质因数）的微腔.它 播的光的群速度，从而产生“慢光”效应.而利用“愕 同于传统波导，光通过隧穿效应从一个微腔传播到 光”效应可以极大地提高基于S 效应的光陀好 相邻的另一个微腔中，图中的六个黑点就构成了 的灵敏度 刀.虽然此后的报道称此慢光并不能 个六角形的环形谐振腔光波导.光子晶体波导可以 直接提高灵敏度，所谓的慢光现象和灵敏度的增路 在多种材料基底上制作，其中硅基光子品体波导无 只不过是一种共同发生的巧合而已，耦合谐振环光 具有上文讨论的硅基波导的大部分优势，而且光 波导具有的慢光现象的超大结构色散才是真正的 子晶体波导自身还具有结构可设计性强，传播损耗 因.即便如此，作为光波导陀螺的核心器件，谐振王 小（特别是弯曲损耗小）等优点，这些特点对于研 糯合方式的不同的确会导致不同的传输孝性、色 小型化、低功耗的集成光波导陀螺具有重要作用. 关系和相位灵敏度关系等，这意味若可以酒过设 2.4耦合谐振环光波导陀螺 独特的耦合谐振环结构得到高灵敏度的光波导 上所述，集成光波导陀螺近期主要还是会以 螺，上述现象确实非常具有吸引力，以致于众多学者 硅基集成为主，包括利用传统Si/Si0:材料或SO1 都发表文章[一们，声称自已找到了并且分析了一些 China Academie Joum House.ll righs reseved. hp物理1卷(2012年13
ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ 物理·４１卷 （２０１２年）３期 缘层上的硅）无疑是集成光波导陀螺的首选材料． １９９７年，法 国 ＣＥＡ－Ｌｅｔｉ公 司 Ｍｏｔｔｉｅｒ等 利 用 平面光路技术成功研制了第一个在硅基上单片集成 的固态光学陀螺仪［２０］ ．他们将总长为８０ｃｍ 的硅波 导集成在硅片上，配合外加光纤光源．该陀螺仪测量 精度可达１°／ｓ．他们这一成功的探索为光学陀螺集 成化、低成本化、大规模生产奠定了良好的基础．随 后，东京大学 Ｈｏｔａｔｅ等人在 Ｍｏｔｔｉｅｒ等人的基础上 又迈进 一 步，他 们 在 硅 平 面 集 成 光 路 上 集 成 了 约 １４．８ｃｍ 的谐振环、定向耦合器和光开关，使用频率 可调激光二极管作为光源，研制成功了基于硅平面 光路 单 片 集 成 的 谐 振 式 光 学 陀 螺［２１］ ．此 后， Ａｒｍｅｎｉｓｅ介绍了一种基于多量子阱结构的陀螺方 案［２２］ ．我国浙江大学也一直从事硅波导陀螺的相关 研究，并 且 在 实 验 上 实 现 了 灵 敏 度 为 ７．３×１０－５ ｒａｄ／ｓ的基于相位调制光谱技术的无源环形谐振腔 陀螺［２３］ ．随后，他们又研究了多个弯曲结构的硅基 波导环形谐振腔，在集成光波导陀螺领域进行了大 量实验和理论方面的工作［２４］ ． ２．３ 光子晶体光波导陀螺 除了上述各种材料外，光子晶体这种特殊的结 构材料也被认为是极具发展前景的集成光学陀螺光 波导材料．光子晶体具有介电常数周期性排列的人 工结构，有类似于晶体能带结构的光通带与光禁带， 只有光频率处于通带带隙的光波才能在该晶体中传 播．如在光子晶体周期性结构中有目的地引入缺陷， 便可以控制光在其中传播的特性，由此原理可以制 作光波 导．早 在 ２００５ 年，以 色 列 ＴｅｌＡｖｉｖ大 学 的 ＢＺＳｔｅｉｎｂｅｒｇ就提出利用光子晶体制作集成光学陀 螺中的光波导［２５］，并指出可以此制造结构非常紧凑 的光学陀螺．图２为文献［２５］给出的光子晶体环形 微腔波导结构示意图，图中黑点为局部缺陷，每一个 黑点都相当于一个高Ｑ 值（品质因数）的微腔．它不 同于传统波导，光通过隧穿效应从一个微腔传播到 相邻的另一个微腔中，图中的六个黑点就构成了一 个六角形的环形谐振腔光波导．光子晶体波导可以 在多种材料基底上制作，其中硅基光子晶体波导无 疑具有上文讨论的硅基波导的大部分优势，而且光 子晶体波导自身还具有结构可设计性强，传播损耗 小（特别是弯曲损耗小）等优点，这些特点对于研制 小型化、低功耗的集成光波导陀螺具有重要作用． ２．４ 耦合谐振环光波导陀螺 综上所述，集成光波导陀螺近期主要还是会以 硅基集成为 主，包 括 利 用 传 统 Ｓｉ／ＳｉＯ２ 材 料 或 ＳＯＩ 图２ 用于陀螺的二维光子晶体环形光波导［２５］（图 中 所 示 的 光波导系统是以角速 度 Ω 逆 时 针 旋 转，ｂ为相邻两个缺陷之 间的距离，Ｒ 为缺陷到旋转中心的距离） 材料在硅基底上制造各种类型的光波导，并以此构 建集成光波导陀螺．集成光波导陀螺也可以分为两 类：频率敏感型谐振式光波导陀螺和相位敏感型的 干涉式光波导陀螺．谐振式光波导陀螺只需在基片 上制作简单的环形波导谐振腔，陀螺精度正比于该 谐振腔精细度，所以谐振腔需要达到较高的精细度 以满足精度要求，但问题是通过不断提高精细度而 提升陀螺性能的空间非常有限． 对于干涉式光波导陀螺情况则完全不同．在干 涉式光纤陀螺中，一般采用增加闭合光路面积和光 纤长度的办法增强Ｓａｇｎａｃ效应，但光波导陀螺受限 于空间尺寸的微小，如何在有限的空间内延长光路 长度和增 强 Ｓａｇｎａｃ效 应 显 得 尤 为 重 要［２６］ ．仅 仅 为 了代替光纤的作用而在硅片上制造几百米长的环形 光波导是没有意义的，必须设计成特殊的结构，以实 现用较小的总长度代替较大长度光纤的功能，即在 硅片上设计并制造出具有合理耦合谐振环结构的光 波导．耦合谐振环光波导可以有效地降低在其中传 播的光的群速度，从而产生“慢光”效应．而利用“慢 光”效应可以极大地提高基于Ｓａｇｎａｃ效应的光陀螺 的灵 敏 度［２７］ ．虽 然 此 后 的 报 道［２８］称 此 慢 光 并 不 能 直接提高灵敏度，所谓的慢光现象和灵敏度的增强 只不过是一种共同发生的巧合而已，耦合谐振环光 波导具有的慢光现象的超大结构色散才是真正的原 因．即便如此，作为光波导陀螺的核心器件，谐振环 耦合方式的不同的确会导致不同的传输特性、色散 关系和相位灵敏度关系等，这意味着可以通过设计 独特的耦合 谐 振 环 结 构 得 到 高 灵 敏 度 的 光 波 导 陀 螺，上述现象确实非常具有吸引力，以致于众多学者 都发表文章［２９—３７］，声称自己找到了并且分析了一些 · ２８１ · 物理学和高新技术
物理学和高新技术 可以给陀螺灵敏性带来增强效果的慢光结构，在 2004年Matsk0等人的两篇文章[.别中，提出了 3 陀螺技术的新发展：原子（量子）陀螺 个边耦合高Q谐振环构成的干涉型陀螺的示意图 如图3所示 此外，还应注意到，随若激光冷却原子等原子光 然而，上述文章分析的都是在不老虑光损赶时 学技术的进步，一种利用物质波作为波源的所谓的 的无源波导，而损耗对于陀螺性能有者重要影响.相 原子（量子）陀螺】正在快速的发展，并遂步从实 对于目前光学陀螺中传输光的典型波长而言，硅被 验室步入工程应用阶段.原子陀螺基于原子干涉仪 导损耗远大于石英光纤的损耗，所以在给定尺寸和 的Sagnac效应米实现对转动角速度的测量，是一种 给定损耗的情况下，与传统的光纤陀螺相比，不论是 物质波陀螺，其概念早在1973年由Ahschuler和 谐振型还是干涉型，硅集成光波导陀螺毫无优势可 Fraz提出，根据随布罗意理论，物质波也是 言，这里的优势指的是灵敏度8)，由于损耗最终限 波，所以也具有Sagnac效应，而且因为其波长极短 制了所有无源光陀螺的最大灵敏度，超低损耗材料 在相同的闭合光路面积等条件下，物质波引起的 为高灵敏度集成化的陀螺提供了潜力.但是，既 Sagnac相移比光波大了10个数量级，所以此种 然损耗降低了光波导陀螺的精度，是否可以认为引 型的陀螺通常具有极高的精度，理论上可以达到 入光增益可以提高精度呢？我们正在探过采用稀士 (10一9一10-)()/h.是目前所有类型蛇累中精 发光放大和利用硅基拉母放大效应来解决这一 最高的，在用于解决慍性测量，计量学以及物理基础 问题 研究中的一些尚未解决的问恶（如验证广义相 等效原理)上，这种量子传感器将起到十分重要的 作用 目前原子驼想测量转动角速府的方法主要有两 0 种： 种是利用压电陶瓷驱动原子陀螺仪进行转动 从而使原子驼螺产生Sagnac相位变化，根据测量数 据得到转动角速度的测量值，该方法的测量精度较 低，对周围环境要求较高；另 种则是采用相位 调制模拟转动信号，如在拉曼激光上增加调制频率 或者采用对机械光栅进行扫描的方式，米实现转动 图3光被导角度传感器示意图一0 信号的模拟，获得原子陀螺的相位变化，这种方法测 从以上集成光学陀螺一个简单的发展过程看 量精度较高，但无法直接实现角速度的绝对测量，需 来，基于近期硅基光子器件的突破进展，未来集成光 要通过对检测数据的进一步计算，得到系统的绝对 学陀螺的研究将朝若硅基全光子集成的方向发展 角速度可 但是，使用现有技术在硅基上实现全部器件的单片 在原子螺研制方而，美国斯坦福大学，那鲁大 集成尚有困难，国际上在这方面的研究刚刚起步，关 学和麻省理工学院走在世界前列，其中斯坦福大学 于生成光波导陀螺的核心器件 一光波导谐报环仍 和耶鲁大学合作研制成功的第一套实验室原子干法 存在大量的科学问题有待研究.因而，在今后较长的 陀螺，其随机游走指标为(2X106)()/h炉，零偏 时期内，集成光波导陀螺的研发主要会集中在结构 稳定度指标为(2×10-5)（°）/s【. 设计优化以及核心器件的研究和开发上，而以光波 导驼螺为核心的惯性导航系转仍处子概今阶段，在 4 结束语 对集成光波导陀螺（特别是有源集成光波导陀螺）的 原理及核心器件研究上 ,各研究组有不同观点，争议 本文综述了机械陀螺、光学陀螺与原子陀螺的 很多，目前无论在学术界还是工业界都尚未能形是 发展历程和基本特点，重点介绍了集成光学陀螺的 能被人们广泛接受的观点。各种研究内容与方式不 材料选择、结构特性与发展过程，各类陀螺都有若不 尽相同，甚至大相径庭但是，这些研究的共同目标 同的特征，适用于不同的领域并在各自的发展前景 都是为了缩小陀螺体积、降低损耗与噪声以及提高 上有所差异，本文通过对各种类型陀螺的特性，优缺 陀螺精度 点、适用范围等的比较，展望了未来一段时间内的陀 1994.物理l卷2年uma Electronie Publishing把iu思cved 183 http //www.enki.ne
物理·４１卷 （２０１２年）３期 ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ 可以给 陀 螺 灵 敏 性 带 来 增 强 效 果 的 慢 光 结 构．在 ２００４年 Ｍａｔｓｋｏ等人的两篇文章［２９，３０］中，提出了一 个边耦合高Ｑ 谐振环构成的干涉型陀螺的示意图， 如图３所示 然而，上述文章分析的都是在不考虑光损耗时 的无源波导，而损耗对于陀螺性能有着重要影响．相 对于目前光学陀螺中传输光的典型波长而言，硅波 导损耗远大于石英光纤的损耗，所以在给定尺寸和 给定损耗的情况下，与传统的光纤陀螺相比，不论是 谐振型还是干涉型，硅集成光波导陀螺毫无优势可 言，这里的优 势 指 的 是 灵 敏 度［３８］ ．由于损耗最终限 制了所有无源光陀螺的最大灵敏度，超低损耗材料 为高灵敏度集成化的陀螺提供了潜力［３８］ ．但 是，既 然损耗降低了光波导陀螺的精度，是否可以认为引 入光增益可以提高精度呢？我们正在探讨采用稀土 发光放大和利用硅基拉曼放大 效 应 来 解 决 这 一 问题． 图３ 光波导角速度传感器示意图［２８—３０］ 从以上集成光学陀螺一个简单的发展过程看 来，基于近期硅基光子器件的突破进展，未来集成光 学陀螺的研究将朝着硅基全光子集成的方向发展． 但是，使用现有技术在硅基上实现全部器件的单片 集成尚有困难，国际上在这方面的研究刚刚起步，关 于集成光波导陀螺的核心器件———光波导谐振环仍 存在大量的科学问题有待研究．因而，在今后较长的 时期内，集成光波导陀螺的研发主要会集中在结构 设计优化以及核心器件的研究和开发上，而以光波 导陀螺为核心的惯性导航系统仍处于概念阶段．在 对集成光波导陀螺（特别是有源集成光波导陀螺）的 原理及核心器件研究上，各研究组有不同观点，争议 很多，目前无论在学术界还是工业界都尚未能形成 能被人们广泛接受的观点．各种研究内容与方式不 尽相同，甚至大相径庭．但是，这些研究的共同目标 都是为了缩小陀螺体积、降低损耗与噪声以及提高 陀螺精度． ３ 陀螺技术的新发展：原子（量子）陀螺 此外，还应注意到，随着激光冷却原子等原子光 学技术的进步，一种利用物质波作为波源的所谓的 原子（量子）陀螺［３９—４３］正在快速的发展，并逐步从实 验室步入工程应用阶段．原子陀螺基于原子干涉仪 的Ｓａｇｎａｃ效应来实现对转动角速度的测量，是一种 物质波 陀 螺，其 概 念 早 在 １９７３ 年 由 Ａｈｓｃｈｕｌｅｒ和 Ｆｒａｎｚ提出［４４］ ．根据德布罗意理论，物质波也是一种 波，所以也具有Ｓａｇｎａｃ效应，而且因为其波长极短， 在相同的闭合光路面 积等条件下，物 质 波 引 起 的 Ｓａｇｎａｃ相移 比 光 波 大 了１０个 数 量 级，所 以 此 种 类 型的陀螺通常具有极 高的精度，理 论 上 可 以 达 到 （１０－９—１０－７）（°）／ｈ，是 目 前 所 有 类 型 陀 螺 中 精 度 最高的．在用于解决惯性测量、计量学以及物理基础 研究中的一些尚未解决的问题（如验证广义相对论 等效原理）上，这 种 量 子 传 感 器 将 起 到 十 分 重 要 的 作用． 目前原子陀螺测量转动角速度的方法主要有两 种：一种是利用压电陶瓷驱动原子陀螺仪进行转动， 从而使原子陀螺产生Ｓａｇｎａｃ相位变化，根据测量数 据得到转动角速度的测量值，该方法的测量精度较 低，对周围环 境 要 求 较 高［４５］；另 一 种 则 是 采 用 相 位 调制模拟转动信号，如在拉曼激光上增加调制频率， 或者采用对机械光栅进行扫描的方式，来实现转动 信号的模拟，获得原子陀螺的相位变化，这种方法测 量精度较高，但无法直接实现角速度的绝对测量，需 要通过对检测数据的进一步计算，得到系统的绝对 角速度［４６］ ． 在原子陀螺研制方面，美国斯坦福大学、耶鲁大 学和麻省理工学院走在世界前列，其中斯坦福大学 和耶鲁大学合作研制成功的第一套实验室原子干涉 陀螺，其随机 游 走 指 标 为（２×１０－６）（°）／ｈ１／２，零 偏 稳定度指标为（２×１０－６）（°）／ｓ［４６，４７］ ． ４ 结束语 本文综述了机械陀螺、光学陀螺与原子陀螺的 发展历程和基本特点，重点介绍了集成光学陀螺的 材料选择、结构特性与发展过程．各类陀螺都有着不 同的特征，适用于不同的领域并在各自的发展前景 上有所差异．本文通过对各种类型陀螺的特性、优缺 点、适用范围等的比较，展望了未来一段时间内的陀 · ３８１ · 物理学和高新技术