Anello Photonics 公司开发的一种新型硅芯片光学陀螺仪

近日，IEEE Spectrum 报道，两家公司——位于加利福尼亚州圣克拉拉的Anello Photonics和位于蒙特利尔的One Silicon Chip Photonics（OSCP）——推出了新的芯片级陀螺仪导航系统，能够在没有卫星信号的情况下实现精确的航向和距离跟踪。

GPS导航的脆弱性催生替代技术需求

惯性导航在当今变得越来越重要，因为GPS容易受到干扰和欺骗，这可能会中断导航或提供误导性的位置数据。这些问题在乌克兰和中东等冲突地区已经得到了充分记录，这些地区的军事行动面临着严重的GPS干扰。对于依赖GPS进行定位的无人机来说，信号丢失可能是灾难性的，导致它们无法导航，有时甚至会导致坠毁。

近期，美国频繁发生的坠机事件进一步凸显了GPS导航系统的脆弱性。多起事故表明，GPS信号在复杂环境或受到干扰时，可能导致飞行器失去定位能力，进而引发严重的安全隐患。例如，在某些军事演习和民用航空任务中，GPS信号被干扰或欺骗，导致飞行器偏离航线甚至坠毁。这些事件不仅造成了巨大的经济损失，还对人员安全构成了严重威胁。因此，开发不依赖GPS的高精度导航技术，如基于MEMS陀螺仪的惯性导航系统，已成为解决这一问题的迫切需求。

陀螺仪的芯片化趋势

光学陀螺仪长期以来一直被视为卫星全球导航系统的替代技术。自20世纪70年代以来，环形激光陀螺仪等较大尺寸的设备已经存在。然而，将这些设备缩小到芯片尺寸远比说起来要困难得多。

自20世纪70年代中期开始生产的光学陀螺仪在保持精确旋转感应所需的光学信号强度方面遇到了困难。缩小尺寸只会使信噪比变得更差。因此，尽管大多数微电子设备遵循摩尔定律描述的小型化路径，基于光的陀螺仪仍然庞大、笨重且耗电。

这种情况一直持续到加州理工学院的电气工程和医学工程教授Ali Hajimiri及其团队取得突破，克服了之前的尺寸和精度限制。在2018年的一篇论文中，他们描述了如何创建一种小到可以放在米粒上的固态陀螺仪。与之前出现的光学陀螺仪一样，这种陀螺仪利用了萨格纳克效应，这一原理由法国物理学家Georges Sagnac于1913年首次演示。

萨格纳克效应发生在光束被分成两束并沿圆形路径向相反方向发送时。如果设备旋转，一束光束会比另一束光束提前到达探测器，从而可以精确测量旋转角度。由于这种方法不依赖外部信号，因此不受电磁干扰、振动和通过开放通信渠道的网络攻击的影响——这使其成为GPS不可靠或完全无法使用时的理想解决方案。

通过引入一种消除噪声的技术，Hajimiri及其同事能够创建一种光学陀螺仪，其尺寸是商用光纤陀螺仪的五百分之一，并且在灵敏度上相当。

Anello Photonics 生产的这款袖珍型芯片式光学陀螺仪与体积更大的陀螺仪一样精确。Anello Photonics

Anello Photonics和OSCP进入市场

在Hajimiri取得突破不到十年后，Anello Photonics和OSCP现在希望通过其基于陀螺仪的系统重塑导航市场。他们进一步改进了技术，允许更多的微型化而不降低陀螺仪的有效性。Anello的低损耗氮化硅波导允许光在陀螺仪内循环更长时间，从而提高信号强度并减少误差累积。Anello的技术进一步抑制了其他噪声源，因此即使较小的波导容纳的光较少——因此信号较弱——仍然足以进行精确的旋转读数。

Anello首席执行官Mario Paniccia表示，这一成果在2024年CES展会上以及今年早些时候得到了展示。Paniccia解释说，该公司的惯性测量单元（IMU）由三个基于芯片的陀螺仪和其他组件组成，可以放在手掌中。它们为多种应用提供了高精度，包括农业，其中自动驾驶拖拉机必须保持长达800米的完美直线犁沟。Paniccia说，更长的距离对导航系统来说也不是问题。“如果你行驶100公里，”Paniccia说，“系统的距离测量将精确到100米以内，或行驶距离的0.1%。”

OSCP也在微型化导航技术方面取得了进展。在2025年CES展会上，OSCP创始人兼首席执行官Kazem Zandi展示了一种升级的多陀螺仪IMU，其尺寸是前代产品的一半。“它不仅更小，而且更节能，成本更低，”Zandi在拉斯维加斯的技术博览会上说。“这些陀螺仪可以提供航位推算，位置精度在厘米以内。”

Anello和OSCP的IMU设计用于与GPS协同工作，不断监控位置输入。如果检测到GPS干扰，系统内的人工智能（AI）会自动将导航控制切换到陀螺仪。“例如，如果你在纽约，”Paniccia解释说，“陀螺仪显示你向前行驶了100米，但GPS显示你现在在德克萨斯州，算法知道将控制权转移到[陀螺仪]。”

据Paniccia称，Anello的最新系统专门设计用于在广阔的公海中操作的无人水下和水面车辆，那里没有地标来辅助导航。“在海洋中，一切看起来都一样，”他说。在海洋空间中，洋流使导航比在陆地或空中跟踪位置更加复杂，Paniccia表示，Anello设备的位置误差更像是行驶距离的3%或4%。

原文链接：https://spectrum.ieee.org/optical-gyroscopes-on-chip

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