图1硅光子学和sagnac效应。a，硅纳米光子波导和1,550nm的单模模式仿真。b，两个光束穿过环，一个顺时针，一个逆时针。当环是静止的时，两个光束在输出端完全相位相同。环的旋转引起两个波之间的相位差，称为Sagnac相移。c，实现互易灵敏度增强技术。与标准方法不同，输入信号在红色路径（顺时针传播）和蓝色路径（逆时针传播）之间切换。

纳米光子学由于其可靠性和与当前大规模生产技术的兼容性而成为在微尺度上实现光学陀螺的理想平台（图1a）。此外，它可以使纳米光子和电子元件集成到单个基板上。光学陀螺仪利用一种被称为Sagnac效应的相对论现象来测量旋转速率。当一束相干光被分成两条穿过闭合圆的路径（图1b）时，它们在输出处满足一定的相位关系。然而，当陀螺仪的参考系正在旋转时，两个光束所经历的有效路径长度改变。这使得它们相对于彼此经历额外的时间延迟，该时间延迟与陀螺仪的旋转速率成正比。

图2 环形谐振器响应和系统结构。a，设计的微环谐振器的模拟相位响应。b，通过使用Mach-Zehnder干涉仪（MZI），环形谐振器可以从两个不同的方向（I和II）注入。c，通过将两个输出加在一起，信息“移动”到开关频率，而不受热漂移的影响，输出在两个光电二极管之间切换。

然而，光学陀螺仪的信噪比通常受到热波动，元件漂移和制造不匹配的限制。由于在微尺度上信号强度相对较弱，迄今尚未实现集成纳米光子光学陀螺。近日，加州理工学院的研究人员通过利用无源光网络的互易性展示了一个全集成的纳米光子光学陀螺仪，以显著减少热波动和不匹配。图2展示了其概念设计的系统构成，当在比波动的时间尺度(例如，10MHz)更快的时间尺度上交替方向，则波动大部分保持相关。因此，这些相关的波动通过将两个输出相加和减去共模信号来大部分抵消（图2c）。利用图2的概念完成了图3所示的系统集成设计，最终设计出来的全集成光学陀螺仪仅占用2平方毫米，可检测迄今为止在硅纳米光子学中实现的所有小型化方法中记录的最小相移（3 nrad）。这种集成光纤陀螺比现有的光纤陀螺尺寸小了500倍，但原型实验证明该装置能够检测比现有技术的微型光纤陀螺仪小30倍的相移。因此，这种纳米化陀螺仪的方法能够将光学陀螺仪的性能提高一到两个数量级。相关内容以《Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement》为题，发表在《Nature Photonics》杂志上。

图3 系统实施。a，一种用于路径切换的输入MZI的设计和在每个方向上测量的功率与一个p-i-n二极管的注入电流关系。b，实施的纳米光纤陀螺示意图。c，电子电路的系统架构。

来源： Nature Photonics

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