隨著科技走向，人們對于機(jī)械控制及航天工業(yè)的話題又逐漸火熱了起來，例如：臺(tái)灣福衛(wèi)五號衛(wèi)星的發(fā)射以及北朝鮮飛彈相關(guān)議題，也成為國際間討論的議題。然而，航天工業(yè)的進(jìn)展，亦是一種國力的表現(xiàn)。而今天要大家討論的是一個(gè)在機(jī)械以及光電產(chǎn)業(yè)中較為冷僻但是卻在航天工業(yè)扮演相當(dāng)重要角色的題目- 雷射光纖陀螺儀。

     1817年，德國蒂賓根大學(xué)(University of Tübingen)的教授Johann Bohnenberger發(fā)表了史上第一個(gè)機(jī)械式陀螺儀，開啟了船舶導(dǎo)航的新紀(jì)元，，有別于過去的六分儀(利用星星以及太陽定位)以及指南針(利用地磁定位)，人們對于船位以及航行方向可以有更精準(zhǔn)的定位，大大增加了航行的可靠度以及安全性。圖一為建造于1914年，2010年以前號稱海上最大福音書城，當(dāng)時(shí)被金氏世界紀(jì)錄認(rèn)可為最老的運(yùn)作中郵輪–忠仆號其導(dǎo)航之設(shè)備。

圖一、忠仆號其導(dǎo)航之設(shè)備。 

經(jīng)過人們對于光學(xué)以及物理學(xué)了解之后，1913年，法國物理學(xué)家Georges Sagnac提出了環(huán)形干涉儀的概念，利用左旋和右旋光線其光程差的不同，而得到位置的相關(guān)信息，相較于機(jī)械式陀螺儀，人們可以更精確的掌握船只自身的方位。然而，當(dāng)時(shí)Sagnac的干涉儀體積過于龐大(圖二)，對于實(shí)際應(yīng)用而言，我們還需要將其積體化。

圖二、Sagnac實(shí)驗(yàn)之架構(gòu)圖[1] 

一般而言，現(xiàn)代之光學(xué)陀螺儀可以分成環(huán)形雷射陀螺儀[2][3]、干涉式光纖陀螺儀 (I-FOGs)[4][5]、共振腔式光纖陀螺儀 (R-FOGs)[6][7]，以及光子晶體陀螺儀[8][9]四部分。環(huán)形雷射陀螺儀系由一個(gè)在相同光程下具兩個(gè)相反傳播方向的環(huán)形雷射組成。雖然環(huán)形雷射陀螺儀在量測上具有高靈敏度，但卻因?yàn)轶w積太大，很難使用于實(shí)際應(yīng)用上；此外，縮小環(huán)形雷射陀螺儀的體積也很困難[10][11]。而干涉式光纖陀螺儀(I-FOGs)是另一種使用光纖以增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)的環(huán)形干涉儀，被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航上。當(dāng)I-FOGs使用于導(dǎo)航時(shí)，需用到長度1-2公里的長程光纖，然而，長光纖會(huì)因溫度變化，而造成訊號飄移，這會(huì)降低光纖陀螺儀的性能表現(xiàn) [6][12]。共振腔式陀螺儀(R-FOGs)是另一種利用被動(dòng)式的環(huán)形共振腔用以取代主動(dòng)式共振腔的陀螺儀。由于R-FOGs具有共振腔，所以其所需使用的光纖長度較I-FOGs短，R-FOGs的光纖長度通常只需要5-10公尺[7]。將R-FOGs與I-FOGs相比，可以發(fā)現(xiàn)前者所需使用的光纖數(shù)較少，且整體重量也較后者來得輕。隨著科技的逐年進(jìn)步，光子晶體現(xiàn)已應(yīng)用在陀螺儀上，B. Z. Steinberg以光子晶體為一可增強(qiáng)Sagnac相位的微小共振腔，光子晶體陀螺儀具有成為積體化組件的潛力[9]。然而，雖然R-FOGs與光子晶體陀螺儀具有縮小陀螺儀尺寸的潛力在，但它們的制程成本卻不低；另一方面，現(xiàn)代的光纖陀螺儀多采用可維持極化態(tài)的光纖(PMFs) ，使用這種光纖會(huì)使制造成本提高。

為此，結(jié)合光學(xué)外差干涉技術(shù)之雷射光纖陀螺儀即應(yīng)運(yùn)而生，我們研發(fā)了一外差振幅調(diào)制光纖陀螺儀，用以進(jìn)行全動(dòng)態(tài)偵測與利用較為便宜的單模光纖（SMFs）實(shí)現(xiàn)共光程架構(gòu)。在此外差干涉陀螺儀的研究中，我們可以消除了SMFs造成的極化旋轉(zhuǎn)角，且使用SMFs可以節(jié)省成本；此外，由于這種光學(xué)設(shè)置具有使體積縮小的優(yōu)點(diǎn)，所以可以應(yīng)用在實(shí)際上。

圖三、全動(dòng)態(tài)范圍共光程外差平衡偵測式陀螺儀之光學(xué)架構(gòu) 

我們假設(shè)噪聲比為10^-6，雷射波長為1550奈米，SMF長度為250公尺，而環(huán)形光纖的半徑是3.5公分。在此條件下，陀螺儀的零偏穩(wěn)定度[注一]為0.872 deg/hr，我們可視具有此量級的陀螺儀為戰(zhàn)術(shù)級 (tactical grade)[注二][20]。和傳統(tǒng)型態(tài)的光纖陀螺儀相比，我們所需的光纖長度只需原來的1/4，相同的重量也會(huì)是傳統(tǒng)光纖陀螺儀的1/4，這意味著，利用此新型陀螺儀，我們可以有更多的空間酬載更多的設(shè)備在現(xiàn)今的航空器中。

此外差光纖陀螺儀可以提供全動(dòng)態(tài)范圍的共光程架構(gòu)和Sagnac相位量測，而和傳統(tǒng)的光纖陀螺儀相比，我們是第一個(gè)提出全動(dòng)態(tài)范圍外差光纖陀螺儀的團(tuán)隊(duì)。其中，共光程架構(gòu)的特點(diǎn)可以改善傳統(tǒng)外差式I-FOGs的缺點(diǎn)[19]，我們在計(jì)算中，SMFs造成的極化旋轉(zhuǎn)和共同噪聲可以被消除。然而，在SMF總光旋轉(zhuǎn)角為90?的情況下，通過SMF的雷射光會(huì)完全回到雷射源，這種情形會(huì)降低光學(xué)陀螺儀的信噪比，所以SMF的長度必須特別考慮；此外，為了校準(zhǔn)相位，我們也必須量測得到入射偏振態(tài)的橢圓率；另外，SMFs的拍頻長度(beat length)也是重要的參數(shù)。一般而言，SMF的拍頻長度(beat length)的量級在公分等級，這表示光纖長度精準(zhǔn)度的量級必須在公分以下。

在實(shí)際應(yīng)用上，這個(gè)共光程外差平衡感測光纖陀螺儀可以被設(shè)計(jì)在芯片上；另一方面，使用SMFs也可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本。如圖二所示，我們將積體光學(xué)極化旋轉(zhuǎn)器[21]、偏振片[22]和偏振分光器[23]結(jié)合在沿Z傳播的Y切向鋰酸鈮晶體上，以建立一芯片式的雙頻外差光纖陀螺儀。由于SMFs具有短的拍頻長度(beat length)，為了控制為一定值，所以必須特別注意SMFs的裝置過程與溫度控制。我們也可預(yù)期將我們的概念與高質(zhì)量因子的共振腔兩者結(jié)合，可以制作出一外差式R-FOG[24]，這類的外差式R-FOG具有重量輕、低成本，以及高性能導(dǎo)航工具的潛力。

展望未來，隨著人類對于太空探索以及國防產(chǎn)業(yè)的需求也越來越高，未來在航天議題的產(chǎn)業(yè)也隨之熱絡(luò)起來。希望在此波議題的帶領(lǐng)下，能有更多的廠商進(jìn)入相關(guān)航天及國防產(chǎn)業(yè)的議題，提升技術(shù)能量。 

參考數(shù)據(jù)

[1]  略

[2]   S. Ezekiel and S. R. Balsamo, “Passive ring resonator laser gyroscope,” Appl. Phys. Lett. 30, pp. 478-480, 1977.

[3]   W. W. Chow, J. Gea-Banacloche, and L. M. Pedrotti, V. E. Sanders, W. Schleich, and M. O. Scully, “The ring laser gyro,” Rev. Mod. Phys. 57, pp. 61-103, 1985.

[4]   H. C. Lefèvre, “Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope,” Opt. Rev. 4, pp. 20-27, 1997.

[5]   V. Vail and R. W. Shorthill, “Fiber ring interferometer,” Appl. Opt. 15, pp. 1099-1100, 1976.

[6]   Z. H. Xie, Z.A. Jiang, S. S. Jian, and W. B. Tao, “Theoretical study on resonance characteristics of fiber optic ring resonator in fiber-optical ring resonator gyroscope,” Proc. SPIE 3552, pp. 267-271, 1998.

[7]   X. L. Zhang, H. L. Ma, Z. H. Jin, and C. Ding, “Open-loop operation experiments in a resonator ?ber-optic gyro using the phase modulation spectroscopy technique,” Appl. Opt. 45, pp. 7961-7965, 2006.

[8]   B. Z. Steinberg, “Rotating photonic crystals: A medium for compact optical gyroscopes,” Phys. Rev. E. 71, 056621, 2005.

[9]   B. Z. Steinberg and A. Boag, “Aplitting of microcavity degenerate modes in rotating photonic crystals - the miniature optical gyroscopes,” J. Opt. Soc. Am. B. 24, pp. 142-151, 2007.

[10] F. Zarinetchi, S. P. Smith, and S. Ezekiel, “Simulated Brillouin fiber-optic laser gyroscope,” Opt. Lett. 15, pp. 229-231, 1991.

[11] J. Killpatrick, “The laser gyro,” IEEE Spectrum 4, pp. 44-54, 1967.

[12] K. Hotate, and M. Harumoto, “Resonator fiber optic gyro using digital serrodyne modulation,” J. Lightwave Technol. 15, pp. 466-473, 1997.

[13] S. M. F. Nee, C. J. Yu, J. S. Wu, and H. S. Huang, C. E. Lin, and C. Chou, “Heterodyne linear polarization modulation ellipsometer,” Opt. Express 16, pp. 4286-4295, 2008.

[14] C. Koch, “Measurement of ultrasonic pressure by heterodyne interferometry with a fiber-tip sensor,” Appl. Opt. 38, pp. 2812-2819, 1999.

[15] B. Sepulveda, A. Calle, L. M. Lechuga, and G. Armelles, “Highly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-pasmon-resonance sensor,” Opt. Lett. 31, pp.1085-1087, 2006.

[16] K. Hotate, N. Okuma, M. Higashiguchi, and N. Niwa, “Rotation detection by optical heterodyne fiber gyro with frequency output,” Opt. Lett. 7, pp. 331-333, 1982.

[17] A. D. Kersey, A. C. Lewin, and D. A. Jackson, “Pseudo-heterodyne detection scheme for the fiber gyroscope,” Electron. Lett. 20, pp. 368-370, 1984.

[18] H. Koseki and Y. Ohtsuka, “Fiber-optic heterodyne gyroscope using two optical beams with orthogonally polarized components,” Opt. Lett. 13, pp. 785-787, 1988.

[19] H. Lefevre, The fiber-optic gyroscope, Artech House, Inc., Chap. 10, pp. 147-157, 1993.

[20] K. Kai, W. Zhang, W. Chen, K. Li, F. Dai, F. Cui, X. Wu, G. Ma and Q. Xiao, “The development of micro-gyroscope technology,” J. Micromech. Microeng. 19, 113001, 2009.

[21] A. V. Tsarev, “New compact polarization rotator in anisotropic LiNbO3 graded-index waveguide,” Opt. Exp. 16, pp. 1653-1658, 2008.

[22] T. Findakly, B. Chen, and D. Booher, “Single-mode integrated-optical polarizers in LiNbO3 and glass waveguide,” Opt. Lett. 8, pp. 641-643, 1983.

[23] K. G. Han, S. Kim, D. H. kim, J. C. Jo, and S. S. Choi, “Ti:LiNbO3 polarization splitters using an asymmetric branching waveguide,” Opt. Lett. 16, pp. 1086-1088, 1991.

[24] W. Y. Chiu, T. W. Huang, Y. H. Wu, Y. J. Chan, C. H. Hou, H. T. Chien, C. C. Chen, “A photonic crystal ring resonator formed by SOI nano-rods,” Opt. Exp. 15, pp. 15500-15506, 2007.

[注一]：零偏穩(wěn)定度是當(dāng)一個(gè)雷射光纖陀螺儀在靜止時(shí)量到的相位，理論上應(yīng)該要為零，但實(shí)際上由于電子噪聲等因素，造成儀器會(huì)讀到相位值。所以我們在評估相關(guān)雷射光纖陀螺儀的性能時(shí)，零偏穩(wěn)定度是一個(gè)相當(dāng)重要的指針，其單位為deg/hr(簡而言之，就是一小時(shí)之內(nèi)，相位漂移多少度)。

[注二]：根據(jù)零偏穩(wěn)定度的大小，一般而言，我們可分為導(dǎo)航級、戰(zhàn)略級以及慣性級三種陀螺儀。