多器件集成硅光芯片光纤陀螺
陀螺仪用于感知载体旋转角速度，是惯性导航、姿态稳定系统的重要组成部分。基于陀螺、加速度计等惯性器件的导航与控制是目前已知唯一不依赖卫星、视觉等外部信息的自主导航、控制技术，是载体定位感知及运动控制的重要安全保障，在飞行导航、武器制导、机器人控制、无人机械、智能驾驶等军、民领域有广泛应用。
以光纤陀螺（Fiber optic gyro，FOG）为代表的光学陀螺具有良好的性能价格比、结构相对简单、体积小等特点已成为惯导系统的主要惯性测量元件。在硅光子技术快速发展的背景下，光纤陀螺研究开始聚焦于将FOG与硅光子技术相结合，使用可规模量产的硅光工艺将陀螺所需的光器件制备在硅基光子芯片之上，实现微型硅光陀螺的开发，在保持陀螺高精度的同时，实现陀螺的低成本与小型化。
光纤陀螺内部有七个光学功能模块，分别是光源、探测器、耦合器、偏振器、分束器、调制器、敏感光环路。这些器件正在被逐步集成在硅光芯片中，使光纤陀螺规模化生产成为可能。在现有技术体系下，能够在硅基氮化硅材料上集成的器件有耦合器、偏振器、分束器等。而光源和探测器的材料多为 III-V 族化合物半导体，与硅光材料差异较大，无法接集成，只能通过粘接方式与硅光芯片封装在一起。目前硅光芯片光纤陀螺并无集成器件种类标准，各企业和研究机构都在做不同器件集成组合的尝试。一种较为简单的集成策略为：在硅光芯片上仅集成了多个耦合器，将光源和探测器与集成了耦合器的硅光芯片封装在一起，保留每一个陀螺通道的Y波导，形成一种三轴硅光芯片光纤陀螺。这种集成方案因集成度有限，价格竞争优势并不明显。还有一种集成策略，是将耦合器、偏振器、分束器等三个器件集成在一起，这个方案集成度更高一些，取消了昂贵的Y波导，从而价格竞争优势更明显。广东奥斯诺工业采用后一种集成策略，其研发的硅光芯片光纤陀螺，已经量产并在多个场景中成功应用，获得众多客户认可。
广东奥斯诺工业第一代硅光芯片陀螺大多采用氮化硅（Si₃N₄）作为波导材料，其主要优点是损耗低且易于与光纤耦合。然而，氮化硅材料不具备电光特性，无法通过改变驱动电压来调节波导的相位，这在需要高速、可控的相位调制的光纤陀螺应用中成为一大限制。为了解决这一问题，目前第一代硅光芯片陀螺通常采用外挂压电陶瓷的方式，通过压电效应驱动光纤的机械膨胀和收缩来实现相位调制。虽然这种方案成本较低，但其也存在频带限制的问题。常见的光纤环的本征频率通常在500 kHz到1 MHz之间，而压电陶瓷的谐振频率一般低于100 kHz，这使得压电陶瓷无法实现光纤环相位的实时闭环跟踪，进而无法支持高精度的方波闭环反馈算法。目前，奥斯诺第一代硅光芯片陀螺，成功实现了低成本化，并将陀螺精度提升至0.3°/h，获得了市场的认可。然而，若希望进一步提升陀螺精度，迫切需要采用高频的闭环调制算法。
薄膜铌酸锂（LiNbO₃）具有优异的电光特性，能够实现高速的相位调制，这为光纤陀螺的精度提升提供了可能。奥斯诺规划并实施了第二代硅光芯片研制技术路线，将氮化硅波导与薄膜铌酸锂异质混合集成。光信号将在氮化硅波导中传输，而薄膜铌酸锂仅用于调制区域。这样的设计既保留了氮化硅波导的低损耗特点，又充分利用了薄膜铌酸锂的电光调制特性，实现了高频相位调制。通过这一方案，奥斯诺不仅能够保持低损耗传输，还能有效实现高频的相位调制，可将现有硅光芯片光纤陀螺精度提高一个数量级。目前，基于薄膜铌酸锂异质混合集成的第二代集成芯片已经开始流片，预计2026年具备送样测试状态。
1 外形及尺寸
产品为圆柱形，外形尺寸为φ40mm×20mm，底面3处M3螺纹与外部连接。
图1 奥斯诺第一代硅光芯片光纤陀螺实物照片
1.1 重量
≤40g。
1.2工作温度
-40℃~+70℃。
1.3 存储温度
-55℃~+85℃。
1.4 随机振动
随机振动量级：20g，频率范围：20Hz~ 2000Hz.
1.5主要性能参数
表1 主要性能参数表
序号 | 项目 | 性能指标 |
1 | 量程 （°/s） | ±300 |
2 | 标度因数 （LSB/°/s） | 3600 |
3 | 标度因数非线性度（ppm） | ≤300 |
4 | 零偏稳定性(10s，1σ，°/h) | ≤0.5 |
5 | 零偏重复性 (1σ，°/h) | ≤0.5 |
6 | 角度随机游走（°/h1/2） | ≤0.02 |
7 | 全温零偏稳定性（10s，1σ，-40℃~+70℃，°/h） | ≤1.5 |
8 | 3dB带宽（Hz） | ≥300 |
9 | 供电（V） | 5±0.15 |
10 | 功耗（W） | ≤1.5 |
11 | 尺寸（mm） | φ40X20 |
2产品实测效果
2.1试验方法
三温标定：在温箱内分别设置三个温度点：-40℃、25℃、70℃，变温速率3℃/min。在-40℃下保温2小时；在25℃和70℃下分别保温1.5小时；在整个保温过程中，陀螺仪不开电。当保温结束后，开始为陀螺仪通电，进行静态数据采集1小时，然后采集陀螺仪的旋转角速率数据。
变温测试：温箱设置变温速率1℃/min，温度范围-40℃~70℃，补偿后采样，
变温图谱如下：
图2 变温图谱
2.2测试结果
1Room temperature static test（室温静态测试）
Roomtemperature static test | ||
Item | Measurement | Specification |
-6.4 | / | |
Bias stability (° | 0.3 | ≤0.5 |
2Room temperature scale factor test（室温标度因数测试）
Roomtemperature scale factor test | ||
Item | Measurement | Specification |
Input range (° 输入角速度 | 300 | ≤300 |
Scale factor 标度因数 | 3600.4 | 3600±30 |
SF linearity (ppm) 标度因数线性度 | 72.2 | ≤300 |
3-40 ℃ static test（-40℃ 静态测试）
-40oC static test | ||
Item | Measurement | Specification |
Bias (°/h) | -9.4 | / |
Bias stability (°/h) (10s, 1σ) 零偏稳定性 | 0.4 | ≤0.5 |
4 -40 ℃ scale factor test（-40 标度因数测试）
-40℃ scale factor test | ||
Item | Measurement | Specification |
Input range (° 输入角速度 | 300 | ≤300 |
Scale factor 标度因数 | 3599.3 | 3600±30 |
SF linearity (ppm) 标度因数线性度 | 134.4 | ≤300 |
5 70 ℃ static test（70℃ 静态测试）
70oC static test | ||
Item | Measurement | Specification |
-8.4 | / | |
Bias stability (°/h) (10s, 1σ) 零偏稳定性 | 0.4 | ≤0.5 |
6 70 ℃ scale factor test（70℃ 标度因数测试）
70℃ scale factor test | ||
Item | Measurement | Specification |
Input range (°/s) 输入角度度 | 300 | ≤300 |
Scale factor 标度因数 | 3599.8 | 3600±30 |
SF linearity (ppm) 标度因数线性度 | 43.1 | ≤300 |
7 Variable temperature test （变温测试）
Variable temperature tests (-40℃~+70℃) | ||
Item | Measurement | Specification |
Full temperature variable temperature (°/h) (10s, 1σ) 全温变温 | 1.1 | ≤1.5 |
图3 三温检测常温25℃静态输出（横坐标：时间、纵坐标：数据，下同）
图4 三温检测低温-40℃静态输出
图5 三温检测高温70℃静态输出
图6 变温测试输出（横坐标：时间、纵坐标：数据）
目前，奥斯诺已大规模生产并交付第一代硅光芯片光纤陀螺仪，其精度优于0.5°/h。该产品与奥斯诺早期推出的微纳集成光纤陀螺相比，硅光芯片光纤陀螺在全温特性和线性度上都有明显提高，这也证明了硅光技术在光纤陀螺中应用的独特魅力。