隨著科技走向，人們對于機械控制及航天工業(yè)的話題又逐漸火熱了起來，例如：臺灣福衛(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)的進展，亦是一種國力的表現(xiàn)。而今天要大家討論的是一個在機械以及光電產(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)表了史上第一個機械式陀螺儀，開啟了船舶導(dǎo)航的新紀元，，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，當時被金氏世界紀錄認可為最老的運作中郵輪–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，當時Sagnac的干涉儀體積過于龐大(圖二)，對于實際應(yīng)用而言，我們還需要將其積體化。

圖二、Sagnac實驗之架構(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在相同光程下具兩個相反傳播方向的環(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，但卻因為體積太大，很難使用于實際應(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Sagnac效應(yīng)的環(huán)形干涉儀，被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航上。當I-FOGs使用于導(dǎo)航時，需用到長度1-2公里的長程光纖，然而，長光纖會因溫度變化，而造成訊號飄移，這會降低光纖陀螺儀的性能表現(xiàn) [6][12]。共振腔式陀螺儀(R-FOGs)是另一種利用被動式的環(huán)形共振腔用以取代主動式共振腔的陀螺儀。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)運而生，我們研發(fā)了一外差振幅調(diào)制光纖陀螺儀，用以進行全動態(tài)偵測與利用較為便宜的單模光纖（SMFs）實現(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，所以可以應(yīng)用在實際上。

圖三、全動態(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，我們是第一個提出全動態(tài)范圍外差光纖陀螺儀的團隊。其中，共光程架構(gòu)的特點可以改善傳統(tǒng)外差式I-FOGs的缺點[19]，我們在計算中，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的雷射光會完全回到雷射源，這種情形會降低光學(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度的量級必須在公分以下。

在實際應(yīng)用上，這個共光程外差平衡感測光纖陀螺儀可以被設(shè)計在芯片上；另一方面，使用SMFs也可以有效降低實驗成本。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.

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[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)定度是當一個雷射光纖陀螺儀在靜止時量到的相位，理論上應(yīng)該要為零，但實際上由于電子噪聲等因素，造成儀器會讀到相位值。所以我們在評估相關(guān)雷射光纖陀螺儀的性能時，零偏穩(wěn)定度是一個相當重要的指針，其單位為deg/hr(簡而言之，就是一小時之內(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。