<p><span style="font-weight: 400;">自古以來，「 掌握自身位置」一直十分重要 。在陸地旅行，需要掌握自己走到哪裡，離目標還有多遠；在茫茫大海上，若是失去航向終將迷失方向；而當人類跨入航空時代，對於導航與定位的需求更是隨之應運而生。如今「陀螺儀」已成為指引人類的關鍵工具。</span></p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/15-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">（傳統型）陀螺儀測量物體的旋轉角度，掌握物體在三維空間中的狀況。</div>
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<p><span style="font-size: 20px;"><b>陀螺儀：幫裝置抓穩方向感的神隊友</b></span></p>
<p><span style="font-weight: 400;">陀螺儀並不是現代新發明，早在 19 世紀中葉已經問世。後來陀螺儀在 20 世紀被大量用於船艦、飛彈、衛星等用途，在軍事作戰與科學探索等場合不可或缺。時間來到 21 世紀，隨著技術進步，陀螺儀被整合進手機、無人機、自駕車等單人使用的裝備，可以說已經徹底融入現代人的日常生活。然而，陀螺儀其實還有很多進步空間。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">任職於國立中山大學光電工程學系的洪勇智特聘教授，他主導的「矽光子積體電路及光纖陀螺儀裝置」計畫，2025 年得到經濟部頒發的「國家發明獎」金牌。最明確可見的成果，便是將光纖陀螺儀與矽晶片合為一體，大幅縮小陀螺儀的體積，又能保有足夠的精準度，有極高的應用價值。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授表示，陀螺儀基本功能是測量角度的感測器，掌握物體在三維空間中的旋轉狀況，因此實際使用上需要三軸。回顧陀螺儀的發展歷史，初期的機械式需要精密加工，重量重、體積大，後來又衍生出輕巧化的陀螺儀。衡量陀螺儀性能的指標稱為「偏壓飄移率」（bias drift），單位是「°/hr」。10 °/hr 以上為低階，0.5 °/hr 以下為高階或戰術型。也就是說，偏壓飄移率愈低，陀螺儀的性能愈好。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">根據結構與操作原理差異，現今主要有四類陀螺儀。「環形雷射陀螺儀」（ring laser gyroscope, RLG）以及「半球形高共振腔陀螺儀」（hemispherical resonator gyroscope, HRG）皆能達到較低的偏壓飄移率，可用於高階產品，如高級飛彈、衛星。不過代價是必須在儀器模組上進行精密封裝，難以量產，導致成本居高不下。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">相比之下，「微機電式陀螺儀」（microelectromechanical systems, MEMS）可以用半導體製程大量製造，壓低成本；卻也受限於材料與機械性質之不穩定性，使得偏壓飄移率偏高，只能用於低階產品。例如人手一支的手機。</span></p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/15-2_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">中山大學團隊研發之矽光子光纖陀螺儀模組外觀。</div>
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<p><span style="font-size: 20px;"><b>光纖陀螺儀，瞄準中階需求</b></span></p>
<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授的研究聚焦於「干涉式光纖陀螺儀」（interferometric optical fiber gyroscope, IFOG），其介於兩者之間。這類產品的性能儘管普遍不如環形雷射、半球形高共振腔陀螺儀，卻優於微機電式陀螺儀。製作上，如果能順利由半導體製程量產，也可以降低售價。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授表示，過往的高階陀螺儀使用各種最好的元件，如果要將其整合到一個晶片上，性能肯定會打折扣。所以他與團隊的目標，並非想做出最好的陀螺儀，而是適合特定用途的中階產品。例如，最近流行的無人機，就是光纖陀螺儀目前適合的市場。另外像是近年興起的低軌衛星，軍事用的短程飛彈、戰車炮管的穩定裝置，都是中階光纖陀螺儀可望發揮的對象。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">光纖陀螺儀怎麼作用？以前為什麼無法縮小？ 新研究的價值何在呢？洪勇智教授解釋，首先要有一個光源，經過光偵測器、分光器、光相位調變器後，讓光線分為順時鐘、逆時鐘兩個方向進入光纖環。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">假如物體沒有移動，順、逆時鐘的兩道光最後會同時到達。而如果物體發生旋轉，兩道光抵達時間便會有所落差；依照時間落差，經歷一系列換算，即可回推物體的移動程度。上述的操作過程能量測一軸的變化，同樣的設計組成三軸，則能掌握立體的變化，這便是光纖陀螺儀的基本原理。</span></p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden flex flex-col"><img decoding="async" class="jsx-3968805167 block w-full" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/15-3_600x320.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 w-full p-4 text-white text-[13px]" style="background: #333; display: block; line-height: normal;">干涉式光纖陀螺儀（IFOG）的基本結構示意圖。</div>
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<p><span style="font-size: 20px;"><b>結合矽晶圓製程，生產迷你又便宜的產品</b></span></p>
<p><span style="font-weight: 400;">光纖陀螺儀整套設備需要的光源、分光器、光相位調變器、光纖環等部分，分開看皆為獨立的元件，過往都是獨立封裝，再以光纖連接。因此組裝步驟繁多，體積較大。而 陀螺儀需要三軸，也就是三倍的裝置量。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">另一方面，一分錢一分貨。陀螺儀每一部分都需要高品質元件，才能保證光源與光纖穩定運行。這些因素使得光纖陀螺儀成本高昂。洪勇智教授指出，以前一軸的價格高達新臺幣 30 到 40 萬，飛在天上需要三軸的無人機，便要耗費 100 萬，實在是非常昂貴。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授的團隊，想到可以利用臺灣晶圓廠的製程降低成本。如今，矽晶片的製程已相當成熟，可以大量生產。經由妥善的設計，將整套複雜的光電元件一次封裝，最終整合在面積僅有 4 × 1.22 mm 的晶片上，比一顆綠豆還小。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">藉由成功將三軸整合於一體，元件得以大幅精簡，如減少「熔接點」（fusing points）的數量。「熔接點」意指結合不同元件的接點，包括光源和分光器的接點、光偵測器和分光器的接點、分光器和光相位調變器的接點、光相位調變器和光纖環的接點等等。原本三軸總共需要 3 個光源、18 個熔接點，整合後減少為 1 個光源、7 個熔接點；將其做成一個光纖陣列，只經過一次封裝，就能大幅降低 體積和成本。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">要達到上述目標並不容易，種種挑戰： 從矽晶片無法自體發光的限制、訊號傳輸損耗的材料選擇，到光電訊號轉換的機制設計，每一關都困難重重。必須結合光學、電路、材料、矽晶片設計、矽晶片製造等領域的高深專業，才有機會克服各種問題。</span></p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/15-4_670x460.jpg" /> </p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">國立中山大學團隊研發之矽光子光纖陀螺儀，最佳成品的偏壓飄移率 0.158 °/hr，性能達到高階戰術級標準。（圖片來源：國立中山大學微型光子陀螺儀研發中心）</div>
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<p><span style="font-size: 20px;"><b>高度跨領域的矽光子晶片，需要很多人才</b></span></p>
<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授強調，光纖陀螺儀，乃至於更廣的矽光子晶片，可謂高度跨領域的研究題材。他原本以光纖通訊為研究主軸，十多年前遇見時任國家太空中心的劉人仰博士，才踏入光纖陀螺儀的研究。矽光子晶片需要結合三種深奧的專業：光學、積體電路設計、半導體製程。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">洪勇智教授本身是光纖通訊的背景，因緣際會下也接觸過一些設計和製程，所以有辦法理解矽光子晶片觸及的不同面向。然而他表示，這三個差異極大的領域，事實上沒有人可以全部精通，所需人才目前十分短缺。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">臺灣人耳熟能詳的矽晶片，其實設計和製造已經成為分歧很大的不同專業，設計專家不一定懂製造，製程專家也不見得懂設計。矽光子的光學又是截然不同的另一套知識，例如，洪勇智教授 2016 年起和台積電合作，那時候整個台積電都沒有熟悉光學的專家。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">在可預見的未來，矽光子晶片有很多發展空間。然而，對於從零起步的學子而言，該如何涉足這項高度跨領域的專業？洪勇智教授認為，學習需要時間，要在 碩士畢業前 即精通三大領域，幾乎是不可能的任務。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">學生應從既有背景出發，例如，光電系背景應該對光學比較熟悉；電子系背景 會更懂設計或製程。先掌握自己可以理解的部分，養成立足的知識基礎後，再跨向另一個領域；未必要學到 樣樣精通，只要能夠理解其餘專業的狀況，對自己未來的工作會很有幫助。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">國立中山大學研發光纖陀螺儀的成果已經在 2024 年，與澳洲的航電導航模組設計開發商 Azimuth Avionics Pty Ltd 簽約國際技術移轉授權。洪勇智教授表示，從 2016 年到現在，受到國家太空中心、國家中山科學研究院、國防部，以及國科會 等單位的協助，又與台積電、聯亞光電等企業合作，才有目前的成果。這方面的研究耗資龐大，感謝各界支持，也希望未來能繼續投入，才能持續突破。</span></p>
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<p>（客座總編輯｜國立臺灣科技大學光電工程研究所 李三良講座教授；研究顧問團隊｜<span style="font-weight: 400;">國立中山大學光電工程學系洪勇智特聘教授</span>；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）</p>
