Инженеры создали самый крошечный в мире светочувствительный гироскоп, который можно легко интегрировать в самую маленькую портативную современную технику.
Гироскопы распространены во всех технологиях, которые мы используем в настоящее время. Гироскопы используются в транспортных средствах, дронах и электронных устройствах, таких как мобильные и носимые устройства, поскольку они помогают определить правильную ориентацию устройства в трехмерном (3D) пространстве. Первоначально гироскоп - это устройство колеса, которое помогает колесу быстро вращаться вокруг оси в разных направлениях. Стандарт оптический гироскоп содержит намотанное на катушку оптическое волокно, несущее импульсный лазерный свет. Он работает либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Напротив, современные гироскопы являются датчиками, например, в мобильных телефонах присутствует микроэлектромеханический датчик (MEMS). Эти датчики измеряют силы, которые действуют на два объекта одинаковой массы, но колеблются в двух разных направлениях.
Эффект Саньяка
Датчики, хотя сейчас широко используются, имеют ограниченную чувствительность и, следовательно, оптические гироскопы необходимы. Существенное отличие состоит в том, что оптические гироскопы могут выполнять аналогичную задачу, но без каких-либо подвижных частей и с большей точностью. Это достигается с помощью эффекта Саньяка, оптического явления, которое использует общую теорию относительности Эйнштейна для обнаружения изменений угловой скорости. Во время эффекта Саньяка луч лазерного света разделяется на два независимых луча, которые теперь движутся в противоположных направлениях по закругленной траектории, в конечном итоге встречаясь на одном световом приемнике. Это происходит только в том случае, если устройство статично, и главным образом потому, что свет распространяется с постоянной скоростью. Однако, если устройство вращается, путь света также поворачивается, в результате чего два отдельных луча достигают светового датчика в разный момент времени. Этот фазовый сдвиг называется эффектом Саньяка, и эта разница в синхронизации измеряется гироскопом и используется для расчета ориентации.
Эффект Саньяка очень чувствителен к шуму в сигнале, и любой окружающий шум, такой как небольшие тепловые флуктуации или вибрации, может нарушить лучи при движении. А если гироскоп значительно меньшего размера, то он более подвержен сбоям. Оптические гироскопы, очевидно, намного более эффективны, но по-прежнему сложно уменьшить масштабы оптических гироскопов, то есть уменьшить их размер, потому что по мере того, как они становятся меньше, сигнал, передаваемый от их датчиков, также ослабевает, а затем теряется в шуме, который генерируется всеми рассеянными свет. Это затрудняет обнаружение движения гироскопом. Этот сценарий ограничил конструкцию оптических гироскопов меньшего размера. Самый маленький гироскоп с хорошими характеристиками имеет размер, по крайней мере, с мяч для гольфа, и поэтому не подходит для небольших портативных устройств.
Новый дизайн маленького гироскопа
Исследователи из Калифорнийского технологического института США разработали оптический гироскоп с очень низким уровнем шума, который использует лазер вместо датчиков MEMS и дает аналогичные результаты. Их исследование опубликовано в Nature Photonics. Они взяли крошечный кремниевый чип размером 2 квадратных миллиметра и установили на нем канал для направления света. Этот канал помогает направлять свет во всех направлениях по кругу. Инженеры устранили обратный шум, увеличив путь лазерных лучей с помощью двух дисков. По мере того, как путь луча становится длиннее, количество шума выравнивается, что приводит к точным измерениям, когда два луча встречаются. Это позволяет использовать устройство меньшего размера, но при этом сохранять точные результаты. Устройство также меняет направление света на противоположное, чтобы помочь в шумоподавлении. Этот инновационный гироскопический датчик получил название XV-35000CB. Повышение производительности было достигнуто методом «обратного повышения чувствительности». Взаимный означает, что он воздействует на два независимых луча света одинаковым образом. Эффект Саньяка основан на обнаружении изменения между этими двумя лучами, поскольку они движутся в противоположных направлениях, и это равносильно невзаимности. Свет проходит через мини-оптические волноводы, которые представляют собой небольшие каналы, по которым проходит свет, подобно проводам в электрической цепи. Любые дефекты оптического пути или внешние помехи повлияют на оба луча.
Повышение обратной чувствительности улучшает отношение сигнал / шум, позволяя интегрировать этот оптический гироскоп на крошечный чип размером с кончик ногтя. Этот крошечный гироскоп, по крайней мере, в 500 раз меньше по размеру, чем существующие устройства, но может успешно обнаруживать фазовые сдвиги в 30 раз меньшие, чем существующие системы. Этот датчик может в первую очередь использоваться в системах для коррекции вибрации камеры. Гироскопы сейчас незаменимы в различных областях, и текущие исследования показывают, что можно разработать оптические гироскопы меньшего размера, хотя для того, чтобы эта лабораторная конструкция стала коммерчески доступной, может потребоваться некоторое время.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Хиал П.П. и др., 2018. Нанофотонный оптический гироскоп с обратным повышением чувствительности. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
