Инженеры создали самый крошечный в мире светочувствительный гироскоп, который можно легко интегрировать в самую маленькую портативную современную технику.
Гироскопы широко используются во всех современных технологиях. Они применяются в транспортных средствах, дронах и электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и носимые устройства, поскольку помогают определять правильную ориентацию устройства в трехмерном (3D) пространстве. Изначально гироскоп представлял собой устройство колеса, которое позволяло колесу быстро вращаться вокруг оси в разных направлениях. Стандартный оптический гироскоп содержит намотанный на катушку оптический кабель, несущий импульсный лазерный луч. Он вращается либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. В отличие от них, современные гироскопы являются датчиками; например, в мобильных телефонах используются микроэлектромеханические датчики (MEMS). Эти датчики измеряют силы, действующие на два объекта одинаковой массы, но колеблющиеся в разных направлениях.
Эффект Саньяка
Хотя датчики сейчас широко используются, их чувствительность ограничена, поэтому необходимы оптические гироскопы . Ключевое отличие заключается в том, что оптические гироскопы способны выполнять аналогичную задачу, но без подвижных частей и с большей точностью. Это достигается за счет эффекта Сагнака — оптического явления, использующего теорию общей относительности Эйнштейна для обнаружения изменений угловой скорости. Во время эффекта Сагнака луч лазерного света расщепляется на два независимых луча, которые теперь движутся в противоположных направлениях по закругленной траектории, в конечном итоге встречаясь у одного детектора света. Это происходит только в том случае, если устройство неподвижно, главным образом потому, что свет распространяется с постоянной скоростью. Однако, если устройство вращается, траектория света также поворачивается, в результате чего два отдельных луча достигают детектора света в разное время. Этот фазовый сдвиг называется эффектом Сагнака, 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 MEMS-датчиков и обеспечивает эквивалентные результаты. Их исследование опубликовано в журнале 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 взаимный шум, удлинив путь лазерных лучей с помощью двух дисков. По мере увеличения длины пути луча уровень шума выравнивается, что приводит к точным измерениям при встрече двух лучей. Это позволяет использовать более компактное устройство, сохраняя при этом точность результатов. Устройство также меняет направление света для подавления шума. Этот инновационный гироскопический датчик получил название XV-35000CB. Улучшение характеристик было достигнуто методом «взаимного повышения чувствительности». Взаимное означает, что оно воздействует на два независимых световых луча одинаковым образом. Эффект Сагнака основан на обнаружении изменения направления распространения этих двух лучей, поскольку они распространяются в противоположных направлениях, что означает их нереципрокность. Свет распространяется через миниатюрные оптические волноводы, представляющие собой небольшие каналы для передачи света, аналогичные проводам в электрической цепи. Любые дефекты оптического пути или внешние помехи будут влиять 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.
Источник (ы)
Khial PP et al 2018. Нанофотонный оптический гироскоп с обратным повышением чувствительности. Nature Photonics . 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
