Gyroscopen zijn apparaten die voertuigen helpen, drones, en draagbare en draagbare elektronische apparaten kennen hun oriëntatie in de driedimensionale ruimte. Ze zijn gemeengoed in zowat elk stukje technologie waar we elke dag op vertrouwen. Oorspronkelijk, gyroscopen waren sets van geneste wielen, die elk om een ​​andere as draaien. Maar open vandaag een mobiele telefoon, en je zult een micro-elektromechanische sensor (MEMS) vinden, het hedendaagse equivalent, die veranderingen meet in de krachten die werken op twee identieke massa's die oscilleren en in tegengestelde richtingen bewegen. Deze MEMS-gyroscopen zijn beperkt in hun gevoeligheid, daarom zijn optische gyroscopen ontwikkeld om dezelfde functie uit te voeren, maar zonder bewegende delen en met een grotere mate van nauwkeurigheid met behulp van een fenomeen dat het Sagnac-effect wordt genoemd.

Het Sagnac-effect, genoemd naar de Franse natuurkundige Georges Sagnac, is een optisch fenomeen dat geworteld is in Einsteins speciale relativiteitstheorie. Om het te creëren, een lichtstraal wordt in tweeën gesplitst, en de dubbele bundels reizen in tegengestelde richtingen langs een cirkelvormig pad, ontmoeten elkaar dan bij dezelfde lichtdetector. Licht reist met een constante snelheid, dus door het apparaat te draaien - en daarmee het pad dat het licht aflegt - komt een van de twee stralen eerder bij de detector aan dan de andere. Met een lus op elke oriëntatie-as, deze faseverschuiving, bekend als het Sagnac-effect, kan worden gebruikt om de oriëntatie te berekenen.

De kleinste hoogwaardige optische gyroscopen die tegenwoordig verkrijgbaar zijn, zijn groter dan een golfbal en zijn niet geschikt voor veel draagbare toepassingen. Omdat optische gyroscopen steeds kleiner worden gebouwd, zo ook het signaal dat het Sagnac-effect opvangt, waardoor het voor de gyroscoop steeds moeilijker wordt om beweging te detecteren. Tot nu toe, dit heeft de miniaturisering van optische gyroscopen voorkomen.

Caltech-ingenieurs onder leiding van Ali Hajimiri, Bren Hoogleraar Electrical Engineering and Medical Engineering bij de Divisie Engineering and Applied Science, een nieuwe optische gyroscoop ontwikkeld die 500 keer kleiner is dan het huidige state-of-the-art apparaat, toch kunnen ze faseverschuivingen detecteren die 30 keer kleiner zijn dan die systemen. Het nieuwe apparaat wordt beschreven in een paper gepubliceerd in het novembernummer van Natuurfotonica .

Hoe het werkt

De nieuwe gyroscoop van het laboratorium van Hajimiri bereikt deze verbeterde prestaties door gebruik te maken van een nieuwe techniek die 'wederzijdse gevoeligheidsverbetering' wordt genoemd. In dit geval, "wederzijds" betekent dat het beide lichtbundels in de gyroscoop op dezelfde manier beïnvloedt. Aangezien het Sagnac-effect afhankelijk is van het detecteren van een verschil tussen de twee stralen wanneer ze in tegengestelde richtingen reizen, het wordt als niet-wederkerig beschouwd. In de gyroscoop, licht reist door geminiaturiseerde optische golfgeleiders (kleine leidingen die licht, die dezelfde functie vervullen als draden voor elektriciteit). Onvolkomenheden in het optische pad die de stralen kunnen beïnvloeden (bijvoorbeeld thermische fluctuaties of lichtverstrooiing) en elke interferentie van buitenaf zal beide stralen op dezelfde manier beïnvloeden.

Het team van Hajimiri heeft een manier gevonden om deze wederzijdse ruis te elimineren, terwijl de signalen van het Sagnac-effect intact blijven. Wederzijdse gevoeligheidsverbetering verbetert dus de signaal-ruisverhouding in het systeem en maakt de integratie van de optische gyro op een chip kleiner dan een rijstkorrel mogelijk.

Het artikel is getiteld "Nanophotonic optische gyroscoop met wederzijdse gevoeligheidsverbetering."